Akkumulátorok bővítése
Szerző: Lendvay Gábor
A líthium akkumulátorok bővítése egy gyakran felmerülő probléma. Szabad-nem szabad, egyáltalán műszakilag lehetséges bővíteni? A válasz nem is olyan egyszerű! Nézzük!
Az alapegység a cella:
Amíg 1db cellából áll az akkupack nincs probléma, ha van BMS, akkor figyeli a cella paramétereit (hőmérséklet, feszültség). A BMS nem engedi a túltöltést, a mélykisütést és a megfelelő hőmérséklet-tartományban engedi csak az akku működését. Ez eddig OK.
Tudjuk, hogy a világon minden elhasználódik. Ezt az indulástól kezdődő, romló folyamatot degradációnak hívjuk. Az akkucella degradációja megszabja az élettartamot. Próbáljuk fékezni a degradációt, pl. hűvös helyen tároljuk az akkut, a töltési-kisütési ciklusokat alacsony árammal végezzük, azaz kíméletesen használjuk, de egyszer mindenképp eljön az a pont, ahol -ugyan még használható az eszköz-, de célszerű kicserélni. (Ha pl. egy elektromos autó hatótávja 700km és több év degradáció után már csak 400km-t tud, akkor a tulajdonos vérmérsékletétől függ, hogy mikor szánja rá magát a cserére. Lehet, hogy csak akkor, amikor mindössze 200km-nyi a kapacitás.) A hibrid rendszer akkuja pl. 10kWh kapacitású a telepítéskor, új korában. Elkezdjük használni és onnantól kérlelhetetlenül degradálódik!
A napelemes rendszerhez nem 1db akkucellát használunk, hanem jóval többet. Az akkugyártók akkupackokat gyártanak. Mennyi cella van a packban? Mivel egy LiFePo cella súlya ~2kg, ezért 16db cella 32kg lesz, amihez hozzá kell adni az elektronikát, a dobozt, melyekkel összesen ~40kg lesz a súlya a packnak. Ilyenek a Solinteg EBS 2,5kWh-ás akkuegységek. ("Tök jó fej" a Solinteg, hogy kíméli a telepítők gerincét a cipekedéstől!)
Egy másik gyártó a Fox, az 5kWh-ás egységet ~50kg-ból hozza ki. Ebben 60db cella van. A lényeg, hogy sok cella van a packban és ezek degradálódnak és ráadásul nem egyformán! A csomag közepén melegebb van, az ott lévő cella hamarabb romlik és így kevesebb töltést tud felvenni. Az akkupack teljesen feltöltött állapotában alacsonyabb lesz a gyengébb cella feszültsége, mint a csomag szélén lévő hűvösebb celláknak. A jó BMS erre is figyel és a cellákat "balanszírozza". Ez egy olyan folyamat, amikor a teljes feltöltést követően (SOC100%) a BMS nagyon alacsony árammal a gyengébb cellákat az erősebbek rovására tölti és így azokat is azonos feszültségű, azonos töltöttségű szintre hozza. Az alacsony áramú balanszírozás rendkívűl időigényes folyamat.
A packokból a telepítés során akkuszekrényt állítunk össze:
Pl. a Solinteg EBS 10kWh-ás szekrény 4db packból áll, bennük 4x16db, azaz 64db sorba kötött cellával. Az akkuszekrény degradálódik és benne a cellák is -most már tudjuk, hogy- különböző mértékben. De mégis, ezeket a cellákat egyszerre telepítették, egyszerre használják. Romlanak ugyan, de majdnem azonos mértékben! (Az autó négy kerekének gumija nagyjából egyenletesen kopik. Ha defektet kapunk és feltesszük a pótkereket azonos tengelyen eltérőek lesznek a gumik, ami balesetveszélyes! Célszerű a javítás után visszatenni a használtat, vagy egyszerre cserélni.) És ez a lényeg: Az egyidőben telepített cellák közel azonos mértékben romlanak, a legkevésbé és leginkább degradálódott cellák közötti különbségek kicsik, a ballanszírozás során a BMS helyrerakja az eltéréseket, rendezi a feszültségviszonyokat, de csak azután, amikor az akku SOC100%-on van.
Bővíteni szeretnénk.
Van egy használt 10kWh-ás akkupackunk és 2,5kWh-val szeretnénk bővíteni.
Az első feltétel, hogy a bővítéskor azonos töltöttségű (azonos feszültségű) állapotban kell lennie az egyes packoknak, mert az inverter a feszültség alapján tudja csak a töltöttség szintjét megállapítani. Mi történik, ha ezt nem tartjuk be?
A meglévő packok pl. SOC80%-on vannak. Mekkora a pack feszültsége? A 4db packot 4X16=64db cella alkotja. A cellára igaz:
Tehát a pack feszültsége SOC80%-on 64x3,32V=212,48V
A vadonatúj pack pl. 10%-os töltöttségi szinten van, vagyis 16x3,0V=48V-on. Gyanútlanul összeépítjük ezeket. A sorba kötés miatt a feszültség 212,48V+48V=260,48V lesz. Az inverter méri a feszültséget és azt hiszi, hogy a 260,48V miatt az SOC40%. (260,48/(64+16)=3,256V) Azért az könnyen belátható, hogy 4db 80%-os és 1db 10%-os akku összességében nem 40%-ra van töltve, az inverter mégis azt hiszi. Ilyenkor helyre kell tenni az invertert, végre kell hajtani egy ún. SOC Reset-et. Ez egy olyan folyamat, amikor -függetlenül a napfénytől- az AC hálózatból feltöltjük az akkut SOC100%-ra, majd végrehajtjuk a balanszírozást. A töltés nagy árammal, viszonylag gyorsan történik. Pl. 4db pack 80%-on, míg a bővítőpack 10%-on van:
A töltést a BMS megállítja, amikor az első cella 100%-ra töltődött, tehát minden cellába 20% fog betöltődni. A régiek így teljesen, míg az új 10%-ról 30%-ra töltődik. Ezután jön a balanszírozás kis árammal és ezért iszonyú lassan. Ilyen eltérés esetén ez hónapokig tart, tehát így akkupackot bővíteni nem tilos, de szakmaiatlan! A helyes eljárás az, hogy az ügyfél akkuján -előző nap- be kell állítani az UPS üzemmódot, mert ilyenkor az akku 100%-ra töltődik. Ezzel együtt a telepítő műhelyében -ugyancsak az előző nap- 100%-ra kell tölteni a bővítő akkupackot is. A bővítés napján tehát minden akku 100%-on lesz. El kell végezni a telepítést, majd vissza kell állítani az invertert az UPS üzemmódról a normál üzemmódra és végre kell hajtani a SOC Resetet, hogy a ballanszírozás lefusson.
A második feltétel, hogy a gyártó engedélyezze a bővítést. Micsodaaaa? A gyártó érdeke az, hogy eladjon, miért támaszt ilyen feltételt? A degradáció miatt! Az előzőek alapján könnyen belátható, hogy a használt akkut új akkuval bővíteni csak akkor javasolt, ha a degradáció még nem nagy mértékű. A gyártó tehát azt mondja, hogy fél éves, vagy egy éves akkut enged, javasol bővíteni. A sorba kötött celláknak azonosnak kell lennie, mert ha még nem degradálódott akkuval bővítünk, akkor annak kapacitását nem fogjuk tudni kihasználni:
A kisütéskor a leggyengébb cella lemerülésekor megáll a kisütés. Ilyenkor az erős cellákban marad energia. (Olyan ez, mint a napelem bővítés. Nagyobb napelemmel lehet bővíteni, de csak a gyengébb teljesítménnyel fog működni.) A gyártó tehát védi a jó hírnevét, ezért korlátoz. Be kell tartani a gyártói ajánlásokat.
A harmadik feltétel, beszerezhető legyen ugyanolyan akkupack. A technika oly gyorsan változik, hogy bizony sokszor akadunk bele ebbe a problémába. Az értékesítőnek célszerű azt kommunikálnia, hogy célszerű akkora tárolórendszert telepíteni, ami kitart a teljes élettartam alatt!
Van-e más megoldás? Igen, van!
Első megoldás:
Ha az inverternek két akkubemenete van, akkor a két vezérlő alatt különböző akkupackok is lehetnek. (Hasonlóan ahhoz, amikor két külön tájolású stringet, két külön munkapontra kötünk.)
Második megoldás:
Eddig a sorba kötött akkupackokról volt szó, de van olyan is, hogy párhuzamosan kötik a packokat. Ilyenkor az akkupackra rászerelnek egy ún. "boost convertert", ami egy DC-DC átalakító. A packon belül sorba van kötve 16db LiFePo cella, így előáll az Unévl=51,2V-os packfeszültség, de a boost converter ebből Unévl=450V-ot csinál, ami már az inverter feszültség-tartományába esik, vagyis már 1db pack is ráköthető. Ezek az akkugységek párhuzamosan köthetők az inverterre, a feszültség nem fog változni, mert az egyes converterek beszélgetnek egymással és összehangolják a feszültségszinteket, függetlenül attól, hogy az alattuk lévő cellák mennyire degradálódtak. Ebből következik, hogy bármikor bővíthető a rendszer. Ilyen pl. a Weco Ultra-HV és a Sunwoda SunESS H2 akkuja. (A megértést segíti a SolarEdge rendszere, ahol különböző napelemek az optimalizálókkal összeköthetők, bővíthetők, mint a különböző akkuk a boost converterekkel.)
Összegzés:
A cellák, packok sorba kötésével egy vezérlő alatt olyan akkuszekrények építhetők, melyek általában egy éven belül még bővíthetők. Ezen túl másik vezérlő alatt lehetséges a bővítés, ha az inverter tud fogadni két vezérlőt.
A packok párhuzamos kötéséhez szükségesek további drágább elektronikai elemek (boost converter), cserébe a bővítés korlátlan időbeli lehetősége megmarad.