Testovací pracoviště pro měření baterií - realizace. Bc. Matěj Kmínek

České vysoké učení technické v Praze Fakulta elektrotechnická Katedra elektrotechnologie K13113

Diplomová práce

Testovací pracoviště pro měření baterií - realizace Bc. Matěj Kmínek

Vedoucí práce: Ing. Pavel Hrzina, PhD.

Studijní program: Elektrotechnika, energetika a management, Magisterský Obor: Technologické systémy 8. května 2012

iv

v

Poděkování Rád bych touto cestou poděkoval Ing. Pavlu Hrzinovi PhD. a Ing. Tomáši Cetlovi za vedení a odbornou pomoc v době vytváření práce.

vi

vii

Prohlášení Prohlašují, že jsem předloženou práci vypracoval samostatně a že jsem uvedl veškeré použité informační zdroje v souladu s Metodickým pokynem o dodržování etických principů při přípravě vysokoškolských závěrečných prací.

V Praze dne 8. května 2012

.............................................................

viii

Abstract The bachelor thesis, "Battery Tester [7]", details a theoretically-designed device developed for the purpose of charging, discharging, and testing electrical batteries. The device design was approved, and following approval, the device was constructed at the department of electrotechnology. This final thesis summarizes the device construction process, provides information on the final product, and gives an overview of the device’s functions and potential. The outcome of the thesis is a functional device that has been fully tested, reflects the original concept, and is useable for the proposed purposes. Additionally, this work is intended to serve as the complete device documentation, including suggested future uses for academic research and commercial purposes.

Abstrakt V rámci bakalářské práce Testovací pracoviště pro měření baterií [7] (r. 2010) bylo na katedře teoreticky navrženo zařízení, určené k nabíjení, vybíjení a testování elektrických baterií. Návrh zařízení byl schválen k realizaci a výstavba zařízení byla v době po schválení provedena. Tato diplomová práce tedy shrnuje postup realizace výstavby tohoto zařízení, informuje o výsledném produktu a podává souhrnný přehled o rozsahu použitelnosti zařízení a jeho funkcích. Výsledným produktem této diplomové práce je zařízení plně otestované, funkční, odpovídající požadované koncepci a využitelné v navrhované praxi. Tato práce se rovněž rozumí jako úplná dokumentace zařízení, spolu s návrhy jeho budoucího využití jak na fakultě, tak v komerční sféře.

ix

x

Obsah 1 Úvod 1.1 Struktura textu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1 2

2 Popis problému, specifikace cíle 2.1 Popis problému . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Specifikace cíle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 3 3

3 Pracoviště pro měření baterií 3.1 Navrhované řešení . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Realizované řešení . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1 Skříň . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2 Vybíjecí část . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.3 Nabíjecí část . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.4 Měření . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.5 Automatické ovládání . . . . . . . . . . . 3.2.5.1 Řídící jednotka . . . . . . . . . . 3.2.5.2 USB HUB . . . . . . . . . . . . 3.2.5.3 Měření teploty . . . . . . . . . . 3.2.6 Manuální ovládání - panel . . . . . . . . . 3.2.7 Ovládací periferie . . . . . . . . . . . . . . 3.2.8 Schéma spínání . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.9 Bateriový prostor . . . . . . . . . . . . . . 3.2.10 Ovládací software . . . . . . . . . . . . . . 3.2.10.1 Uživatelské rozhraní . . . . . . . 3.2.10.2 Naprogramovaný kód . . . . . . 3.2.10.3 Dodatečné programové vybavení 3.2.10.4 Plánované softwarové vylepšení . 3.2.11 Odlišnosti oproti návrhu . . . . . . . . . . 3.3 Elektrické schéma . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Pomocný měřící kufřík COMETA . . . . . . . . . 3.4.1 Účel zařízení . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.2 Datalogger . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.3 Proudové bočníky . . . . . . . . . . . . . 3.4.4 Schéma obsahu kufříku . . . . . . . . . . . 3.4.5 Postup měření . . . . . . . . . . . . . . .

xi

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5 5 6 7 7 10 11 13 13 14 14 15 15 18 19 20 22 22 25 25 25 26 29 29 30 31 31 32

xii

OBSAH

3.5

3.6

3.4.6 Prohlížení zaznamených dat . . . . . . 3.4.7 Počítačové zpracování naměřených dat Možnosti budoucích úprav . . . . . . . . . . . 3.5.1 Rekuperační vybíječ . . . . . . . . . . 3.5.2 Automatizace dokumentace . . . . . . Využití zařízení na fakultě . . . . . . . . . . . 3.6.1 Komerční využití . . . . . . . . . . . . 3.6.2 Studijní účely . . . . . . . . . . . . . .

4 Technologické postupy měření 4.1 Obecný postup . . . . . . . . . 4.2 Povolené akumulátory k měření 4.3 Měření vnitřního odporu . . . . 4.4 Kapacitní zkouška . . . . . . . 4.5 Rychlé vybíjení . . . . . . . . . 4.6 Rychlé nabíjení . . . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

5 Vzorová měření 5.1 Předmět měření . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.1 Identifikace baterií . . . . . . . . . . 5.2 Naměřené výsledky . . . . . . . . . . . . . . 5.2.1 Prvotní nabíjení baterií . . . . . . . 5.2.1.1 Baterie č. 1 . . . . . . . . . 5.2.1.2 Baterie č. 2 . . . . . . . . . 5.2.1.3 Baterie č. 3 . . . . . . . . . 5.2.1.4 Baterie č. 4 . . . . . . . . . 5.2.2 Měření vnitřního odporu baterií . . . 5.2.3 Vybíjení baterií vyšším proudem 40A 5.2.3.1 Baterie č. 1 . . . . . . . . . 5.2.3.2 Baterie č. 2 . . . . . . . . . 5.2.3.3 Baterie č. 3 . . . . . . . . . 5.2.3.4 Baterie č. 4 . . . . . . . . . 5.2.4 Kapacitní zkouška baterií . . . . . . 5.2.4.1 Baterie č. 1 . . . . . . . . . 5.2.4.2 Baterie č. 2 . . . . . . . . . 5.2.4.3 Baterie č. 3 . . . . . . . . . 5.2.4.4 Baterie č. 4 . . . . . . . . . 5.3 Lokalizace teplem zatěžovaných míst . . . . 5.4 Zhodnocení měření . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

32 32 33 33 34 34 35 35

. . . . . .

37 37 38 38 38 39 39

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

41 41 42 42 42 42 43 43 44 44 45 45 45 46 46 48 48 48 49 50 51 52

6 Automatizované vyhodnocení 55 6.1 Současný stav automatizace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

OBSAH

7 ČSN Testování 7.1 Zkoušky elektrického rázu . . . . . . . . . . . . 7.1.1 Trvalé nabíjení malým proudem . . . . . 7.1.2 Vnější zkrat . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.3 Přebíjení u Niklových systémů . . . . . 7.1.4 Přebíjení u Lithiových systémů . . . . . 7.1.5 Nucené vybíjení . . . . . . . . . . . . . . 7.1.6 Ochrana lithiového článku proti nabíjení 7.2 Zkoušky mechanického rázu . . . . . . . . . . . 7.2.1 Volný pád . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.2 Mechanický úder . . . . . . . . . . . . .

xiii

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . velkým proudem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

57 57 57 57 57 58 58 58 58 58 58

8 Závěr

61

Literatura

63

A Seznam použitých zkratek

65

xiv

OBSAH

Seznam obrázků 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 3.17 3.18 3.19 3.20

Schéma rozvaděče s vyznačenými důležitými prvky . . . . . . . Silové schéma vybíjení . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Možné nastavení vybíjecích propojek a maximální možná napětí Nabíječ HFM-A 80/100 instalovaný ve skříni . . . . . . . . . . Multimetr Agilent 34410A použitý na měření napětí baterie . . Proudová sonda LEM HASS 500-S . . . . . . . . . . . . . . . . Řídící jednotka NIS USB-6009 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Panel manuálního ovládání zařízení . . . . . . . . . . . . . . . . Stykač V140F použitý ke spínání silových obvodů . . . . . . . . Schéma spínání DC obvodu pomocí 3-pólového stykače . . . . . Instalovaný zadní rozvaděč . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schéma spínání silových obvodů . . . . . . . . . . . . . . . . . . SHARP S202S02 - SSR relé pro spínání obvodu kotvy stykače . Bateriový vozík . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ovládací uživatelské rozhraní v LabVIEW . . . . . . . . . . . . Naprogramované schéma v LabVIEW . . . . . . . . . . . . . . Elektrické schéma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Měřící kufřík COMETA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Datalogger COMET MS55D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Obsah kufříku COMETA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . na . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . bateriích . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6 9 10 11 12 13 14 15 16 16 17 18 19 20 21 24 28 29 30 31

5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6

Baterie s přívodním kabelem zakončeným okem . . Baterie s přívodním kabelem zakončeným kleštěmi Použitý vybíjecí odpor . . . . . . . . . . . . . . . . Kontakt kleští s konektorem proudového bočníku . Vnitřní konektor připojovacích kleští . . . . . . . . Vrchní část rozvaděče v oblasti vybíječe . . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

52 52 53 53 54 54

6.1

Šablona pro výpočet výsledných hodnot v Excelu . . . . . . . . . . . . . . . . 56

xv

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

xvi

SEZNAM OBRÁZKŮ

Seznam tabulek 3.1 3.2

Přehled hodnot odporů při různých kombinacích . . . . . . . . . . . . . . . . Hodnoty parametrů tlumivek při různých frekvencích . . . . . . . . . . . . . .

5.1 5.2

Identifikační tabulka měřených baterií . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Hodnoty vnitřních odporů jednotlivých baterií . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

7.1

Přehled elektrotechnických norem vztahujících se k testování baterií

xvii

8 8

. . . . . 59

xviii

SEZNAM TABULEK

Kapitola 1

Úvod Na katedře elektrotechnologie FEL ČVUT bylo již delší dobu plánováno vyvinout zařízení pro nabíjení, vybíjení a současné měření moderních akumulátorů. V praxi mělo zařízení sloužit tedy k přesnému testování parametrů baterií jednotlivých výrobců, jako např. baterie pro automobilový průmysl, aplikace fotovoltaických elektráren a další. Detailní návrh proběhl v bakalářské práci Testovací pracoviště pro měření baterií [7] v r. 2010. V tomto návrhu byl detailně stanoven vzhled a uspořádání zařízení, komponenty z nichž se zařízení bude skládat, dimenzování prvků těchto komponent a úpravy vyplývající z požadavků na bezpečnost a bezporuchový provoz zařízení. K vytvoření této práce byly použity teoretické požadavky katedry na zařízení a příslušné normy ČSN. Po schválení návrhu katedrou bylo zařízení na katedře skutečně postaveno a zprovozněno. Průběh výstavby se striktně řídil návrhem co se týče vzhledu i funkce. Zařízení bylo vystavěno jako pojízdný bezsoklový skříňový rozvaděč, obsahující nabíjecí i vybíjecí jednotku, sadu měřících zařízení, bateriový vozík určený pro snadnou přepravu baterií a jejich přípravu pro měření a uzamykatelné sekce na notebook, kterým je celé zařízení řízeno. Na zařízení po vystavění byla provedená testovací měření nejrůznějších baterií, na kterých se jeho funkčnost nadále dolaďovala. Tyto testy prokázaly schopnost zařízení pracovat za předpokládaných podmínek a nebyla při nich zjištěna žádná závažná chyba návrhu. Pro co nejjednodušší obsluhu a pro co nejjednodušší práci se zařízením byla vytvořena sada technologických postupů pro práci na zařízení, sloužící jak odborné obsluze, tak případným budoucím studentům.

1

2

1.1

KAPITOLA 1. ÚVOD

Struktura textu

Pro větší přehlednost je text rozdělen do následujících kapitol: Kapitola 1 seznamuje čtenáře s kontextem zadání. Kapitola 2 podrobněji popisuje problém a vymezuje konkrétní cíle práce. Kapitola 3 hloubkově popisuje zařízení vystavěné v rámci této práce. Kapitola 4 uvádí technologické postupy pro operaci s tímto zařízením. Kapitola 5 uvádí vzorová měření provedená na tomto zařízení. Kapitola 6 shrnuje aspekty automatizace zařízení. Kapitola 7 nastiňuje možné testy na zařízení proveditelné. Kapitola 8 shrnuje a hodnotí výsledek práce.

Kapitola 2

Popis problému, specifikace cíle 2.1

Popis problému

Na katedře elektrotechnologie (K13113, ČVUT) byla detailně navržena a později schválena výstavba zařízení dle původního návrhu. V návrhu se počítalo s výrobou speciální rozvaděčové skříně, do níž by se poté instalovaly jednotlivé komponenty zařízení. Jelikož tou dobou byla na katedru zakoupena pouze nabíjecí jednotka, bylo potřeba sehnat možné dodavatele zbývajících komponent a je zakoupit, případně ostatní komponenty dovyrobit. V rámci projektu byly komponenty zakoupeny a do zařízení nainstalovány. Po uvedení do chodu bylo zařízení úspěšně otestováno pro provoz v laboratorních podmínkách FEL ČVUT.

2.2

Specifikace cíle

Cílem diplomového projektu je sestavení zařízení do navrhované podoby, propojení a oživení jednotlivých navrhovaných prvků a provedení zkušebních testů zamýšlených funkcí v reálných laboratorních podmínkách. Spolu s tím souvisí také vypracování obsáhlé dokumentace zařízení ve formě této diplomové práce.

3

4

KAPITOLA 2. POPIS PROBLÉMU, SPECIFIKACE CÍLE

Kapitola 3

Pracoviště pro měření baterií 3.1

Navrhované řešení

Laboratoře katedry elektrotechnologie K13113 byly vybaveny jak nabíjecími tak vybíjecími zařízeními, dimenzované na nejvyšší vybíjecí proud 50 A a nejvyšší nabíjecí proud 30 A. Tato zařízení sloužila ovšem pouze k seznámení studentů s nabíjením a vybíjením malých baterií a k seznámení s chemickými procesy v baterii při různých proudech. S vybudováním laboratoří pro fotovoltaické systémy však již bylo nutné testovat baterie s vyššími kapacitami, a tedy stávající zařízení přestala být dostatečné pro měření parametrů baterií kde je potřeba vyšších proudů, například na testování vnitřního odporu dle normy ČSN, kde je potřeba dosahovat hodnot i přes 100 A. Za tímto účelem byl na katedře vytvořen návrh na konstrukci zařízení schopného splnit tyto požadavky. Původní návrh byl koncipován jako pojízdný elektrický rozvaděč, jehož základní funkční prvky budou nabíjecí i vybíjecí zařízení schopných vysokých výkonů. Oba tyto prvky budou následně připínané k zátěži pomocí dvou stejnosměrných stykačů, zajišťujících jejich dokonalé oddělení v případě vypnutí. Řízení stykačů těchto dvou výkonových obvodů bylo plánováno pomocí datových výstupů řídící jednotky. Měřící část měl obstarat profesionální multimetr Agilent pro měření napětí (již vlastněný katedrou) a LEM sonda pro měření protékajícího proudu. Jak multimetr pro měření napětí, tak i LEM sonda pro měření proudu byly míněny pro propojení s počítačem, pro možnost on-line monitoringu stavu procesu. Zařízení bylo plánováno napájet z klasického domovního rozvodu 3 x 400 V∼, síť TN-S. V návrhu bylo počítáno se spínáním celého zařízení pomocí vlastního stykače instalovaného na DIN liště a celý rozvod byl uvažován provozovat pod RCD proudovým chráničem, rovněž instalovaným na DIN liště. Na zařízení měly přijít instalovat dvě zásuvky 230 V∼, jedna pro napájení prvků zařízení - jako např. měřící multimetr Agilent, tedy sepnutou pouze při zapnutí celého zařízení. Druhá zásuvka byla uvažována jako pracovní, pod napětím i v případě vypnutého zařízení, pro případné servisní práce na vypnutém zařízení.

5

6

KAPITOLA 3. PRACOVIŠTĚ PRO MĚŘENÍ BATERIÍ

Pro jednoduchou manipulaci s bateriemi byla spolu s výrobou pojízdné skříně zadána výroba samostatného bateriového vozíku, který měl pasovat a přesně doléhat do spodního prostoru skříně a zároveň být natolik dimenzován, aby udržel maximální předpokládanou váhu baterie až 100 kg.

3.2

Realizované řešení

. . . . . . K a b e l o v ý p r o s t o r . . . . .

Vy bí j ec í j ednot k a

Na bí j ec í j ednot k a

Měř ení na pět í -mul t i met r Zá s uv k a230Vv y pí na ná

Ov l á da c í not ebook Ří dí c í j ednot k a , z á s uv k a230 US BHUB, t epl oměr

. . . . . . K a b e l o v ý p r o s t o r . . . . .

Ov l á da c í pa nel S t y k a č e , t r a ns f or má t or y Za dní r oz v a děč L E M Ba t er i ov ýpr os t or , mí s t opr o v oz í k

+

<-k ont a k t y>

-

Obrázek 3.1: Schéma rozvaděče s vyznačenými důležitými prvky

Výstavba navrženého systému byla na katedře schválena a požadované prvky návrhu zakoupeny, či vyrobeny. Stavba zařízení byla započata koncem roku 2010 a dokončena spolu s tímto diplomovým projektem. V průběhu stavby došlo oproti původnímu návrhu k několika změnám, které byly vynuceny aspekty, jež při návrhu nemohly být známy. Na celkovou

3.2. REALIZOVANÉ ŘEŠENÍ

7

funkčnost zařízení ovšem neměly vliv. V roce 2011 byl v rámci mého individuálního projektu k zařízení sestaven externí měřící kufřík, sloužící jako přenosný datalogger elektrických veličin napětí a proudu, s maximálními měřitelnými hodnotami 70 V a 60 A. Kufřík byl sestaven jako přenosný, tedy použitelný v jakémkoliv měření odpovídající hodnotám dimenzovaným pro kufřík, ovšem primárně byl vyvinut k externímu monitorování veličin generovaných v tomto zařízení.

3.2.1

Skříň

Požadavek na výrobu této specifické skříně byl zadán výrobci nabíjecího zařízení, firmě Eprona a.s.1 Jako zadání pro výrobu sloužil původní návrh zařízení a nabíječ samotný, jež měl výrobce k dispozici a podle nějž mohl skříň dimenzovat. Výrobci se povedlo skříň náležitě úspěšně vyrobit, přepracováním jejich sériově vyráběné skříně RR1606 - Univerzální rozvaděčová skříň o rozměrech 1600mm × 600mm × 600mm(v × š × h). Skříň je vyrobena jako oceloplechová svařovaná konstrukce se vsazovanými boky a krytím IP 40. Pracovní napětí skříně je do 1000 VAC a 1200 VDC. Základní konstrukci tvoří svařovaný rám (kostra), opatřený dvěmi bočními stojinami, které spojují dno a víko skříně. Podrobnějši specifikace skříně viz [1]. Výrobce sám zajistil konstrukční úpravy skříně dle našich specifikací. Jednalo se o osazení skříně kolečky, namísto tradičního soklu, zúžení operačního prostoru skříně na šířku nabíječe, vytvoření kabelových prostupů na boků ze zbývajícího místa ve skříni a rozdělení skříně do jednotlivých sekcí, včetně vytvoření jedné sekce jako uzamykatelného šuplíku pro instalaci ovládací elektroniky.

3.2.2

Vybíjecí část

Výška prostoru - 240 mm Pro vybíjení baterií byl na katedře sestrojen nový odporový vybíječ, dělaný na míru do zařízení. Sestává ze tří vzájemně identických sekcí, z nichž každá má schopnost odběru proudu až 50 A. Paralelním spojením všech tří sekcí tedy dostaneme maximální možný vybíjecí proud až 150 A. V jednotlivých sekcích jsou umístěny vždy tři odpory 0, 6Ω. Vývody těchto odporů jsou vyvedeny na zadní stranu sekce, kde díky šroubovým vývodům a propojovacím šínám dostáváme v sekci možnosti širokého nastavení výsledného odporu, a tím i protékajícího proudu. Přehled hodnot možného nastavení odporů je v tabulce 3.2.2. Tím dostáváme první možnost regulace vybíjecího proudu - manuální. Druhá regulace je elektronická. Výsledný proud je v plném rozsahu říditelný tranzistorem MOSFET, který spíná zátěžový odpor. Tím je tedy možné např. provést vybíjení baterie konstatním proudem tedy řízením zátěže automaticky udržovat proud. 1

Eprona a.s. - "http://www.eprona.cz"

8


Kombinace R1 || R2 || R3 R1 || R2 R1 R1 || R2 + R3 R1 + R2 R1 + R2 + R3 Min Max

R [Ω] 0,2 0,3 0,6 0,9 1,2 1,8 0,2 1,8

Tabulka 3.1: Přehled hodnot odporů při různých kombinacích

L1 L2 L3

L [µH] Q [1] L [µH] Q [1] L [µH] Q [1]

100 [Hz] 30,71 7,1 31,43 7,8 33,04 8,56

Frequency 120 [Hz] 1 [kHz] 10 [kHz] 30,65 30,61 30,64 8,8 70 325 31,37 31,32 31,33 9,7 77,2 348 33,03 32,98 32,99 10,6 84,5 354

100 [kHz] 30,44 92,5 31,15 95,4 32,79 94,6

Tabulka 3.2: Hodnoty parametrů tlumivek při různých frekvencích Vybíjecí zařízení bylo na katedře vyvinuto vlastními silami. Základem byla skříň, vyrobená firmou Eprona a.s. - dle naší specifikace, nákresu a prostorových parametrů vypínače. Odpory, sloužící jako zátěž, podle našich specifikací vyráběla firma MEZ - Postřelmov. Návrh ovládacího obvodu a jeho sestavení již bylo provedeno přímo na katedře. Návrh na desky PCB byl rovněž vytvořen na katedře, jejich výroba již byla zadána externí firmě Tištěné spoje Jiří Kohout2 . Tato firma se delší dobu zabývá výrobou tištěných spojů a s katedrou elektrotechnologie má dlouholetou spolupráci. Tištěné spoje vyrábí fotocestou na materiálu UMATEXT 222 (FR4). Povrchová úprava je z elektroizolačního pájivého laku typ 5861-A. Ostatní komponenty byly vzaty buď z vlastních zdrojů katedry, případně dokoupeny ve specializovaných obchodech. Veškerá kompletační práce byla provedena v laboratořích katedry. Silové kabely jsou k vybíjecí části vedené od spínacího vybíjecího stykače pravým kabelovým sloupem rozvaděče. Vyvedeny jsou v zadní části vybíječe - u prostoru svorek odporů. Přívodní kabely jsou zakončeny oky. Pro minimalizaci přechodového odporu v místě zakončení jsou oka stejně jako ostatní spoje na silových kabelech připájena. Pro plynulou změnu, či udržení konstantního vybíjecího proudu bylo nutné elektronicky regulovat připojený vybíjecí odpor. Jako akční prvek regulátoru slouží výkonový MOSFET tranzistor, připojený v každé sekci vybíječe. Způsobem řízení tohoto tranzistoru byla zvolena PWM modulace, řízená katedrou vlastněným a speciálně pro tento účel naprogramovaným 2

Tištěné spoje Jiří Kohout - "http://www.tistaky.cz"


9

univerzálním mikrokontrolérem STM8 od firmy ST Microelectronics3 . Tento mikrokontroler je naprogramován ke spolupráci s ovládacím softwarem zařízení a sám se stará o generování vhodného PWM řízení - v LabVIEW se pouze nastaví trvalá hodnota vybíjecího proudu. Programován je v programovacím jazyce C++ a k počítačí se připojuje pomocí klasického USB rozhraní, kterým je zároveň napájen.

Mikrokontrolér disponuje 32 kB Flash pamětí, 2 kB pamětí RAM a 1 kB pamětí EEPROM. Obsahuje jednotku vstupů a výstupů, které jsou použity jako výstupy na ovládání MOSFET tranzistoru. Procesor ja naprogramován tak, aby generoval tři výstupní PWM signály, navzájem o sebe o třetinu posunuté tak, aby v případě zapojení všech tří vybíjecích sekcí byl výkon rovnoměrně v čase rozložen mezi všechny tři sekce a PWM signály se příliš nepřekrývaly.

Obrázek 3.2: Silové schéma vybíjení

Princip řízení vybíjecího obvodu je vidět na obr. 3.2. Před vstupem do vybíjecího odporu je zapojen pasivní LC filtr, sloužící ke zmenšení vlivu PWM průběhů na baterii samotnou. Na vstupu do vybíjecí části je nejprve do série zařazená tlumivka, určená pro vyhlazení možných proudových rázů. Paralelně se zátěží je poté zařazena sada kondenzátorů, které svým nábojem pokrývají spotřebu PWM. Při vysokofrekvenčím spínání vybíječe tedy PWM obvod odebírá obdélníkový průběh, ale před vstupním filtrem se chováním přibližuje klasické odporové zátěži, tedy odebírá konstantní proud.

Na zadní straně vybíječe se v každé části nachází 6 šroubových konektorů s propojkami. Ty reprezentují šest kontaktů vnitřních odporů. Vhodným nastavením propojek jsme schopni vyvolat požadovaný vybíjecí proud. Proud pak vyvoláme propojením jednotlivých odporů spojkovými vodiči, případně vhodným nastavením propojek. Maximální možná napětí pro různá nastavení propojek je vidět na obr. 3.3. Schéma zobrazuje vybíjecí parametry pro jednu sekci, tedy spojením všech tří sekcí paralelně dohromady můžeme získat až trojnásobný vybíjecí proud.

3

ST Microelectronics - "http://www.stm.com"

10


Obrázek 3.3: Možné nastavení vybíjecích propojek a maximální možná napětí na bateriích

3.2.3

Nabíjecí část

Výška prostoru - 240 mm Nabíjecí část je dělaná na míru zakoupenému nabíječi HFM-A 80/100 (rovněž od firmy Eprona a.s.). Nabíječ je (stejně jako vybíječ) rackové konstrukce a do skříně je zasunut a z vnějšku přišroubován ke kostře skříně. Jeho rozměry jsou 240mm × 445mm × 610mm (v × š × h) . Na nabíječi se rovněž nachází madla pro převoz celého zařízení. Jednotka je napájená ze zdroje střídavého napětí 3 x 400/230 V∼. Přívod k ní vede přes hlavní spínací stykač, tedy nejde zapnout pokud je skříň vypnutá. Pro zapnutí jednotky nabíječe se na ní z vnějšku nachází černé spínací tlačítko. Vedle spínacího tlačítka se na nabíječi nacházejí dva ovládací prvky - otočné potenciometry a nad každým je zobrazovací LCD display. Levým potenciometrem se nastavuje hladina výstupního napětí, LCD nad ním nastavenou hladinu zobrazuje. Pravým potenciometrem se nastavuje hladina proudového omezení. Protékající výstupní proud se zobrazuje na LCD displeji nad ním. Potenciometry lze po nastavení správných hodnot možné zaaretovat, aby nedošlo k případným nechtěným změnám hodnot. Číselníky pod potenciometrem neslouží jako ukazatel hodnoty nastaveného napětí či proudu - jsou pouze orientační! Do režimu konstantního napětí je moźné se dostat nastavením potenciometru na požadovanou hodnotu napětí a vytočením potenciometru proudového omezení na nejvyšší možnou hodnotu. Jednotka poté nehledě na výstupní proud drží hodnotu napětí a pokud proud nedosáhne horní hodnoty proudového omezení 100 A, pak nabíječ stále nabíjí proudem vyvolaným zátěží.


11

Obrázek 3.4: Nabíječ HFM-A 80/100 instalovaný ve skříni

Do režimu konstantního proudu je možné se dostat vytočením hodnoty výstupního napětí na nejvyšší možnou hodnotu a poté najíždět s proudovým omezením na požadovanou hodnotu proudu (obvod v té chvíli musí být sepnut, jinak se proud nezobrazí na displeji). V tomto stavu nabíječ automaticky reguluje své výstupní napětí na takovou hodnotu aby dosáhl potřebného proudu. Tedy v rozsahu 0 - 80 V si nabíječ drží proud na nastavené hodnotě. Výstupní proud nabíječe je tvořen pokročilým elektronickým řešením ve formě AC/DC měniče s PWM. Potenciometr proudového omezení tedy nastavuje střídu PWM měniče. Celý nabíjecí proces je řízen a monitorován vnitřním mikroprocesorem. Mikroprocesor si rovněž hlídá ztrátové teplo v měniči a v případě dosažení kritické teploty spouští ventilátory, které přes chladič ztrátové teplo odvedou zadní stěnou nabíječe do prostoru. Jelikož nabíječ, stejně tak i vybíječ odvádí svá ztrátová tepla zadní stěnou zařízení do prostoru, není doporučeno skříň stavět příliš blízko ke stěně laboratoře.

3.2.4

Měření

Výška prostoru - 150 mm Ve volném prostoru pod nabíječem je prostor pro vložení měřících přístrojů. V něm je uložený digitální multimetr firmy Agilent4 34410A. Napájený je ze zadní zásuvky 230 V, jež je přišroubovaná na zadní stěně této sekce. Jedná se o vypínanou zásuvku, která je pod 4

Agilent - "http://www.agilent.com"

12


napětím pouze při zapnutém zařízení. Multimetr se tedy samostatně nezapíná, zapíná se se spuštěním zařízení hlavním spínačem na boku. Multimetr je trvale zapojen vlastními kabely ve zdířkách pro měření napětí a výstupy těchto kabelů (modrý pro záporný pól, červený pro kladný pól) jsou přivedeny přímo na připínací bateriové kleště. Multimetr tedy měří napětí na baterii (pokud je připojená kleštěma) i v případě rozepnutého silového obvodu.

Obrázek 3.5: Multimetr Agilent 34410A použitý na měření napětí baterie

Multimetr je pomocí USB HUBu připojen k ovládacímu notebooku. V případě provozu přes notebook (tedy při zapnutém ovládacím programu) tedy multimetr přenáší hodnotu měřeného napětí v reálném čase přímo do programu. V tomto stavu na multimetru svítí mimo hodnoty napětí také nápis Remote Control a nelze jej přepínat na měření jiných veličin, ani není možné měnit jeho rozsah. Ovladač pro komunikaci rozhraní LabVIEW s multimetrem Agilent byl psán na katedře. V tomto prostoru bylo počítáno rovněž s vložením dalšího multimetru vytvářeného pro měření proudu. Měření proudu bylo poté realizováno pomocí LEM sondy s přímým vstupem do notebooku. Tím došlo k vytvoření odkládacího místa pro případné další zařízení či pomůcky při práci na zařízení (vedle multimetru Agilent). Na zařízení je tedy jak dvojnásobné měření napětí, tak dvojnásobné měření proudu. Napětí nabíječe zobrazuje sám nabíječ na LCD displeji, napětí na baterii zobrazuje Agilent multimetr a zároveň jej zobrazuje v ovládacím programu notebooku. Protékající proud je s nízkou přesností zobrazován rovněž na LCD displeji nabíječe, zároveň je s vysokou přesností měřen integrovanou LEM sondou, která svůj výstup rovněž zobrazuje v ovládacím programu notebooku. LEM sonda (viz obr. 3.6) je nasazena na vodiči mezi stykačem a kleštěmi baterií, tedy na úseku, kterým prochází proud jak při vybíjení, tak při nabíjení. Jedná se o sondu LEM HASS 500-S[3] s nominálním měřícím proudem 500A a nízkonapěťovým výstupem. Výstupní napětí je závislé na procházejícím proudu podle rovnice VOU T = 2, 5 ± 0, 625 ∗ IIPPN , kde IP je procházející proud, IP N nominální měřící proud sondy a VOU T je výstupní napětí sondy. Na


13

Obrázek 3.6: Proudová sonda LEM HASS 500-S

LEM sondě jsou namotány tři závity vodiče, aby měřený proud byl více posunut k nominální měřící hodnotě sondy. V programu samotném je vypočítaný proud tedy také vydělen třemi.

3.2.5

Automatické ovládání

Výška prostoru - 150 mm Ovládací systém zařízení je rozdělen do dvou paralelních bloků - manuální ovládání (ručními přepínači na panelu) a automatické ovládání (ovládacím programem v PC notebooku). Obě dvě ovládání lze provozovat nezávisle na druhém, hierarchicky jsou oba způsoby ovládání na stejné úrovni. Booleovský vztah mezi nimi je typu OR, tedy při zapnutém manuálním nabíjení i automatickým nabíjení je nutné vypnout oba dva způsoby, aby došlo k vypnutí nabíjecího procesu (to samé platí pro vybíjecí proces). Tato sekce je jako jediná vytvořená jako vysunovací zásuvka, která je navíc uzamykatelná. Uzamykatelná koncepce je vytvořena z bezpečnostních důvodů - obecně je určena pro uložení důležitých řídících elektronických prvků. Jelikož hlavním uloženým prvkem je PC notebook, tak koncepce prostoru byla pojata jako zásuvka, kdy při vysunuté zásuvce si obsluha může otevřít dispej notebooku a pracovat na něm. Na boku zásuvky je připevněná přívodní síťová zásuvka 230 V∼. Tato zásuvka je zapojená jako trvale sepnutá (i při vypnutém zařízení), tedy slouží k připojení pomocných zařízení při např. servisních pracích na zařízení. Navíc je do této zásuvky natrvalo připojen také zdroj notebooku.

3.2.5.1

Řídící jednotka

Mimo ovládacího notebooku se v zásuvce nachází ještě řídící jednotka NI USB-6009 firmy National Instruments5 , sloužící jako notebookem ovládaná jednotka vstupů a výstupů pro řízení a snímání nejrůznějších veličin v zařízení (viz obr. 3.7). 5

National Instruments - "http://www.ni.com"

14


Jednotka má pro práci se signály implementovaný 14-bitový AD převodník se vzorkováním 48 kS/s. Obsahuje 8 analogových vstupů, 2 analogové výstupy a 12 digitálních vstupněvýstupních portů (dají se použít jako vstupy i jako výstupy). Napájená je přímo z USB nepotřebuje vlastní zdroj. Programování této jednotky probíhá v prostředí LabView firmy National Instruments, v tomto prostředí byl rovněž vytvořen ovládací software zařízení. Technický manuál výrobce je možné nalézt na [6].

Obrázek 3.7: Řídící jednotka NIS USB-6009

3.2.5.2

USB HUB

Dále je v zásuvce aktivní USB hub s vlastním napájením, který kromě vlastní funkce USB rozbočovače plní rovněž funkci 5V zdroje pro manuální ovládání (5V zdroj byl vytvořen úpravou USB prodlužovacího kabelu). Do USB rozbočovače je zapojena NI řídící jednotka, multimetr Agilent, zdrojový 5V kabel a monitorující web kamera a sám je připojen do USB vstupu notebooku. USB HUB byl koupen s vlastním napájením právě z důvodu vytažení 5V zdroje z HUBu a jeho funkce i při vypnutém či odpojeném PC.

3.2.5.3

Měření teploty

Pro monitorování teploty na baterii byl do zařízení zakomponován již v rámci jiného projektu teploměr s dvojími měřícími čidly. Teploměr obsahuje vlastní měřící jednotku, která je umístěná za USB HUBem v této sekci. Jednotka má vlastní napájení 230 V a na výstupu obou čidel dosahuje hodnot 0-10 V, kde 0 V odpovídá 0 ◦ C a 100 V odpovídá 100 ◦ C. Krok je tedy 1 ◦ C = 0,1 V. Do řídící jednotky jsou připojena dvě měřící čidla teploty typu LM235 (viz. [5]). Vyvedeny jsou ve spodním prostoru baterie jako přilepitelné senzory. Dle normy se teplota baterie měří na svrchním víku a na libovolném boku baterie.


15

Signál z řídící jednotky teploměrů je přiveden na analogové vstupy řídící jednotky NI. Dále je zobrazen v ovládacím programu notebooku. Analogově není nikde zobrazen.

3.2.6

Manuální ovládání - panel

Z a pnut o

Na bí j e ní

Vy bí j e ní

Z a p./Vy p.

Z a p./Vy p.

Obrázek 3.8: Panel manuálního ovládání zařízení Ve spodní částí skříně byl nainstalován panel pro manuální ovládání nabíjecího a vybíjecího procesu (viz obr. 3.8). Na panelu jsou tři kontrolky a dvě přepínací tlačítka. Odsazená zelená kontrolka indikuje stav zapnutí skříně zařízení. Další dvě červené kontrolky jsou vždy sloupcově ve dvojici s přepínačem. Přepínače se starají o manuální spínání procesu nabíjení a procesu vybíjení a kontrolky nad nimi tento proces indikují. Kontrolky svítí i v případě, že je proces zapnut automatickým ovládáním. Obě sekce jsou nadepsané, levá je pro nabíjení a pravá pro vybíjení. Výchozí poloha přepínačů je nalevo - vypnuto.

3.2.7

Ovládací periferie

Za ovládacím panelem se nachází uzavřený prostor s ovládacími prvky zařízení. Ovládací prvky jsou pro dokonalé izolování přišroubovány k nevodivé pertinaxové desce. Tato deska s ovládacími prvky jde po sejmutí ovládacího panelu přístroje a odpojení všech pŕívodů pohodlně vysunout. Hlavními ovládacími prvky jsou dva DC stykače (viz obr. 3.9), z nichž jeden se stará o spínání nabíjecího silového obvodu a druhý o spínání vybíjecího. Jedná se o české stykače firmy EPM Elektropřístroj s.r.o.6 , typ V140F. Tento typ stykače má 3 hlavní NO spínací kontakty, dva pomocné NO spínací kontakty a jeden pomocný NC rozpínací kontakt. Jeho jmenovitý DC proud je Ie = 100A, jmenovitý 6

EPM Elektropřístroj s.r.o. - "http://www.epm.cz"

16


Obrázek 3.9: Stykač V140F použitý ke spínání silových obvodů

teplený proud Ith = 225A a základní napětí ovládacích cívek Uk = 230V ∼. Váží 2, 7kg a jeho rozměry jsou 179 × 148 × 178, 5 (v × š × h) [mm] . Spínání stykačů v DC obvodu upravuje norma ČSN EN 60947-4-1, která sepnutí SS obvodu třípólovým stykačem řeší sériovým zapojením všech tří pólů (viz obr. 3.10). Zapojeny byly hlavní spínací kontakty, pomocné spínací kontakty prozatím nebyly využity. Přesnou technickou specifikace stykače lze nalézt na url [4].

Obrázek 3.10: Schéma spínání DC obvodu pomocí 3-pólového stykače


17

Na ovládací desce se stykačema jsou ještě umístěny dva transformátory. První transformátor s převodem 1:1 je instalován z bezpečnostních důvodů - slouží jako galvanické oddělení rozvodu 230 V∼. Druhý transformátor je menší s převodem 230:18, kde výstupních 18 V∼ vedeme kabelovým prostorem stíněnou dvoulinkou nahoru k vybíječi. Na řídícím obvodu vybíječe máme poté můstkový usměrňovač, který vstupních 18 V∼ usměrní na přibližných √ 24 V. (Uvyst = Uvst ∗ 2 = 18 ∗ 1, 414 = 25, 4V ). Tímto napětím je napájen celý vybíjecí systém (24 V= je pracovní napětí ventilátorů, ovládací napětí vybíječe je 5 V=). V zadní desce je instalován hlavní elektrický rozvaděč zařízení (viz obr. 3.11). Rozvaděč je vešroubován v zadním plechovém krytu tak, aby nevyčníval ven a lícoval se zadní stěnou, čímž je zajištěno jeho zabezpečení při manipulaci se zařízením. V rozvaděči je umístěna sada jističů, vypínajících jednotlivé okruhy a hlavní stykač na spínání zařízení samotného. Rozvaděč je přístupný z bezpečnostních důvodů pouze ze zadu. Rozvaděč samotný je plastový s krytím IP 44 a plastovými dvířky s aretací v poloze zavřeno.

Obrázek 3.11: Instalovaný zadní rozvaděč

Instalované prvky v rozvaděči (viz obr. 3.11 zleva): 1. Místo pro případnou instalaci proudového RCD chrániče. V současnosti namísto něj jsou na liště nasazené pomocné propojky. 2. Hlavní jistič 3 x 16 A (C16) 3. Třífázový spínací stykač dimenzovaný na 3 x 16 A, s pomocným kontaktem sloužícím k identifikaci do programu. 4. Jistič 1 x 10 A (C10), jistící okruh trvale sepnuté zásuvky (v sekci Ovládání) 5. Jistič 1 x 10 A (B10), jistící okruh zásuvky spínané se zařízením (v sekci Měření) 6. Jistič 1 x 4 A (C4), jistící okruh napájení vybíječe 7. Jistič 1 x 4 A (B4), jistící okruh kotvy hlavních spínacích stykačů

18

3.2.8


Schéma spínání

Obrázek 3.12: Schéma spínání silových obvodů

Schéma procesu spínání silových obvodů je znázorněno na obr. 3.12. Stejnosměrné spínací stykače jsou sepnuty přivedením 230 V∼ na kotvu. O přivedení tohoto vyššího napětí se starají dvě zakoupená SSR relé, přidělaná s vlastní PCB destičkou přímo ke stykačům. Na tato relé je pro sepnutí nutné přivézt impuls o hodnotě 5 V. Přívod tohoto ovládacího napětí je vidět na obrázku. Z USB jednotky je kladný pól přiveden na vstupy SSR a spínáním záporného pólu dosahujeme spínání jednotlivých relátek. Zakoupená SSR relátka jsou od výrobce SHARP, přesný typ S202S02 (viz obr. 3.13). Jedná se o Solid State Relay, se zpracováním vstupního spínacího signálu pomocí dvojice fotodioda + fototriak s výstupem na hlavní spínací triak. Svou koncepcí se ideálně hodí pro spínání střídavého napětí 230 V a jsou široce využívány. Pro ovládání z notebooku se používají signály z digitálních výstupů ovládací jednotky NI. Jednotka je programově nastavená tak, aby ve výchozím stavu byla její hodnota na výstupech pro ovládání relátek log. 1, tedy +5 V. Shozením úrovně digitálního výstupu dojde k nastavení log. 0 na výstup, což odpovídá 0 V a obvod tedy sepne. Manuální ovládání je obdobné, jen namísto připínání SSR na nulu řídící jednotky se SSR připíná na nulu z USB. Připínání probíhá manuálními spínacími tlačítky, ve schématu zobrazenými jako SP1 a SP2 Ovládání spínáním na nulu je použité z důvodu možných nepřesností


19

Obrázek 3.13: SHARP S202S02 - SSR relé pro spínání obvodu kotvy stykače

napětí +5V, které by v krajním případě mohli vést k nesprávné funkci spínání. Hodnota 0 V se jeví pro spínání jako bezpečnější. Spínače ODP1 a ODP2 jsou ve skutečnosti spínacími kontakty dvou relátek. Relátka jsou ovládána 5 V výstupem řídící jednotky NI, který je aktivní v případě zapnutí jednotky. Tím je vyloučeno dosažení stavu fyzického propojení logického výstupu řídící jednotky s SSR relátkem před zapnutím jednotky jako takové. Tento koncept byl zaveden z ochranných důvodů. Často totiž docházelo ke stavu kdy ještě nebyl zapnutá NI jednotka, ale již se zapínala skříň. V takových momentech se ovšem se zapnutím skříně na USB výstupu objevilo + 5V, ale na jednotce NI ještě nebyla nastavená hodnota log. 0 a log. 1. Potom docházelo k chaotickému zapínání a vypínání relátek, tedy i DC stykačů. Tento jev byl ryze nežádoucí již z toho důvodu že připínáním spuštěného nabíječe či vybíječe by bylo možné poškodit baterii a vybíjecí i nabíjecí jednotku. Spínaný jev navíc poškozoval samotné stykače a příznivý nebyl ani pro SSR relátka, či NI řídící jednotku samotnou.

3.2.9

Bateriový prostor

Výška prostoru - 450 mm Spodní prostor zařízení je otevřený a je určen pro uložení testované baterie. K tomuto prostoru byl vyroben vozík, určený pro jednoduchou přepravu baterií (viz obr. 3.14). Systém vozík-zařízení je koncipován tak, aby s menšimi bateriemi bylo možné vozíkem vjet přímo do zařízení s dosednutím zadní stěny vozíku na kostru skříně, čímž se zamezí možnému náhodnému zásahu obsluhy do prostoru baterie v průběhu testování a je tím tedy i zaručena ochrana obsluhy před úrazem elektrickým proudem. Zároveň je tím zajištěno ochrana okolí proti nepříznivému vlivu baterie při testování, například výbuchu či úniku elektrolytu. V prostoru jsou po stranách speciální vývody na připojení testované baterie. Vývody jsou opatřeny kleštěmi pro snadné připojení kontaktů baterie. Z vývodů je možné snadno

20


Obrázek 3.14: Bateriový vozík

sundat propojení na kleště a po zakoupení je možné rovněž připojit jiný typ konektorů, pro odlišný druh baterií. Vývody jsou pro rozlišení polarity oba označeny jak barevně (červená +, modrá -), tak i znakem. Po kladným vývodem se nachází box pro připojení měřících čidel teploty. Jedná se o teplotní čidla vyvinuté na katedře, propojitelné konektorem JACK 3,5. V zařízení se nacházejí tyto čidla dvě, více těchto teplotních čidel není možné do systému připojit.

3.2.10

Ovládací software

Software pro ovládání rozvaděče byl sepsán v systému LabVIEW7 firmy National Instruments. Jedná se o graficky programovatelný systém určený primárně pro ovládání produktů firmy National Instruments. Software byl dodán spolu s řídící jednotkou NI USB-6009. S rozhraním LabVIEW bylo možné napřímo propojit měřící multimetr Agilent a nepřímo pomocí vstupů a výstupů řídící jednotky systém pro měření teploty, LEM sondu pro měření protékajícího proudu, stav sepnutí zařízení indikováno pomocným kontaktem stykače a SSR relé pro spínání silových obvodů cívek spínacích stykačů. 7

NI Labview - "http://www.laview.com"

Obrázek 3.15: Ovládací uživatelské rozhraní v LabVIEW

3.2. REALIZOVANÉ ŘEŠENÍ 21

22

3.2.10.1


Uživatelské rozhraní

Uživatelské rozhraní je rozloženo do tří sekcí (viz obr. 3.15). V první levé sekci se nastavují spínací podmínky nabíjecího a vybíjecího procesu, v druhé části jsou uvedeny vstupy od měřících přístrojů, tedy indikátor napětí a proudů i s hodnotami a ve třetí části jsou uvedeny grafy průběhů napětí a proudů v závislosti na čase. Proudový vstup se bere z nízkonapěťového výstupu LEM sondy, který je přepočítán pomocí rovnice uvedené v sekci 3.2.4. Výstupní napětí sondy je v programu pomocí tohoto vzorce přepočítáno na reálnou hodnotu procházejícího proudu. Celý výstupní proud je poté v programu ještě dělen třemi, neboť na LEM sondu byly namotány 3 závity vodiče, z důvodu zpřesnění měření LEM sondy, která je dimenzovaná na vyšší proudy než se kterými je v obvodu počítáno. Hlavní funkce softwaru je spínání obou stykačů. Na to byly v programu vytvořeny spínací páčky, jedna pro sepnutí nabíjecího obvodu a druhá pro vybíjecí obvod. Spínání obou obvodů je ovšem ještě programově jištěno třemi podmínkami - časovou, teplotní a napěťovou. Ke specifikaci těchto podmínek slouží část rozhraní pod spínači. Napěťový rozsah je určen spodní a horní hladinou napětí, teplotní rozsah spodní a horní hladinou teploty. Tyto dvě podmínky neustále ovlivňují nabíjecí i vybíjecí obvod - využívá se tedy například k vypnutí obvodu při dosažení hranice vybíjecího napětí či vypnutí při nastaveném vyšším napětí než-li je na baterii přípustné. Teplotní rozsahy vypnou obvody baterie při dosažení kritické hodnoty teploty na jednom z čidel (jako aktuální hodnota se bere vyšší hodnota z obou čidel). Poslední spínací podmínka je pevné nastavení časů obou procesů. Jak nabíjecí tak i vybíjecí proces mají u sebe dva rozklikávací kalendáře, první slouží k určení přesného času počátku procesu a druhý k přesnému času ukončení procesu. Při dosažení nastaveného času dojde k vypnutí obvodu. Pro sepnutí procesu je nutné, aby všechny čtyři podmínky byly splněny - tedy aby byla sepnutá páčka a proces neblokovala žádná podmínka. Jakmile v průběhu procesu začne jedna podmínka blokovat, proces vypne a dojde k nastavení chybového Error indikátoru. Opětovné rozběhnutí je možné pouze stisknutím odblokovacího tlačítka, tedy je nutná přítomnost obsluhy.

3.2.10.2

Naprogramovaný kód

Programování v prostředí LabVIEW je značně odlišné od konvenčního programování a je tvořeno skládáním a spojováním grafických bloků, reprezentujících jednotlivé funkce. Schéma kódu naprogramovaného pro ovládání celého procesu je na obr. 3.16. Vstupy z řídící jednotky NI USB-009 jsou v kódu interpretovány jako fialové bloky, což jsou naprogramované funkce, se kterými vnitřní smyčka dále pracuje. Jedná se o vstupní/výstupní funkce SetInvertedDigiP1L0 (úvodní sepnutí digitálního výstupu P1L0, který svým vypnutím spíná silový obvod nabíječe), SetInvertedDigiP1L1 (úvodní sepnutí digitálního výstupu P1L1, který svým vypnutím spíná silový obvod vybíječe), SetDigiP1L2 (Nastavení výstupu P1L2, který přenáší log.1 na pomocný kontakt hlavního stykače zařízení), GetDigiP0L3 (Čtení vstupu P0L3, který obsahuje výstup pomocného stykače zařízení a používá se jako indikace zapnutí zařízení) a GetA0A1A2Voltage (Čtení napěťových analogových vstupů A0A1A2, což jsou teploty


23

z obou čidel a výstupní napětí LEM sondy). Bloky uvnitř smyčky představují vnitřní funkci programu, která operuje s danými vstupy a pomocí rozličných funkcí interpretuje výstupy.

Obrázek 3.16: Naprogramované schéma v LabVIEW

24 KAPITOLA 3. PRACOVIŠTĚ PRO MĚŘENÍ BATERIÍ


3.2.10.3

25

Dodatečné programové vybavení

Notebook samotný byl kromě konvenční softwarové výzbroje vybaven ještě free-ware prvky pro jednoduché dálkové ovládání. Jedná se o aplikaci Skype8 a TeamViewer9 . Aplikace Skype je původně určená pro volání, s možností video hovoru. Pro tuto specifickou vlastnost byla na zařízení instalována mini usb-kamera a aplikace Skype nastavena pro automatické zvedání volání osob ve svém kontakt listu. Pro jakýkoliv přehled skutečného stavu baterie na dálku je tedy možné v databázi Skype vyhledat kontakt CVUT Baterky a na kontakt zavolat. Pokud předem došlo k vložení volajícího do kontaktů na zařízení, zařízení odpoví a začne videohovor, čímž volající uvidí reálný stav baterie. Dále se aplikace dá rovněž použít ke klasické komunikaci, kdy pracovníkovi na zařízení může zkušenější pracovník na dálku vysvětlit ovládání zařízení. Aplikace TeamViewer je nástroj pro zobrazování vzdálené plochy z vnější internetové sítě. Tímto softwarem je možné na vzdáleném počítači zobrazit plochu ovládacího notebooku, díky čemuž je možné ovládat plně notebook tak, aby u něj obsluha seděla. Je tedy možné takto vzdáleně pustit ovládací software, sledovat pomocí něj stav baterie, vyvolat a vyhodnotit naměřené hodnoty procesu a celý proces zapnout, vypnout či pozměnit jeho podmínky. 3.2.10.4

Plánované softwarové vylepšení

Na zařízení v době psaní této práce probíhá vývoj nové verze ovládacího softwaru. Vývoj probíhá v rámci bakalářské práce Řízení systému pro měření ampérhodinové kapacity akumulátorových baterií [8]. V rámci nové verze softwaru by mělo být možné pohodlně ovládat nový vybíječ, ukládat naměřená data na disk přímo zařízením a nastavovat na zařízéní sérii více procesů než-li jednoho. Díky tomu pak bude moźné automatizovat cyklické procesy a odpadne nutnost použití externího záznamu dat.

3.2.11

Odlišnosti oproti návrhu

Zařízení bylo vystavěno téměř přesně podle vytvořeného návrhu. Odlišnosti ve výstavbě se objevily, nejednalo se však o žádnou, která by měla zásadnější dopad na funkci zařízení. V zařízení oproti návrhu nebyl instalován RCD proudový chránič. K jeho instalaci nedošlo, neboť laboratoř, ve které je plánováno zařízení používat má svůj vlastní RCD chránič a ochrana by tedy byla zbytečně dvojitá. Na tento chránič však bylo připraveno v rozvaděči volné místo a při přesunu zařízení do nechráněné laboratoře je jeho následná instalace velmi jednoduchá. Na rozdíl od původního návrhu přibyly do zařízení dva transformátory. Jeden s převodem 1:1 pro galvanické oddělení rozvodu 230 V∼. Druhý transformátor s převodem 230:18 jako 8 9

Skype - "http://www.skype.com" TeamViewer - "http://www.teamviewer.com"

26


napájecí zdroj vybíječe. Do zařízení přibyl jeden jistič navíc - v původním elektrickém schématu nebylo počítáno s jističem chránícím obvod spínání kotvy - jeho jištění mělo být společné s jištěním zásuvkového obvodu 10 A jističem. Po uvážení byl ještě do tohoto okruhu přidán separátní 4 A jistič chránící obvod cívek stykačů. V prostoru měření nebyla nakonec instalována DIN lišta pro přidání jističů a periférií, nýbrž byl zakoupen přímo malý plastový rozvaděč, který byl zabudován do zadní stěny prostoru stykačů. Rovněž třífázová pŕívodní zásuvka tedy nebyla instalována na tuto plánovanou lištu, ale byla zakoupena speciální a instalována byla na zadní stěnu rozvaděče. Více viz v sekci 3.2.7. Tlačítka Start a Total Stop nebyla instalována jako samostatná tlačítka na panel manuálního ovládání, nýbrž byla zakoupena ovládací tlačítka od firmy Moeller10 . Tato tlačítka s vlastní spínací krabičkou byla připevněna viditelně zepředu na rozvaděč tak, aby obsluha mohla v případě nouze rychle zareagovat a zařízení vypnout. Sepnutím zařízení tímto tlačítkem se zároveň rozsvítí kontrolka sepnutí na manuálním ovládacím panelu. Kontrolky sepnutí silových obvodů nebyly zapojeny do obvodu nízkého napětí, nýbrž přímo do obvodu kotvy 230 V∼. Tím bylo dosaženo vyšší jistoty indikace, kdy případná porucha na SSR by mohla způsobit rozsvícení indikace avšak nesepnutí obvodu. Kvůli problémům s dodávkou do zařízení doposud nebyla koupena samohasicí patrona AUFEX. Tato patrona je ovšem stále plánována k instalaci do zařízení a bude do něj v co nejkratší době zakoupena. Do té doby není doporučeno zařízení nechávat pracovat s vysokými proudy bez dohledu.

3.3

Elektrické schéma

Zařízení je napájeno ze sítě 3 x 400 V∼ TN-S11 pomocí vlastního pětižilového kabelu a je jištěno hlavním jističem 3 x 16 A typu C (z důvodu zajištění selektivity). Další jištěné obvody jsou již jištěny hodnotami 10 A a 4 A. Za hlavním jističem se ke spínání všech napájených částí kromě trvale zapnuté zásuvky nachází třífázový stykač, ovládaný start tlačítkem zařízení. Jediná část zařízení napájena 3 x 400 V∼ je pouze nabíječ. Ostatní jsou již napájeny jednofázovým napětím 230 V∼, z bezpečnostních důvodů získávaných přes transformátor 230 V, použitý z důvodu galvanického oddělení obvodu. Vybíječ samotný je napájen nízkým napětím 18 V∼, které si vybíječ ve vlastním obvodě dále usměrňuje na 24 V = pro napájení 10

Moeller (Eaton elektrotechnika) - "http://www.moeller-cz.com/" TN-S síť - Síť TN-S je síť TN, ve které jsou ochranný vodič PE a střední pracovní vodič N vedeny samostatně (odděleně) 11

3.3. ELEKTRICKÉ SCHÉMA

27

ventilátorů a DC měničem mění na 5 V = pro napájení řídící elektroniky. Nízkonapěťový rozvod je tvořen hladinou 5 V =, jejíž zdrojem je USB HUB. Hlavní součástí NN je řídící jednotka NI. Analogové vstupy AI0 a AI1 získávají údaj o teplotě z měřící jednotky teploměrů v rozsahu 0 - 10V. Třetí vstup AI2 je vstup od proudového čidla LEM. Jelikož nabíječ pracuje jako PWM modulátor, bylo nutné na vstup paralelně připojit vstupní pasivní filtr a dle datasheetu měřící sondy snímací odpor 100 kΩ. Výstup +5 V z NI řídící jednotky byl použit jako spínací impulz obvodů spínání silových obvodů - viz sekce 3.2.8. Digitální vstupně-výstupní vývody byly použity pouze čtyři, z nichž tři jako výstupní a jeden jako vstupní. P1.0 a P1.1 jsou digitální výstupy ve výchozím stavu nastavené na log.1 (tedy 5 V), kdy sepnutí silového obvodu je dosaženo nastavením log.0 na výstup (tedy 0 V). Výstup P1.2 je vyveden na pomocný kontakt hlavního stykače, stejně jako vstup P1.3 a dohromady slouží jako indikace sepnutí zařízení. NI USB jednotka spíná dvojici SSR relé, které teprve spínají silový obvod kotvy stykačů 230 V∼. Zároveň tato relátka spínají kontrolky sepnutí silových obvodů, paralelně připojených na kotevní obvod.


Obrázek 3.17: Elektrické schéma

28

3.4. POMOCNÝ MĚŘÍCÍ KUFŘÍK COMETA

3.4

29

Pomocný měřící kufřík COMETA

Obrázek 3.18: Měřící kufřík COMETA COMETA (viz obr. 3.18) je kufřík, vyvíjený na katedře jako doplňující zařízení k bateriovému testeru. Jedná se o kufřík s implementovanou sadou zařízení, primárně určenou pro měření a zaznamenávání procesů nabíjení a vybíjení baterií. Hlavní součástí kufříku je vložený datalogger, díky němuž lze zaznamenávat dlouhodobě průběh více napětí a proudů v libovolném obvodu. Kufřík je tedy použitelný univerzálně, jako měřič napětí v rozsahu 0 − 75V a měřič proudu v rozsahu 0 − 60A.

3.4.1

Účel zařízení

Zařízení bylo vyvinuto v rámci školního projektu jako univerzální, jednoduché a robustní měřící a zaznamenávací zařízení. Určené je především pro studenty, kteří s ním mohou měřit a zaznamenávat ve svých školních úlohách hodnoty napětí a protékajících proudů. Zařízení bylo naprogramováním, dimenzováním a fyzickými zábranami ošetřeno proti případným chybným zapojením ze strany studenta, z hlediska ochrany jak studenta před úrazem elektrickým proudem, tak i samotného zařízení. Je tedy vhodné pro obsluhu studenty z nižších ročníků. Kufřík COMETA je tvořen sadou zařízení, z nichž všechny jsou pevně přišroubované k nosnému plechu na dně kufříku. Tento plech je zároveň třemi šrouby přišroubován k tělu kufříku, čímž je zajištěna ochrana proti vypadnutí veškerých těles při měření a manipulaci v terénu. S kufříkem COMETA již byla provedena série různých měření, z nichž nejpodstatnější bylo jeho využití pro měření procesu nabíjení a vybíjení baterií v době, kdy samotný bateriový tester nebylo ještě schopen softwarově zaznamenávat naměřené hodnoty.

30


3.4.2

Datalogger

Obrázek 3.19: Datalogger COMET MS55D

Hlavním měřícím členem je záznamový datalogger Comet MS55D12 (viz obr. 3.19). Ten obsahuje sérii 8 nízkonapěťových (rozsah 0 – 100 mV) a 8 vysokonapěťových (0 – 75V) vstupů. K prvním dvěma nízkonapěťovým vstupům byly přivedeny výstupy z dvou proudových bočníků – kanál 1 obsahuje vstup z 10A hnědého bočníku a kanál 2 vstup z 60A šedého bočníku. Kanály 1 a 2 jsou natrvalo propojeny s bočníky a není možné na ně připojit jiný signál. Další nízkonapěťové kanály 3-8 a vysokonapěťové kanály byly vyvedeny na banánkovou svorkovnici nacházející se pod dataloggerem. Kanály 3-8 jsou překryty krycí přepážkou a viditelně označeny rozsahem, aby nedošlo k připojení vyššího napětí než-li povolených 100mV . Datalogger obsahuje svůj vlastní zdroj, umístěný v pravém rohu kufříku. Pro měření je tento zdroj nutné připojit do síťového napětí 230 V∼. Připojovací kabel je stočený v kufříku. Pro vyhodnocení měřených hodnot je nutné datalogger spojit s PC, vybaveným komunikačním softwarem. Pro spojení s PC je možné využít rozhraní USB, či Ethernet, jejichž propojovací kabely jsou součástí kufříku. Na PC je nutné mít nainstalován ovládací software dataloggeru, který je volně ke stažení na internetových stránkách výrobce [2], či na katedře na CD. Pro detaily o způsobu spojení viz uživatelský manuál dataloggeru Comet, či jednoduchý instrukční manuál umístěný na víku kufříku.

12

COMET SYSTEM s.r.o. - "http://www.cometsystem.cz"

3.4. POMOCNÝ MĚŘÍCÍ KUFŘÍK COMETA

3.4.3

31

Proudové bočníky

Pro měření proudu jsou v pravé části kufříku přišroubované dva proudové bočníky. První, šedý, je průmyslově vyrobený s rozsahem do 60A a přesností měření 5%. Druhý, hnědý, je vyráběn přímo na katedře, s rozsahem do 10A a přesností měření 1%. Pro měření proudu je tedy lepší použít 10A bočník, pro jeho poměrně vysokou přesnost (při testování byla přesnost často pod 1%). Bočníky jsou kroucenými dvoužilovými vodiči připojeny na vstupy 1 (10A) a 2 (60A). V ovládacím softwaru je navolen přepočet přímo na hodnoty procházejícího proudu, na displeji se tedy nezobrazuje vstupní napětí, ale přímo vypočítaný procházející proud.

3.4.4

Schéma obsahu kufříku

Obrázek 3.20: Obsah kufříku COMETA

1. Datalogger COMET MS55D 2. vyvedená svorkovnice dataloggeru • svorky 1..6: Měření malého napětí, rozsah 0 – 100 mV [v dataloggeru kanál 3-8] • svorky 7..14: Měření velkého napětí, rozsah 0 – 75 V [v dataloggeru kanál 9-16] 3. Zdroj

32


4. Proudový bočník velký, rozsah 0 A – 60 A, přesnost ±5% [v dataloggeru kanál 2] 5. Proudový bočník malý, rozsah 0 A – 10 A, přesnost ±1% [v dataloggeru kanál 1] V kufříku jsou dále složeny napájecí kabel, kabel USB a kabel Ethernet pro napájení a komunikaci. Napájecí kabel je natrvalo připevněný, tedy neoddělitelný a kabely USB a Ethernet jsou univerzální, tedy v případě ztráty snadno dokoupitelné.

3.4.5

Postup měření

1. Připojení přístroje do sítě 230 V∼ 2. Zapojit měřený prvek – proudovou cestu do proudových bočníků (10 A bočník je přesnější) a napěťové svorky do přístrojové svorkovnice 3. Datalogger snímá údaje ze všech svých kanálů každých 5s a ukládá do interní paměti 4. Po dobu měření nechat obvod zapojený – není nutné se o něj nijak starat

3.4.6

Prohlížení zaznamených dat

V reálném čase je možné data prohlížet na displeji dataloggeru. Přepínání mezi jednotlivými kanály je možné pomocí šipek na dataloggeru. Zároveň je při propojení s PC možné v ovládacím programu otevřít režim Displej, čímž dojde k zobrazení hodnot všech kanálů na ploše programu. Hodnoty jsou obnovované v reálném čase. Data již jednou zaznamenaná je možné pomocí ovládacího softwaru ukládat do souborů. Ovládací software používá vlastní typ souboru, tento soubor je ovšem jednoduše možné vyexportovat do formátu XLS programu Microsoft Excel a dále s ním pracovat jako s klasickým tabulkovým souborem. Datalogger má paměť na ukládání dat ze všech kanálů po dobu cca 4 dnů, poté musí být paměť vyexportována a přemazána. U samotného zaznamenávání je možné pouze zvýšit interval záznamu na vyšší (z původních 5s), čímž dojde ke zvýšení doby naplnění paměti. Záznam samotný však není možné při spuštěném dataloggeru úplně vypnout - pouze odpojením napájení dataloggeru.

3.4.7

Počítačové zpracování naměřených dat

Datalogger sám po určitém nastaveném intervalu snímá hodnoty na všech svých kanálech. Pro práci s naměřenými daty je nutné propojit datalogger s počítačem a stáhnout data do ovládacího softwaru. Ovládací notebook umístěný v zařízení má instalován komunikační software. Při připojeném dataloggeru je pomocí přístupu přes vzdálenou plochu navíc možné vše sledovat a data vyhodnocovat bez nutnosti fyzické přítomnosti obsluhy u zařízení.

3.5. MOŽNOSTI BUDOUCÍCH ÚPRAV

33

1. Propojit datalogger s počítačem (USB / Ethernet) 2. Spustit program MS+ (instalátor na CD, případně download z webu) 3. V programu kliknout na ikonku nebo stisknout klávesu F4

, případně zvolit Soubor -> Download z ústředny,

4. Po vybrání uložení souboru si program načte veškerou paměť ústředny a zobrazí ji 5. Zobrazené hodnoty je možné pomocí ikonky s nimi pracovat v excelu

3.5

exportovat do formátu *.xls a dále

Možnosti budoucích úprav

Zařízení bylo navrženo jako modulovatelné z hlediska možnosti budoucí výměny jednotlivých komponent. Lze tedy na zařízení například jednoduše vyměnit nabíjecí či vybíjecí jednotku, měřící přístroje či přeprogramovat ovládací software. Jako první z možných úkolů, realizovatelný například některým budoucím studentem jako bakalářskou či diplomovou prací může být sestrojení nového vybíječe, pracujícího na rekuperačním principu, a tedy nespalováním energie v odporu. Případně by se dal naprogramovat dokonalejší ovládací software, schopný z měřených hodnot automaticky exportovat dokumentaci k provedenému testu.

3.5.1

Rekuperační vybíječ

Stávající vybíjecí zařízení momentálně pracuje na způsobu neefektivního spalování elektrické energie na energii tepelnou, kterou pak ventilátory rozptýlí do prostoru. Energie vybíjená z baterie tedy poté není nijak využita a baterie se musí pracně dobíjet ze sítě, čímž se celý testovací proces prodražuje. Efektivnější způsob by bylo vytvoření nové vybíjecí jednotky, pracující na způsobu rekuperace elektrické energie zpět do sítě. Elektrická energie by pak nebyla mařena na teplo, ale odevzdávána zpět do rozvodné sítě, kde by se použila na něco užitečnějšího. Maximální možný odevzdávaný výkon baterie je vypočítán podle vzorce P = P1 +P2 +P3 = 3∗(R∗I 2 ) = 3 ∗ (1, 8 ∗ 502 ) = 13500W , což je hodnota vypočítaná při nejvyšším možném proudu, na který je vybíjení dimenzováno. V rámci fakulty by se dalo předpokládat že spotřebovávaná energie fakulty je mnohonásobně vyšší než-li energie dodávaná touto baterií, nemusel by se tedy řešit problém převýšení výroby nad spotřebou. Rekuperační vybíječ by musel být dimenzovaný stejně, nebo lépe než stávající vybíječ, ať již se to týká přívodů či vnitřních rozvodů a uspořádání. Musel by splňovat požadavky na bezpečnost baterie (vstupní filtr) a na vstupu se chovat jako odpor. Jelikož z baterie vystupuje napětí nižší než-li síťové a navíc stejnosměrné, hlavními prvky rekuperačního vybíječe by byl vstupní střídač, automatický transformátor napětí na hladinu 230 V∼ a řídící jednotka,

34


která by se starala o připojení vybíječe v momentě vhodném pro přifázování (stejné napětí, stejná frekvence, stejný sled fází). Rekuperační vybíječ by navíc musel počítat s chemickoelektrickými aspekty vybíjené baterie, jako je např. snižování napětí při zátěži, či odezvu na regulaci výstupního proudu obsluhou. Momentální vybíječ je dimenzovaný na poměrně vysoký nabíjecí proud, ovšem pro potřeby měření vnitřních odporů velkých baterií dle normy ČSN by bylo vhodně mít možnost tento vybíjecí proud alespoň krátkodobě několikanásobně přesáhnout. Rekuperační vybíječ by teoreticky bylo možné provozovat pro mnohonásobně vyšší vybíjecí proudy, jelikož energii nespotřebovává na teplo a nehrozí tedy překročení kritické teploty na zařízení. Odporový vybíječ schopný dosahovat vybíjecích proudů až v řádu kA by musel být dosahovat mnohonásobně větších fyzických rozměrů. Rekuperační vybíječ je vhodným tématem pro bakalářskou či diplomovou práci některého z budoucích studentů katedry elektrotechnologie a jeho využití by bylo přínosným rozšířením zařízení.

3.5.2

Automatizace dokumentace

Stávající ovládací software pracuje pouze v základním inteligenčním schématu, kdy fakticky umí pouze zapínat a vypínat oba obvody a staticky zaznamenávat hodnoty proudů, napětí a teplot. Do budoucna by bylo přínosné vytvoření softwaru, který by se staral jak o tyto základní procesy, ale zároveň by např. pracoval s měřícími šablonami jednotlivých testů (průběhy testů dle norem ČSN), měřená data ukládal ve vhodném formátu a zároveň by s nimi v reálném čase pracoval. Testování baterie by poté probíhalo tak, že obsluha by pouze připojila baterii k zařízení, zadala do softwaru její limitní hodnoty (nabíjecí proud, vybíjecí proud, prahové napětí, prahová teplota atd..) a zvolila test, který se má na baterii provést. Systém by pak v reálném čase vypracovával grafy průběhů elektrických veličin baterie, teploty, počítal by odevzdanou či vloženou energii a dle naprogramování by po konci testu sám byl schopen rozhodnout zda-li testovaná baterie testem prošla či nikoliv. Na základě tohoto rozhodnutí a naměřených hodnot by poté systém sám vytvořil závěrečnou zprávu o testované baterii se všemi podstatnými informacemi, tuto zprávu by uložil do archivu, či odeslal na e-mail obsluhy a ve finále by připojenou baterii by (dle nastavení) sám dobil a sám sebe vypnul. Takto koncipovaný software by rovněž byl vhodným tématem pro bakalářskou či diplomovou práci některého budoucího studenta, orientovaného na softwarové inženýrství.

3.6

Využití zařízení na fakultě

Zařízení je plánované umístit v laboratoři H2 v prostorách fakulty. Laboratoř je připravená na usazení zařízení a je k němu připraven přívod el. energie. Pouhých pár metrů od labora-

3.6. VYUŽITÍ ZAŘÍZENÍ NA FAKULTĚ

35

toře se nachází vjezd pro vozidla ze dvora, čímž je na minimum snížena nutnost dlouhého transportu baterií. Velké olověné baterie pro svoji velkou váhu není snadné přenášet, proto je perspektivnější vyjet s bateriovým vozíkem na dvůr, baterii složit přímo na vozík a pak s baterií zajet již přímo do zařízení. Zařízení tedy bude zamknuté v laboratoří a přístup k němu budou mít pouze ti, kteří budou mít přístup do laboratoře. Tato práce bude u zařízení trvale přiložena a případná obsluha do něj bude mít možnost kdykoliv nahlédnout. Případné změny na zařízení je nutné náležitě dokumentovat a jako přílohy přikládat do zařízení, aby byla ovládací dokumentace stále aktuální. Zařízení bude možné zařadit mezi libovolné předměty vyučované na katedře, kam dle vyučujícího bude zařízení vhodné. Jako nejvhodnější se momentálně jeví výuka studentů v předmětech orientovaných na problematiku baterií, či s tím související fotovoltaickou problematiku, zejména GRID-OFF systémů. Zařízení je navíc možné využívat komerčně, pro testování baterií jednotlivých výrobců. Zařízení by tedy ve finále mohlo být i finančně užitečné katedře a z těchto výtěžků by bylo možné financovat jiné projekty na katedře.

3.6.1

Komerční využití

Zařízení již bylo na katedře použito pro komerční měření baterií zákazníka - firmy Micronix (viz sekce 5). Na bateriích bylo změřeno chování při vybíjení a nabíjení, byl stanoven vnitřní odpor baterií a byla provedena kapacitní zkouška baterií. Výsledek ukázal na hodnoty odpovídající parametrům baterií, pouze kapacitní zkouška u dvou baterií ukázala na menší kapacitu baterií než byla udávána, ovšem rozdíl byl v řádu jednotek procent. Do budoucna je plánováno tato komerční testování na zařízení provádět ve větší míře. Výstupem z testování by mělo být rozhodnutí, zda baterie splňuje všechny předepsané normy, a je tedy vhodná ke vstupu na český trh. Zařízení prozatím nesplňuje potřebnou certifikaci pro vydávání takto oprávněných rozhodnutí, do budoucna je však možné zařízení pro tento účel certifikovat. Momentálně by se tedy výstup z testování dal použít pouze jako orientační náhled kvality testované baterie.

3.6.2

Studijní účely

Hlavní využití zařízení však bude pro výuku nových studentů zaměřených na problematiku baterií. Zařízení je možné zahrnout do osnov mnoha předmětů vyučovaných v laboratořích katedry. Studenti by se na zařízení mohli názorně předvést elektrické i chemické pochody probíhající v bateriích při vybíjení vyššími proudy, oteplování baterie při jejím přetěžovaném nabíjení či další aspekty chování baterií při jejich namáhání. V souvislosti s rozvojem fotovoltaiky by si studenti mohli na zařízení simulovat chování GRID-OFF systémů, kdy baterie slouží jako zdroj elektrické energie objektů odpojených od centrální elektrické sítě. Vhodným nastavením softwaru by například bylo možné simulovat

36


konstantní vybíjení baterie současně s cyklickým spínáním nabíjení baterie, a tak simulovat prostředí fotovoltaického panelu střídavě pracujícího díky jeho zastínění mraky v přírodě.

Kapitola 4

Technologické postupy měření 4.1

Obecný postup

Postup měření na zařízení se odvíjí od toho co chceme na baterii zařízením měřit. Baterii umístěnou na vozíku nejprve připojíme klešťovými kontakty k zařízení, přičemž je nutné dávat pozor, aby nebyla baterie přepólována (pokud to nevyžaduje test). Na baterii poté přilepíme lepicí teplotní spínače - první spínač se lepí na svrchní víko baterie, druhý na libovolnou boční stěnu. Pokud baterie není příliš velká, je vhodné s vozíkem poté vjet do prostoru rozvaděče. Po přesvědčení se, že je správně zapojen přívodní kabel a všechny jističe se nacházejí v poloze zapnuto je možné zeleným startovacím tlačítkem sepnout zařízení. Na ovládacím panelu se zobrazí zelená kontrolka Zapnuto. Následuje zapnutí ovládacího notebooku, kde po nastartování systému windows je zástupcem na ploše potřeba spustit ovládací prostředí LabView a v něm otevřít ovládací software. Otevře se nám ovládací prostředí jaké je uvedené v 3.15. Nyní dle toho jestli se jedná o vybíjení nebo nabíjení baterie je nutné zapnout a nastavit buď vybíječ či nabíječ a to na požadovanou hodnotu, jak je popsáno v jejich příslušných kapitolách. Po nastavení požadovaných hodnot se obsluha musí v softwaru přesvědčit, že jsou zadány všechny omezujćí podmínky (teplota, napětí, čas) a stisknutím příslušné páčky zapnout požadovaný proces. Kontrola nastavených parametrů je možná jak v softwarovém ukazateli, tak případně na displeji nabíječe. Obsluha poté (pokud se jedná o dlouhodobý test) může počítač zavřít (počítač je ve výchozím stavu nastaven, aby se nevypínal při zavření krytu) a odejít. Při správném nastavení omezujících podmínek se proces vypne sám. Obsluha může poté pomocí vzdálené plochy či ostatního programového vybavení kontrolovat bez problémů celý proces. Po doměření dojde k vypnutí stykačů, tedy i k fyzickému rozpojení obvodu, nemůže tedy nastat situace, kdy by baterie byla nadále zatěžována. Naměřená data je poté potřeba obsluhou zpracovat. Jako nejvhodnější způsob zpracování je program tabulkový procesor Microsoft Excel. Do něj je třeba vložit všechny naměřené hodnoty a z hodnot vytvořit graf průběhů napětí a proudů. Závěry laboratorního měření a porovnání grafů již provede obsluha do samostatného dokumentu slouźícího jako zpráva z měření. Tato zpráva pak slouží jako výstup pro firmu, pro kterou se měření dělalo, případně jako výstup z laboratorní úlohy studenta.

37

38

KAPITOLA 4. TECHNOLOGICKÉ POSTUPY MĚŘENÍ

4.2

Povolené akumulátory k měření

Akumulátory nejsou limitovány svým chemickým složením. Limitujícími předměty jsou dimenzace nabíječe a vybíječe. Vybíječe je dimenzován tak, aby vydržel maximální proud 50 A na jednu odporovou sekci. Tím dostaneme maximální možné napětí připojitelné na jednu sekci až 90 V (při zapojení dle schématu uvedeného u vybíječe), můžeme tedy zapojovat i sériově spojené větší množství baterií. Při vytvoření vhodného způsobu úchytu malých baterií by teoreticky bylo možné měřit i malé tužkové baterie, s tím že i při zapojení na nejvyšší odpor 1,8 Ω bude klasická tužková baterie s kapacitou 1500 mAh vybita za necelé dvě hodiny. V tomto případě by bylo ale nutné vzít v potaz úbytky napětí na kontaktech, které by do měření jiź vnášely značkou nepřesnost.

4.3

Měření vnitřního odporu

Vnitřní odpor je jeden z nejdůležitějších ukazatelů stavu baterie. Vnitřní odpor působí jako přivření průtoku proudu baterií, tedy čím větší vnitřní odpor baterie má, tím méně proudu z ní můžeme odebírat. Naopak čím menší odpor, tím větší a po delší dobu může dodávat výkon. Vnitřní odpor baterie reprezentuje chemický stav elektrod a elektrolytu mezi nimi. Měření vnitřního odporu obecně probíhá zatížením baterie proudem nejprve malým a poté proudem velkým. Při obou měření se zaznamenává hodnota měřeného proudu a napětí. V praxi toto měření ilustruje norma ČSN 60896-21. Měření probíhá při okolní zadané teplotě 25◦ C ± 3, v odlišném případě je nutné provést teplotní korekci měření. Princip měření podle této normy: 1. Zatížení baterie proudem 0,4CA po dobu 20s. 2. Změření napětí U1 a proudu I1. 3. Odpojení zátěže. 4. Regenerační doba 5 minut k ustálení chemických procesů v baterii. 5. Zatížení baterie proudem 2CA po dobu 5s. 6. Změření npětí U2 a I2 7. Vypočítání vnitřního odporu baterie podle vzorce Ri =

4.4

U1 −U2 I2 −I1

Kapacitní zkouška

Kapacita baterie je rovněž jeden z nejdůležitějších ukazatelů baterie a pomocí ní jejího měření je možné stanovovat stárnutí baterie. Kapacita baterie je vždy udávaná na baterii, s věkem a používáním baterie se ovšem zmenšuje. Provedením kapacitního testu změříme a

4.5. RYCHLÉ VYBÍJENÍ

39

vypočítáme skutečnou aktuální kapacitu baterie. Jedná se o dlouhodobý test, kdy neustálé zaznamenávání hodnot je naprostou nutností a plně automatizované zařízení je k provedení tohoto testu ideální. Postup kapacitní zkoušky: 1. Plné nabití baterie 2. Připojení baterie k zátěži vyvolávající proud 0,05CA na tak dlouhou dobu, dokud neklesne napětí baterie na vybíjecí hodnotu. 3. Po dobu vybíjení stále zaznamenávat napětí a proud baterie. 4. Po dosažení vybíjecího napětí vypočítat kapacitu baterie pomocí vzorce C = t[Ah]

4.5

PT

t=0 It ∗

Rychlé vybíjení

Rychlé vybíjení se typicky používá pro simulaci procesu startování automobilu, kdy po krátkou dobu je z baterie odebírán vysoký startovací proud. Na zařízení je tedy možné například simulovat počet možných startovacích cyklů automobilu pro jedno nabití baterie, kdy nastavením zařízení na cyklické zatěžování vysokým proudem po krátkou dobu nasimiluje dané podmínky. Na baterii lze přitom měřit a zaznamenávat celkovou odebranou energii pro jednotlivé cykly, počet cyklů, po kterých napětí baterie klesne pod únosnou mez (kdy již baterie není schopná otočit startérem) a následnou potřebu množství zpětně dodané energie do baterie pro znovunabití.

4.6

Rychlé nabíjení

V praxi se často stává, že z různých důvodů není dostatek času na nabití baterie menším proudem po delší dobu. Baterie je nutné nabíjet za extrémně krátké časové intervaly. Takovéto nabíjení ovšem může neblaze působit na baterii samotnou, kdy takovým způsobem dochází ke zmenšování možného počtu cyklů nabíjení baterie a zmenšování užitné kapacity. Testování rychlého nabíjení na zařízení je možné. Baterie mívají zpravidla podstaně nižší maximální hodnotu nabíjecího proudu, než-li vybíjecího proudu. Je to tím, že část dodané energie do baterie se proměňuje na teplo uvnitř baterie a dochází tedy k ohřívání baterie samotné. Při dlouhodobém nabíjení vysokým proudem by teplota baterie mohla překročit únosnou mez a mohlo by dojít k roztavení plastového krytu baterie a výtoku elektrolytu ven, či dokonce k požáru baterie. Na tomto zařízení je možné zaznamenávat teploty při nabíjení baterie a při dosažení určité hodnoty teploty zařízení vypnout. Tím je možné sledovat schopnost rychlého nabíjení baterie bez nutnosti zničení baterie samotné.

40

KAPITOLA 4. TECHNOLOGICKÉ POSTUPY MĚŘENÍ

Kapitola 5

Vzorová měření Měření parametrů baterií firmy Micronix spol. s.r.o. Na sestaveném zařízení byly v průběhu března 2012 a dubna 2012 měřeny vysokokapacitní olověné baterie. Měření bylo zároveň prvním testem operačních schopností zařízení. Baterie na měření byly laskavě zapůjčeny firmou Micronix spol. s.r.o.1 .

5.1

Předmět měření

V laboratořích K13113 FEL ČVUT byly měřeny vybrané parametry zapůjčených baterií. Jedná se o 2ks gelové baterie Leaftron LTL12-100 a 2ks gelové baterie CS3 GPL121000, všechny o nominálním napětí 12V a jmenovité kapacity 100Ah. Měření baterií probíhalo v několika krocích: 1. Primární nabití baterie metodou IUa 2. Měření vnitřního odporu baterie 3. Vybití baterie proudem 40A až do hranice vybíjecího napětí 10, 5V 4. Nabití baterie metodou IUa 5. Vybití baterie proudem 5A až do hranice vybíjecího napětí 10, 5V (kapacitní zkouška) 6. Finální nabití baterie metodou IUa Baterie byly připojeny na zařízení, a nabíjecí i vybíjecí cyklus byl řízen ovládacím softwarem. Pro snímání hodnot z dlouhodobých testů byl do obvodu navíc zapojen měřící kufřík COMETA pro logování naměřených veličin. Veličiny byly zaznamenávány vždy po pěti vteřinách. Naměřené hodnoty byly ukládány do tabulkového procesoru MS Excel, ze kterého byly poté jednoduše získány výstupní grafy a naměřené hodnoty. Nejzajímavějším parametrem měřených baterií byla kapacitní zkouška baterií, dalším zajímavým měřeným faktorem bylo 1

Micronix spol. s.r.o. - "http://www.micronix.cz"

41

42

KAPITOLA 5. VZOROVÁ MĚŘENÍ

vybíjení baterií vysokým proudem a sledování následného oteplení baterie. Měření probíhalo pomocí dataloggeru COMET MS55D s chybou měření napětí 0.05V a chybou měření proudu 5% z měřené hodnoty. Teploty byly snímány teplotními čidly zařízení.

5.1.1

Identifikace baterií Číslo baterie Baterie č. 1 Baterie č. 2 Baterie č. 3 Baterie č. 4

Výrobce Leaftron LTL12-100 CS3 GPL 121000 CS3 GPL 121000 Leaftron LTL12-100

Identifikační číslo Identifikátor 260511Y05 Identifikátor MH14533 Identifikátor MH14533 Identifikátor 2605Y110S

Tabulka 5.1: Identifikační tabulka měřených baterií

5.2

Naměřené výsledky

5.2.1

Prvotní nabíjení baterií

Prvotní nabíjení bylo dobíjení baterií po rozbalení, pro zajištění plného nabití baterií pro testování. 5.2.1.1

Baterie č. 1

16,00

14,00

12,00

10,00

Proud [A]

8,00

Napětí [V]

6,00

4,00

2,00

0,00 0:00:00

1:12:00

2:24:00

3:36:00

4:48:00

6:00:00

7:12:00

Celková prvotní dodaná energie do této baterie byla 17, 06Ah.

5.2. NAMĚŘENÉ VÝSLEDKY

5.2.1.2

43

Baterie č. 2

16,00

14,00

12,00

10,00

Proud [A]

8,00

Napětí [V]

6,00

4,00

2,00

0,00 0:00:00

0:14:24

0:28:48

0:43:12

0:57:36

1:12:00

1:26:24

1:40:48

1:55:12

2:09:36

2:24:00

Celková prvotní dodaná energie do této baterie byla 2, 09Ah. 5.2.1.3

Baterie č. 3

16,00

14,00

12,00

10,00

Proud [A]

8,00

Napětí [V]

6,00

4,00

2,00

0,00 0:00:00

0:07:12

0:14:24

0:21:36

0:28:48

0:36:00


44


5.2.1.4

Baterie č. 4

16,00

14,00

12,00

10,00

Proud [A]

8,00

Napětí [V]

6,00

4,00

2,00

0,00 0:00:00

1:12:00

2:24:00

3:36:00

4:48:00

6:00:00

7:12:00


5.2.2

Měření vnitřního odporu baterií

Měření vnitřního odporu probíhalo postupem: 1. Zatížení baterie proudem 10A po dobu 20s 2. Zaznamenání napětí baterie U1 a proudu I1 3. Odpojení zátěže 4. Regenerační doba 5 minut 5. Zatížení baterie proudem 40A po dobu 5s 6. Zaznamenání napětí baterie U2 a proudu I2 7. Výpočet vnitřního odporu baterie pomocí vzorce Ri = Změřené hodnoty:

U2 −U1 I2 −I1


45

Baterie 1 2 3 4

Ri [mΩ] 1,022495 2,295082 2,605863 9,162304

Tabulka 5.2: Hodnoty vnitřních odporů jednotlivých baterií

5.2.3 5.2.3.1

Vybíjení baterií vyšším proudem 40A Baterie č. 1

Vybíjení baterie vyšším proudem bylo metodou konstantního odporu 0, 3Ω. Vybíjení probíhalo v prostředí s konstantní teplotou 21, 6◦ C.

40,00

35,00

30,00

25,00

Proud [A]

20,00

Napětí [V]

15,00

10,00

5,00

0,00 0:00:00

0:28:48

0:57:36

1:26:24

1:55:12

2:24:00

2:52:48

Počáteční napětí baterie bylo 13, 27V . Konečné napětí baterie bylo 11, 67V . V průběhu testu bylo z baterie odebráno celkem 86, 79Ah. Teplota baterie dosáhla nejvyššího bodu v průběhu měření 27, 3◦ C.

5.2.3.2

Baterie č. 2


46


40

35

30

25

20

15

10

5

0:00:00 0:02:50 0:05:40 0:08:30 0:11:20 0:14:10 0:17:00 0:19:50 0:22:40 0:25:30 0:28:20 0:31:10 0:34:00 0:36:50 0:39:40 0:42:30 0:45:20 0:48:10 0:51:00 0:53:50 0:56:40 0:59:30 1:02:20 1:05:10 1:08:00 1:10:50 1:13:40 1:16:30 1:19:20 1:22:10 1:25:00 1:27:50 1:30:40 1:33:30 1:36:20 1:39:10 1:42:00 1:44:50 1:47:40 1:50:30 1:53:20 1:56:10 1:59:00 2:01:50 2:04:40 2:07:30 2:10:20 2:13:10 2:16:00 2:18:50 2:21:40 2:24:30 2:27:20

0

-5 Proud [A]

Napětí [V]


5.2.3.3

Baterie č. 3

Vybíjení této baterie vyšším proudem nebylo při tomto testování měřeno.

5.2.3.4

Baterie č. 4


0:00:00 0:02:45 0:05:30 0:08:15 0:11:00 0:13:45 0:16:30 0:19:15 0:22:00 0:24:45 0:27:30 0:30:15 0:33:00 0:35:45 0:38:30 0:41:15 0:44:00 0:46:45 0:49:30 0:52:15 0:55:00 0:57:45 1:00:30 1:03:15 1:06:00 1:08:45 1:11:30 1:14:15 1:17:00 1:19:45 1:22:30 1:25:15 1:28:00 1:30:45 1:33:30 1:36:15 1:39:00 1:41:45 1:44:30 1:47:15 1:50:00 1:52:45 1:55:30 1:58:15 2:01:00 2:03:45 2:06:30 2:09:15 2:12:00 2:14:45 2:17:30 2:20:15 2:23:00 2:25:45 2:28:30 2:31:15

5.2. NAMĚŘENÉ VÝSLEDKY 47

40

35

30

25

20

15

10

5

0

-5 Proud [A] Napětí [V]


48

5.2.4


Kapacitní zkouška baterií

Kapacitní zkoušky baterií probíhaly v laboratoři s konstantní teplotou 21, 2 − 22, 6◦ C

5.2.4.1

Baterie č. 1

Kapacitní test u baterie č. 1 nebyl proveden až do konce, neboť v průběhu měření došlo k odpojení zařízení.

14

12

10

8

6

4

2

0:00:00 0:09:05 0:18:10 0:27:15 0:36:20 0:45:25 0:54:30 1:03:35 1:12:40 1:21:45 1:30:50 1:39:55 1:49:00 1:58:05 2:10:10 2:19:15 2:28:20 2:37:25 2:46:30 2:55:35 3:04:40 3:13:45 3:22:50 3:31:55 3:41:00 3:50:05 3:59:10 4:08:15 4:17:20 4:26:25 4:35:30 4:44:35 4:53:40 5:02:45 5:11:50 5:20:55 5:30:00 5:39:05 5:48:10 5:57:15 6:06:20 6:15:25 6:24:30 6:33:35 6:42:40 6:51:45 7:00:50 7:09:55 7:19:00 7:28:05 7:37:10 7:46:15 7:55:20

0

-2 Proud [A]

Napětí [V]

Celková odebraná energie z této baterie byla 39, 66Ah. Počáteční napétí baterie bylo 12, 99V , konečné napětí baterie bylo 11, 57V . Pro opětovné nabití baterie na pracovní hodnotu bylo nutné dodat 51, 07Ah.

5.2.4.2

Baterie č. 2

Kapacitní test u baterie č. 2 byl proveden vybíjením hodnotou vybíjecího proudu 5A až do dosažení hranice vybíjecího napětí 10, 5V .


49

14

12

10

8

6

4

2

0:00:00 0:20:35 0:41:10 1:01:45 1:22:20 1:42:55 2:03:30 2:24:05 2:44:40 3:05:15 3:25:50 3:46:25 4:07:00 4:27:35 4:48:10 5:08:45 5:29:20 5:49:55 6:10:30 6:31:05 6:51:40 7:12:15 7:32:50 7:53:25 8:14:00 8:34:35 8:55:10 9:15:45 9:36:20 9:56:55 10:17:30 10:38:05 10:58:40 11:19:15 11:39:50 12:00:25 12:21:00 12:41:35 13:02:10 13:22:45 13:43:20 14:03:55 14:24:30 14:45:05 15:05:35 15:26:10 15:46:45 16:07:20 16:27:55 16:48:30 17:09:05 17:29:40 17:50:15

0

Proud [A]

Napětí [V]


5.2.4.3

Baterie č. 3

Kapacitní test u baterie č. 3 byl proveden vybíjením hodnotou vybíjecího proudu 5A až do dosažení hranice vybíjecího napětí 10, 5V .

50


14

12

10

8

6

4

2

0:00:00 0:22:00 0:44:00 1:06:00 1:28:00 1:50:00 2:12:00 2:34:00 2:56:00 3:18:00 3:40:00 4:02:00 4:24:00 4:46:00 5:08:00 5:30:00 5:52:00 6:14:00 6:36:00 6:58:00 7:20:00 7:42:00 8:04:00 8:26:00 8:48:00 9:10:00 9:32:00 9:54:00 10:16:00 10:38:00 11:00:00 11:22:00 11:44:00 12:06:00 12:28:00 12:50:00 13:12:00 13:34:00 13:56:00 14:18:00 14:40:00 15:02:00 15:24:00 15:46:00 16:08:00 16:30:00 16:52:00 17:14:00 17:36:00 17:58:00 18:20:00 18:42:00 19:04:00

0

Proud [A]

Napětí [V]

10,5 [V]


5.2.4.4

Baterie č. 4

Kapacitní test u baterie č. 4 byl proveden vybíjením hodnotou vybíjecího proudu 5A až do dosažení hranice vybíjecího napětí 10, 5.

5.3. LOKALIZACE TEPLEM ZATĚŽOVANÝCH MÍST

51

14,00

12,00

10,00

8,00

6,00

4,00

2,00

0,00 0:00:00

2:24:00

4:48:00

7:12:00

9:36:00 Proud [A]

12:00:00

14:24:00

16:48:00

19:12:00

21:36:00

Napětí [V]


5.3

Lokalizace teplem zatěžovaných míst

V průběhu zkušebního měření byly pomocí termokamery snímány části zařízení u nichž byly předpokládány vyšší tepelné ztráty. Termokamerou byla nasnímána tato místa: • Baterie s přívodním kabelem zakončeným okem (viz obr. 5.1) • Baterie s přívodním kabelem zakončeným kleštěmi (viz obr. 5.2) • Použitý vybíjecí odpor (viz obr. 5.3) • Kontakt kleští s konektorem proudového bočníku (viz obr. 5.4) • Vnitřní konektor připojovacích kleští (viz obr. 5.5) • Vrchní část rozvaděče v oblasti vybíječe (viz obr. 5.6) Z měření pomocí termokamery vyplynula nutnost vytvoření do budoucna druhé sady propojovacích kabelů zakončenými oky, namísto stávajících kleští. Tyto kleště měly při kontaktu se šroubovým konektorem vysoký přechodový odpor a docházelo k jejich vysokému přehřívání a tím i napěťové ztrátě.

52


Obrázek 5.1: Baterie s přívodním kabelem zakončeným okem

Obrázek 5.2: Baterie s přívodním kabelem zakončeným kleštěmi

5.4

Zhodnocení měření

Z naměřených výsledků vychází z hlediska vnitřních chemicko-elektrických parametrů baterie č. 4, i když disponuje nejvyšším vnitřním odporem. Kapacitní testy ukázaly u baterií číslo 2 a 3 na kapacity povětšinou nižší než je udávaná jmenovitá kapacita. Kapacitní test baterie číslo 4 ukázal na téměř přesnou shodu udávané hodnoty kapacity s naměřenou. Baterie byly po provedení veškerých testů opětovně nabity na nominální hodnoty napětí.

5.4. ZHODNOCENÍ MĚŘENÍ

53

Obrázek 5.3: Použitý vybíjecí odpor

Obrázek 5.4: Kontakt kleští s konektorem proudového bočníku

Toto měření prověřilo schopnost zařízení automaticky provádět zadané úkoly. U vybíjecích testů byly na zařízení nastaveny hranice napětí 15Vmax a 10, 5Vmin , a 40◦ Cmax a 10◦ Cmin . Poté došlo jen k nastavení vybíjecích parametrů, proces byl zapnut a obsluha mohla odejít. Měření na jiných, neuatomatizovaných zařízení v laboratoři by nebylo možné - v případě kapacitní zkoušky z hlediska časového (kapacitní zkouška trvá 20 hodin) a v případě tepelné zkoušky z hlediska proudového - zařízení bylo schopné vyvinout tak vysoký vybíjecí proud.

54


Obrázek 5.5: Vnitřní konektor připojovacích kleští

Obrázek 5.6: Vrchní část rozvaděče v oblasti vybíječe

Kapitola 6

Automatizované vyhodnocení Automatizované vyhodnocení je na zařízení teprve v počátku a detailněji se jím bude zabývat jiný projekt. V ideálním stavu se jedná o takový stupeň automatizace, kdy obsluha bude pouze potřebná k připojení baterie k zařízení, zvolením si v ovládacím softwaru typ testu, který chce spustit a dále se o nic nebude muset starat - systém si již veškeré procesy a měření obstará sám. Vytvořením vhodného komplexního ovládacího softwaru by takového stavu bylo možné dosáhnout.

6.1

Současný stav automatizace

Momentálně již určitý stupeň automatizace funguje. Není nutná přítomnost obsluhy po celou dobu měření. Toho bylo dosaženo omezujícími podmínkami teplotními, časovými a napěťovými. Obsluha je tedy nutná pouze k nastavení podmínek měření a počátečního sepnutí procesu - zařízení se již samo postará o vypnutí procesu při dosažení hraničních podmínek a uložení naměřených hodnot. Pro vypracování je nutné naměřené hodnoty obsluhou vložit do vhodného výpočetního softwaru (např. tabulkový procesor Microsoft Excel) a vypočítat z nich potřebné hodnoty. Jako šablona pro vyhodnocení naměřených hodnot byl vytvořen excelovský soubor s nastavenými funkcemi pro automatické počítání výsledných hodnot (viz obr. 6.1). V této excelovské šabloně stačí, aby uživatel vyplnil pouze bílé buňky. Šedé buňky jsou dané automaticky a nesmějí se přepsat uživatelem. Obsluha tedy pouze vyplní parametry baterie a dosadí řádky naměřených hodnot. Excel si svým vnitřním naprogramováním sám spočítá maximální a minimální dosažené napětí, maximální a minimální dosažený proud a celkovou energii odebranou (či přidanou) do baterie. Hodnoty, které jsou vyšší než-li zadané hranice se zvýrazní podbarvením červeně (např. napětí nižší než-li je zadané minimální vybíjecí napětí). Dosazení naměřených hodnot do této šablony dojde k urychlení výpočtu požadovaných hodnot z měření.

55

56

KAPITOLA 6. AUTOMATIZOVANÉ VYHODNOCENÍ

Obrázek 6.1: Šablona pro výpočet výsledných hodnot v Excelu

Kapitola 7

ČSN Testování Testování baterií stanovují normy ČSN. Tyto normy předepisují, jaké zkoušky je nutné na baterii provádět, jejich parametry, předpokládané výstupy a situace, ke kterým by v průběho testování nemělo dojít. Seznam ČSN norem, které se nějakým způsobem váží k tomuto testování je uveden v tabulce 7.1. Zařízením je možné provádět libovolné zkoušky elektrického rázu (po zvážení dimenzace), v laboratoři samotné je ovšem možné provádět i zkoušky mechanického rázu.

7.1 7.1.1

Zkoušky elektrického rázu Trvalé nabíjení malým proudem

Tato zkouška požaduje, aby trvalé nabíjení baterie malým proudem nezpůsobilo oheň nebo explozi. Zkoušení je zdlouhavé, dle normy se plně nabité články po 28 dní vystaví nabíjení podle specifikace výrobce. Baterie zkouškou projde úspěšně, jestliže po dobu zkoušení nedojde k ohni, explozi, nebo vytečení elektrolytu baterie.

7.1.2

Vnější zkrat

Touto zkouškou je nutné zabezpečit nebezpečí ohně, případně exploze při neúmyslném zkratování baterie při provozu. Zkoušku provedeme připojením odporu menšího než 100 mΩ. Tato zkouška článků nebo baterií trvá 24 h, nebo tak dlouho, dokud maximální dosažená teplota neklesne o 20 %, pokud je tato doba kratší. Zkouškou baterie projde, pakliže nedojde k explozi, případně k požáru baterie.

7.1.3

Přebíjení u Niklových systémů

V případě přebíjení v běžném provozu by nemělo dojít k ohni, nebo k explozi. Niklové baterie se touto zkouškou nabíjejí 2,5 násobkem doporučeného nabíjejícího proudu, nabíjení trvá tak dlouho, dokud by baterie teoreticky nedosáhla 250% nabíjecího příkonu. Baterie zkouškou projde, pokud během procesu nedojde k explozi, případně k požáru baterie.

57

58

7.1.4

KAPITOLA 7. ČSN TESTOVÁNÍ

Přebíjení u Lithiových systémů

V případě přebíjení v běžném provozu by nemělo dojít k ohni, nebo k explozi. Lithiové baterie se touto zkouškou nabíjejí doporučeným nabíjecím proudem od výrobce, nabíjení probíhá po 5 . Baterie zkouškou projde, pokud během procesu nedojde k explozi, případně k dobu 2, 5 ICrec požáru baterie.

7.1.5

Nucené vybíjení

Tato zkouška udává odolnost vybitého článku při převrácení polarity při nabíjení. Při praktické situaci nesmí dojít k požáru nebo explozi. Zkoušku provedeme na vybitém článku, kdy reverzujeme jeho polaritu a začneme nabíjet reverznímu nabíjení po dobu 90 minut. Baterie zkouškou projde, pokud během procesu nedojde k explozi, případně k požáru baterie.

7.1.6

Ochrana lithiového článku proti nabíjení velkým proudem

V případě porušení nabíječky při nabíjení nesmí v praxi dojít k ohni nebo explozi baterie. Zkoušku provedem vybitím baterie, poté jí nabíjíme trojnásobkem nabíjecího proudu doporučeného výrobcem, dokud není buď plně nabit, nebo dokud vnitřní bezpečnostní zařízení nepřeruší přívod nabíjecího proudu dříve, než je článek plně nabit. Baterie zkouškou projde, pokud během procesu nedojde k explozi, případně k požáru baterie.

7.2 7.2.1

Zkoušky mechanického rázu Volný pád

Touto zkouškou zjistíme, jestli při pádu baterie ze stolu nedojde k explozi, nebo k hoření baterie. Každý plně nabitý článek se shodí třikrát z výšky 1 m na betonovou podlahu. Články nebo baterie se shazují tak, aby došlo k dopadu s náhodnou orientací. Baterie zkouškou projde, pokud během procesu nedojde k explozi, případně k požáru baterie.

7.2.2

Mechanický úder

Touto zkouškou stanovujeme, že údery při přepravě baterie nezpůsobí explozi, vznícení, či výtok elektrolytu baterie. Plně nabitá baterie se pevně připevní k držáku, zajištujícímu pevné uchycení všech časti baterie a baterie se podrobí třem úderům stejné velikosti. Údery se vedou ze tří vzájemně kolmých směrů, jeden z nich musí být veden kolmo na čelní plochu. Baterie zkouškou projde, pokud během procesu nedojde k explozi, případně k požáru baterie.

7.2. ZKOUŠKY MECHANICKÉHO RÁZU

59

Tabulka 7.1: Přehled elektrotechnických norem vztahujících se k testování baterií Elektrotechnické normy - požadavky na zařízení jako takové ČSN EN 50191 Zřizování a provoz zkušebních elektrických zařízení Bezpečnostní požadavky pro akumulátorové baterie ČSN EN 62133 Akumulátorové články a baterie obsahující alkalické nebo jiné nekyselé elektrolyty - Bezpečnostní požadavky pro přenosné uzavřené plynotěsné akumulátorové články a pro přenosné baterie z nich sestavené ČSN EN 50272-2 Bezpečnostní požadavky pro akumulátorové baterie a akumulátorové instalace - Část 2: Staniční baterie ČSN EN 50272-3 Bezpečnostní požadavky pro akumulátorové baterie a akumulátorové instalace - Část 3: Trakční baterie ČSN EN 50272-4 Bezpečnostní požadavky pro akumulátorové baterie a akumulátorové instalace - Část 4: Baterie pro použití v přenosných přístojích Metody zkoušek ČSN EN 50342-1 Olověné startovací baterie - Část 1: Všeobecné požadavky a metody zkoušek ČSN EN 61982-1 Akumulátorové baterie pro pohon elektrických silničních vozidel Část 1: Parametry zkoušení ČSN EN 61982-2 Akumulátorové baterie pro pohon elektrických silničních vozidel Část 2: Zkoušky funkce a odolnosti při dynamickém vybíjení ČSN EN 61982-3 Akumulátorové baterie pro pohon elektrických silničních vozidel - Část 3: Zkoušky funkčních vlastností a životnosti (pro vozidla užívaná v obvyklém městském provozu) ČSN EN 60896-11 Staniční olověné baterie - Část 11: Uzavřené větrané typy - Všeobecné požadavky a metody zkoušek ČSN EN 60896-21 Staniční olověné baterie - Část 21: Uzavřené ventilem řízené typy - Metody zkoušek ČSN EN 61056-1 ed. 2 Olověné baterie pro všeobecné použití (ventilem řízené typy) - Část 1: Základní požadavky, funkční charakteristiky - Metody zkoušek ČSN EN 61427 ed. 2 Akumulátorové články a baterie pro fotovoltaické energetické systémy (PVES) – Všeobecné požadavky a metody zkoušek

60

KAPITOLA 7. ČSN TESTOVÁNÍ

Kapitola 8

Závěr V rámci diplomové práce bylo zařízení pro měření a testování baterií úspěšně sestaveno a oživeno. Při sestavování se postupovalo podle návrhu vytvořeném v bakalářské práci Testovací pracoviště pro měření baterií [7] (r. 2010). Po dobu výstavby bylo oproti návrhu nutné v několika případech postupovat jinak, ovšem po sestavení zařízení pracuje tak jak bylo zamýšleno a výsledný stav se od návrhu odchýlil pouze v drobnostech. Baterie je možné na zařízení vybíjet, nabíjet a současně měřit. Testovány mohou být podle veškerých požadavků ČSN, limitujícími faktory jsou pouze dimenzace nabíječe, vybíječe a propojovacích kabelů. Postup při testování baterií se příliš neliší od ostatních způsobů práce s bateriemi. Implementovaný systém počítačového řízení poskytuje nadstandardní možnosti automatizace procesu a rychlého vyhodnocení naměřených hodnot. Se zařízením byla změřena série vzorových měření, kdy se vyzkoušely hlavní možnosti poskytované zařízením. Výsledky z těchto měření odpovídaly předpokladům a poskytly komplexní informace o stavu měřených baterií. Zařízení je tedy funkční a po krátkém zaučení ovladatelné jakýmkoliv pracovníkem s patřičným elektrotechnickým vzděláním. Do budoucna je možné využívat jej ke studijním i komerčním účelům. Momentálně je na zařízení vypracována jedna diplomová a dvě bakalářské práce, je tedy podporovaná i z řad studentů, a do budoucna je na něm více možností pro realizaci dalších bakalářských, diplomových či jiných odborných prací. Zařízení je tedy po všech stránkách pro katedru elektrotechnologie přínosem.

61

62

KAPITOLA 8. ZÁVĚR

Literatura [1] Eprona a.s. - Konstrukční katalog rozvaděčových skříní. http://www.eprona.cz/doc/skrine.pdf, stav ze dne 24. 5. 2010. [2] Datasheet datalogger COMET MS55D. April 2012. URL http://www.cometsystem.cz/produkty/monitorovaci-systemy/ ms55d-merici-a-zaznamova-ustredna/reg-MS55D [3] Datasheet proudové sondy LEM HASS 500-S. April 2012. URL http://www.lem.com/hq/en/component/option,com_catalog/task, displaymodel/id,64.71.50.000.0/ [4] Datasheet stykač EPM V140F. April 2012. URL http://www.epm.cz/index.php?typ=EMA&showid=210 [5] Datasheet čidla teploty ST LM235. April 2012. URL http://www.st.com/internet/com/TECHNICAL_RESOURCES/TECHNICAL_ LITERATURE/DATASHEET/CD00000459.pdf [6] NI USB-6009 Specification. April 2012. URL http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/en/nid/201987 [7] Kmínek, M.: Testovací pracoviště pro měření baterií. ČVUT FEL, 2010. [8] Ptáček, V.: Řízení systému pro měření ampérhodinové kapacity akumulátorových baterií. ČVUT FEL, 2012.

63

64

LITERATURA

Příloha A

Seznam použitých zkratek ČSN Česká technická norma (Česká soustava norem) LEM Liaisons Electroniques-Mecaniques TN-S Terra Neutral - Separated DIN Deutsches Institut für Normung RCD Residual Current Device IP Ingress Protection VAC Hodnota střídavého napětí VDC Hodnota stejnosměrného napětí MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor PCB Printed Circuit Board PWM Pulse-Width Modulation USB Universal Serial Bus EE-PROM Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory LCD Liquid Crystal Display AC Střídavý elektrický průběh DC Stejnosměrný elektrický průběh PC Personal Computer AD Analogově-Digitální NO Normally Open NC Normally Closed

65

66

EN Evropská Norma SSR Solid State Relay PCB Printed Circuit Board

PŘÍLOHA A. SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK

Testovací pracoviště pro měření baterií - realizace. Bc. Matěj Kmínek

Recommend Documents