ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Η/Υ

Μέγεθος: px
Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Η/Υ"

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Η/Υ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΩΝ «Σχεδιασμός και κατασκευή Ενεργού Συστήματος Διαχείρισης Μπαταριών Ηλεκτρικού Οχήματος» ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΑΒΡΑΜΗΣ Σ. ΝΙΚΟΛΑΟΣ Α.Ε.Μ.: 7093 ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ: Μαδεμλής Χρήστος, Αναπαληρωτής Καθηγητής Α.Π.Θ. ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2016

2 . Αβράμης Σ. Νικόλαος Διπλωματούχος Ηλεκτρολόγος Μηχανικός και Μηχανικός Υπολογιστών Α.Π.Θ. Copyright Αβράμης Σ. Νικόλαος, 2016 Με επιφύλαξη παντός δικαιώματος. All rights reserved. Απαγορεύεται η αντιγραφή, αποθήκευση και διανομή της παρούσας εργασίας, εξ ολοκλήρου ή τμήματος αυτής, για εμπορικό σκοπό. Επιτρέπεται η ανατύπωση, αποθήκευση και διανομή για σκοπό μη κερδοσκοπικό, εκπαιδευτικής ή ερευνητικής φύσης, υπό την προϋπόθεση να αναφέρεται η πηγή προέλευσης και να διατηρείται το παρόν μήνυμα. Ερωτήματα που αφορούν τη χρήση της εργασίας για κερδοσκοπικό σκοπό πρέπει να απευθύνονται προς τον συγγραφέα. Οι απόψεις και τα συμπεράσματα που περιέχονται σε αυτό το έγγραφο εκφράζουν τον συγγραφέα και δεν πρέπει να ερμηνευθεί ότι αντιπροσωπεύουν τις επίσημες θέσεις του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. i

3 ii Στα στηρίγματά μου

4 Ευχαριστίες Με την ολοκλήρωση της παρούσας διπλωματικής εργασίας θα ήθελα να ευχαριστήσω ιδιαίτερα τον Αναπληρωτή Καθηγητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Υπολογιστών κ. Χρήστο Μαδεμλή που μου έδωσε την ευκαιρία να ασχοληθώ με το παρόν θέμα. Τα μαθήματά του, τόσο σε επιστημονικό, όσο και σε προσωπικό επίπεδο είμαι σίγουρος ότι είναι εφόδια που θα μου φανούν πολύ χρήσιμα στη μετέπειτα σταδιοδρομία μου. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον Διδάκτορα του Τμήματος κ. Αθανάσιο Μεσεμανώλη και τον Υποψήφιο Διδάκτορα κ. Νεκτάριο Καρακάση για την επίβλεψη και καθοδήγησή τους κατά την εκπόνηση της διπλωματικής, καθώς και τους Υποψήφιους Διδάκτορες κ.κ. Ευάγγελο Τσιούμα και Νικόλαο Ζαμπούρ για τη βοήθεια που μου παρείχαν όποτε χρειάστηκε στην πορεία. Ένα μεγάλο ευχαριστώ στους συμφοιτητές και συνεργάτες μου στη φοιτητική ομάδα Aristurtle που μοιραστήκαμε μαζί το όνειρο της δημιουργίας μιας ομάδας που θα κατασκεύαζε ένα Ηλεκτρικό Μονοθέσιο για λογαριασμό του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης, απ όπου προέκυψε εν τέλει το παρόν πόνημα. Τέλος, οφείλω το πιο μεγάλο «ευχαριστώ» στην οικογένειά μου και σε όλους όσοι, καθ όλη τη διάρκεια της εκπόνησης της εργασίας, είχαν χωρίς αντάλλαγμα ανοιχτές τις πόρτες τους όποτε χρειάστηκε. Χωρίς αυτούς η ολοκλήρωσή της θα ήταν αδύνατη. iii

5 Περίληψη Ο σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη, προσομοίωση και κατασκευή ενός Συστήματος Διαχείρισης Μπαταριών (Battery Management System BMS), ικανού να λειτουργήσει για μια συστάδα 12 μπαταριών Λιθίου Πολυμερούς. Συγκεκριμένα, έπειτα από διερεύνηση μεταξύ των διαθέσιμων μεθόδων εξισορρόπησης επιλέχθηκε αυτή της Ενεργού Εξισορρόπησης με τη χρήση Flyback μετασχηματιστών. Το σύστημα αρχικά προσομοιώθηκε προκειμένου να δούμε τη συμπεριφορά του και στη συνέχεια σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε σε PCB. Στο 1 ο κεφάλαιο γίνεται μια περιγραφή των διαφόρων τεχνολογιών μπαταρίας. Γίνεται ένας διαχωρισμός σε πρωτεύουσες και δευτερεύουσες και παρουσιάζεται η επιλεχθείσα τεχνολογία και οι λόγοι για τους οποίους επιλέχθηκε. Στο 2 ο κεφάλαιο αναλύονται οι διάφορες μέθοδοι Διαχείρισης Μεγάλων Συστάδων Μπαταριών και τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα καθεμιάς. Στο 3 ο κεφάλαιο περιγράφεται το σύστημά μας και η προσομοίωση αυτού σε πρόγραμμα Matlab/Simulink, όπου φαίνονται κάποιες κυματομορφές με τις τάσεις των κελιών και πώς αυτές διαμορφώνονται με τη σύνδεση του BMS πάνω σε αυτά. Πραγματοποιήθηκαν προσομοιώσεις αρχικά με Ωμικό Φορτίο και στη συνέχεια με έναν DC Κινητήρα Μόνιμου Μαγνήτη. Το 4 ο κεφάλαιο περιλαμβάνει το σχεδιασμό της πλακέτας στο λογισμικό Altium Designer, ο οποίος βασίζεται στα ολοκληρωμένα LTC και LTC της εταιρίας Linear Technology. Φαίνονται τα σχέδια του PCB, καθώς και η πορεία κατασκευής της πλακέτας. Τέλος, στο 5 ο κεφάλαιο αναπτύσσονται τα συμπεράσματα που προέκυψαν από την εκπόνηση της παρούσας διπλωματικής εργασίας, καθώς και προτάσεις για περαιτέρω έρευνα και συνέχισή της. iv

6 Abstract The purpose of this diploma thesis is the study, simulation and construction of a Battery Management System (BMS), capable of operating with a stack of 12 Lithium Polymer batteries. Specifically, after research among the available balancing methods, Active Balancing with Flyback Transformers was chosen. The system was initially simulated in order to see its behavior and was designed and manufactured afterwards. In the 1 st chapter, different battery technologies are described and their separation in 2 categories: primary and secondary. It presents which one we use for our application and why. In the 2 nd chapter, different BMS methods are described, as well as each method s advantages and disadvantages. Chapter 3 describes the simulation of the system developed in Matlab/Simulink, where several Voltage and SOC waveforms are shown and how they are modulated with the BMS on it. At first, we simulated our system with a Resistance as Load and then with a Permanent Magnet DC motor with constant torque. The 4 th chapter includes the designing procedure of the PCB board using Altium Designer, which is based on Integrated Circuits LTC and LTC of Linear Technology Company. The PCB schematics are shown, as well as the manufacturing procedure. Finally, Chapter 5 describes the conclusion that came up by this Diploma Thesis and suggests improvements for future research on this object. v

7 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Περίληψη... iv Abstract... v ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Εισαγωγικά για Μπαταρίες Εισαγωγή Ταξινόμηση των Κελιών Πρωτεύοντα Κελιά (Primary Cells) Δευτερεύοντα ή Επαναφορτιζόμενα Κελιά/ Μπαταρίες (Secondary or Rechargeable Cells or Batteries) Αποθεματικές Μπαταρίες (Reserve Batteries) Αρχή Λειτουργίας και Ηλεκτρικά Μεγέθη των κελιών Εκφόρτιση Φόρτιση Θεωρητική Τάση, χωρητικότητα και ενέργεια Ειδική Ενέργεια και Πυκνότητα Ενέργειας Μεγέθη εκτίμησης κατάστασης μπαταρίας Επαναφορτιζόμενες Μπαταρίες Μπαταρίες μολύβδου-οξέως Μπαταρίες νικελίου-καδμίου Μπαταρίες νικελίου-μεταλλικού υδριδίου Μπαταρίες λιθίου ιόντων Μπαταρίες λιθίου πολυμερούς Ηλεκτρικά Οχήματα και Μπαταρίες ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Συστήματα Διαχείρισης Μπαταριών Η διαχείριση μπαταριών στα Ηλεκτρικά Οχήματα vi

8 2.2. Συνδεσμολογίες Κελιών Παθητική Εξισορρόπηση (Passive Balancing) Ενεργή Εξισορρόπηση (Active Balancing) Χωρητική Μεταφορά Φορτίου (Capacitive Charge Shuttling) Εξισορρόπηση με χρήση Μετασχηματιστών (Transformer Balancing) Μετατροπείς Ενέργειας (Energy Converters) Επιλεχθείσα μέθοδος Εξισορρόπησης κελιών ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Προσομοίωση Διάταξης σε Περιβάλλον Matlab/Simulink Περιγραφή Μοντέλων Αλγόριθμος Μοντέλα με Μετασχηματιστές και MOSFETs Μοντέλα με Πηγές Ρεύματος Ωμικό φορτίο Κινητήρας σταθερής Ροπής Πλήρης εκφόρτιση κελιών ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Σχεδίαση και Κατασκευή Πλακέτας Επιλογή Υλικών Ολοκληρωμένα Κυκλώματα Integrated Circuits (ICs) Flyback Transformers Διακοπτικά στοιχεία (MOSFETs) Digital Isolators Snubber (κυκλώματα εξωτερικής προστασίας) Υπόλοιπα Εξαρτήματα Μονογραμμικό Σχέδια πλακέτας Σχηματικό vii

9 Σχεδίαση PCB Κατασκευή πλακέτας Στήσιμο πειραματικής διάταξης ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Επίλογος Συμπεράσματα Προτάσεις για βελτιώσεις ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Βιβλιογραφία ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β viii

10 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑ ΓΙΑ ΜΠΑΤΑΡΙΕΣ 1.1. Εισαγωγή Μπαταρία είναι μία συσκευή η οποία μετατρέπει τη χημική ενέργεια κατευθείαν σε ηλεκτρική μέσω μιας ηλεκτροχημικής αντίδρασης οξειδοαναγωγής. Στην περίπτωση δε των επαναφορτιζόμενων συστημάτων, η μπαταρία επαναφορτίζεται μέσω της αντιστροφής της αντίδρασης αυτής. Αυτός ο τύπος αντίδρασης έγκειται στη μεταφορά ηλεκτρονίων από ένα υλικό σε ένα άλλο μέσω ενός ηλεκτρικού κυκλώματος. Παρόλο που συνήθως χρησιμοποιείται ο όρος «μπαταρία», η βασική ηλεκτροχημική μονάδα στην οποία αναφερόμαστε είναι το «κελί» (cell). Μία μπαταρία αποτελείται από ένα ή περισσότερα από τέτοια κελιά, τα οποία είναι συνδεδεμένα σε σειρά, παράλληλα ή σε συνδυασμό αυτών, ανάλογα με την επιθυμητή τάση και χωρητικότητα. Τα μέρη από τα οποία αποτελείται ένα κελί είναι τα παρακάτω: 1. Άνοδος ή αρνητικό ηλεκτρόδιο: Παρέχει ηλεκτρόνια σε ένα εξωτερικό κύκλωμα και μπορεί να οξειδωθεί κατά τη διάρκεια της ηλεκτροχημικής αντίδρασης. 2. Κάθοδος ή θετικό ηλεκτρόδιο: Δέχεται ηλεκτρόνια από ένα εξωτερικό κύκλωμα και μειώνεται κατά τη διάρκεια της ηλεκτροχημικής αντίδρασης. 3. Ηλεκτρολύτης: Επιτρέπει τη μετακίνηση φορέων μεταξύ της ανόδου και της καθόδου μέσα σε ένα κελί. Ο ηλεκτρολύτης έχει ως επί το πλείστον υγρή μορφή, όπως για παράδειγμα νερό ή άλλους διαλύτες με διαλυμένα άλατα, οξέα ή αλκάλια ούτως ώστε να διατηρείται η ιοντική αγωγιμότητα. Ορισμένες μπαταρίες χρησιμοποιούν ηλεκτρολύτες στέρεας μορφής, οι οποίοι έχουν την ιδιότητα της ιοντικής αγωγιμότητας στη θερμοκρασία λειτουργίας του κελιού. Οι πιο συμφέροντες συνδυασμοί υλικών, όσον αφορά την άνοδο και την κάθοδο, είναι αυτοί οι οποίοι έχουν το μικρότερο βάρος και προσδίδουν στο κελί 1

11 υψηλή τάση και χωρητικότητα. Ωστόσο, τέτοιου είδους συνδυασμοί δεν είναι πάντα πρακτικοί καθώς κάποια υλικά αντιδρούν με κάποια συστατικά του κελιού. Κάποιοι άλλοι λόγοι για την αδυναμία εφαρμογής συνδυασμών υψηλής αποδοτικότητας είναι η πόλωση που μπορεί να παρουσιαστεί, δυσκολία στη διαχείριση αυτών των υλικών και το υψηλό κόστος. Προκειμένου να επιλεχθεί η άνοδος θα πρέπει να διαθέτει ορισμένες ιδιότητες. Αυτές οι ιδιότητες είναι η αποδοτικότητα ως αναγωγικό μέσο, η υψηλή κουλομπική έξοδος (Ah/g), η καλή αγωγιμότητα, η χημική ευστάθεια, η ευκολία στην παραγωγή και το χαμηλό κόστος. Στην πράξη, τα μέταλλα χρησιμοποιούνται κυρίως ως υλικά ανόδου. Το πλέον κυρίαρχο υλικό ανόδου είναι ο ψευδάργυρος καθώς διαθέτει όλες τις παραπάνω επιθυμητές ιδιότητες. Το λίθιο, το ελαφρύτερο μέταλλο, με υψηλό βαθμό ηλεκτροχημικής ισορροπίας, έχει γίνει πλέον αρκετά ελκυστικό ως υλικό ανόδου και οι συμβατοί ηλεκτρολύτες και τα σχέδια των κελιών έχουν αναπτυχθεί κατάλληλα ούτως ώστε να ελέγχεται η δραστικότητά του. Η κάθοδος πρέπει να είναι ένα αποδοτικό οξειδωτικό μέσο, να έχει σταθερότητα όταν έρχεται σε επαφή με τον ηλεκτρολύτη και να έχει ωφέλιμη τάση λειτουργίας. Το οξυγόνο μπορεί να χρησιμοποιηθεί κατευθείαν από το περιβάλλον, έτσι ώστε να εισαχθεί στο εσωτερικό του κελιού, όπως γίνεται στις μπαταρίες ψευδαργύρου/αέρα (zinc/air). Παρόλα αυτά, τα υλικά που χρησιμοποιούνται ευρύτερα ως κάθοδος είναι μεταλλικά οξείδια. Άλλα υλικά, όπως τα αλογόνα, το θείο και τα οξείδιά του, χρησιμοποιούνται σε ειδικά συστήματα μπαταριών. Ο ηλεκτρολύτης πρέπει να έχει καλή ιοντική αγωγιμότητα αλλά να μην είναι ηλεκτρικά αγώγιμος, καθώς σε τέτοια περίπτωση θα προκαλούνταν εσωτερικό βραχυκύκλωμα. Άλλα σημαντικά χαρακτηριστικά που πρέπει να διαθέτει ο ηλεκτρολύτης είναι να μην αντιδρά με τα υλικά της ανόδου και της καθόδου, η ελάχιστη δυνατή μεταβολή των ιδιοτήτων του κατά την αλλαγή θερμοκρασίας, η ασφάλεια στον χειρισμό του και το χαμηλό κόστος. Η πλειοψηφία των ηλεκτρολυτών είναι υδατικά διαλύματα, ωστόσο υπάρχουν σημαντικές εξαιρέσεις όπως για παράδειγμα στις μπαταρίες με υλικό ανόδου το λίθιο, όπου χρησιμοποιούνται τηγμένα άλατα και άλλοι μη υδατικοί ηλεκτρολύτες, έτσι ώστε να αποφευχθεί η αντίδραση της ανόδου με τον ηλεκτρολύτη. 2

12 Σε ένα κελί, η άνοδος και η κάθοδος πρέπει να είναι ηλεκτρικά απομονωμένες προκειμένου να αποφευχθεί τυχόν εσωτερικό βραχυκύκλωμα, ενώ και οι δύο περικλείονται από τον ηλεκτρολύτη. Σε ένα πραγματικό κελί, χρησιμοποιείται ένα υλικό προκειμένου να διαχωρίσει μηχανικά την άνοδο με την κάθοδο. Το υλικό διαχωρισμού, ωστόσο, είναι διαπερατό από τον ηλεκτρολύτη ούτως ώστε να διατηρείται η επιθυμητή ιοντική αγωγιμότητα. Ένα κελί μπαταρίας μπορεί να παρασκευαστεί σε διάφορα σχήματα και διαμορφώσεις (κυλινδρικά, σε σχήμα κουμπιού, επίπεδα και πρισματικά) και επομένως τα συστατικά του κελιού είναι σχεδιασμένα έτσι, ώστε να προσαρμοστούν στην εκάστοτε σχεδίαση. Τα κελιά επίσης είναι σφραγισμένα με διάφορους τρόπους, ούτως ώστε να αποφευχθούν φαινόμενα διαρροής και ξηρασίας του ηλεκτρολύτη. Κάποια κελιά είναι εφοδιασμένα με μέσα εξαερισμού έτσι ώστε να επιτρέπεται η διαφυγή συσσωρευμένων αερίων. Τέλος, για να φτάσουμε στην τελική μορφή μιας μπαταρίας, χρησιμοποιούνται ειδικές θήκες, καθώς και ακροδέκτες για τη σύνδεση των κελιών Ταξινόμηση των Κελιών Τα κελιά και κατ επέκταση οι μπαταρίες διακρίνονται σε πρωτεύουσες (μη επαναφορτιζόμενες) ή δευτερεύουσες (επαναφορτιζόμενες). Η διάκριση αυτή γίνεται με βάση τη δυνατότητα που έχουν να επαναφορτίζοντα. Παράλληλα με αυτή την κύρια διάκριση χρησιμοποιούνται και άλλες ταξινομήσεις οι οποίες προσδιορίζουν συγκεκριμένες δομές ή σχέδια των μπαταριών Πρωτεύοντα Κελιά (Primary Cells) Οι μπαταρίες αυτές δεν έχουν τη δυνατότητα εύκολης ή αποτελεσματικής ηλεκτρικής επαναφόρτισης με αποτέλεσμα να εκφορτίζονται μία φορά και ύστερα να τίθενται σε αχρηστία. Τα κελιά στα οποία ο ηλεκτρολύτης περιέχεται σε κάποιο απορροφητικό ή διαχωριστικό υλικό (δηλαδή δεν υπάρχει ελεύθερος ή υγρής μορφής ηλεκτρολύτης) ονομάζονται «κελιά ξηρού τύπου». 3

13 Οι πρωτεύουσες μπαταρίες είναι μία βολική, συνήθως χαμηλού κόστους και ελαφριά πηγή «συσκευασμένης» ενέργειας. Το κύριο πλεονέκτημα των πρωτευουσών μπαταριών είναι ότι έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής κατά την αποθήκευση, μεγάλη πυκνότητα ενέργειας σε χαμηλές και μεσαίες τιμές εκφόρτισης, ελάχιστη έως μηδαμινή ανάγκη συντήρησης και ευκολία στη χρήση Δευτερεύοντα ή Επαναφορτιζόμενα Κελιά/ Μπαταρίες (Secondary or Rechargeable Cells or Batteries) Οι μπαταρίες αυτές έχουν τη δυνατότητα ηλεκτρικής επαναφόρτισης, αφού προηγηθεί η εκφόρτισή τους, περνώντας ρεύμα από μέσα τους αντίθετης φοράς από αυτό της εκφόρτισης. Πρόκειται ουσιαστικά για συσκευές αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας και είναι γνωστές επίσης ως «μπαταρίες αποθήκευσης» ή συσσωρευτές. Οι εφαρμογές κατά τις οποίες χρησιμοποιούνται δευτερεύουσες μπαταρίες μπορούν να χωριστούν σε δύο κύριες κατηγορίες: 1. Εφαρμογές όπου οι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες χρησιμοποιούνται ως συσκευές αποθήκευσης ενέργειας. Είναι ηλεκτρικά συνδεδεμένες, φορτίζονται από μία κύρια πηγή ενέργειας και μεταφέρουν την ενέργειά τους σε φορτία, ανάλογα με τη ζήτηση που υπάρχει. 2. Εφαρμογές όπου χρησιμοποιούνται και εκφορτίζονται όπως στην περίπτωση των πρωτευουσών μπαταριών. Ωστόσο, σε αντίθεση με τις πρωτεύουσες, οι δευτερεύουσες μπαταρίες επαναφορτίζονται ύστερα από κάθε χρήση αντί να αχρηστεύονται. Κύρια χαρακτηριστικά των δευτερευουσών μπαταριών (εκτός από την ιδιότητά τους να επαναφορτίζονται) είναι η υψηλή πυκνότητα ισχύος, η δυνατότητα μεγάλου βαθμού εκφόρτισης (discharge rates), οι επίπεδες χαρακτηριστικές καμπύλες εκφόρτισης και η καλές επιδόσεις τους κατά τη λειτουργία σε χαμηλές θερμοκρασίες. Η πυκνότητα ενέργειας είναι σε γενικές γραμμές μικρότερη από αυτήν των πρωτευουσών μπαταριών. Επίσης η διατήρηση του φορτίου τους είναι χαμηλότερη από αυτήν των περισσότερων πρωτευουσών μπαταριών. Παρόλα αυτά, η χωρητικότητα των δευτερευουσών μπαταριών, η οποία χάνεται κατά την αποθήκευση, μπορεί να αναπληρωθεί μέσω της επαναφόρτισής τους. 4

14 Ορισμένες μπαταρίες, γνωστές ως «μηχανικά επαναφορτιζόμενες», επαναφορτίζονται μέσω της αντικατάστασης του εκφορτισμένου ηλεκτροδίου (συνήθως της μεταλλικής ανόδου) με ένα καινούργιο Αποθεματικές Μπαταρίες (Reserve Batteries) Σε αυτόν τον τύπο μπαταριών, κάποιο από τα βασικά συστατικά τους είναι διαχωρισμένο από το υπόλοιπο της μπαταρίας, με το οποίο υπάρχει πιθανότητα να αντιδράσει. Σε αυτήν την κατάσταση, η χημική φθορά ή η αυτό-εκφόρτιση (selfdischarge) περιορίζεται σε μεγάλο βαθμό και η μπαταρία είναι ικανή να αποθηκευτεί για μεγάλες χρονικές περιόδους. Συνήθως ο ηλεκτρολύτης είναι το συστατικό το οποίο απομονώνεται από το υπόλοιπο της μπαταρίας. Σε άλλα συστήματα, όπως στις θερμικές μπαταρίες, η μπαταρία είναι ανενεργή μέχρι να θερμανθεί. Αυτό γίνεται μέσω της τήξης του στερεού ηλεκτρολύτη ο οποίος έπειτα γίνεται αγώγιμος. Οι αποθεματικές μπαταρίες χρησιμοποιούνται όταν υπάρχουν ανάγκες για υπερβολικά μεγάλη διάρκεια αποθήκευσης, είτε όταν οι συνθήκες του περιβάλλοντος είναι αντίξοες όσον αφορά την αποθήκευση. Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας, θα επικεντρωθούμε στις επαναφορτιζόμενες μπαταρίες, οι οποίες χρησιμοποιούνται αποκλειστικά μεταξύ άλλων σε εφαρμογές ηλεκτρικών οχημάτων. 5

15 1.3. Αρχή Λειτουργίας και Ηλεκτρικά Μεγέθη των κελιών Εκφόρτιση Η λειτουργία ενός κελιού κατά την εκφόρτιση φαίνεται σχηματικά στο Σχ Όταν το κελί συνδεθεί σε ένα εξωτερικό φορτίο, τότε υπάρχει διέλευση ηλεκτρονίων από την άνοδο, η οποία οξειδώνεται, μέσω του φορτίου προς την κάθοδο, η οποία υφίσταται χημική αναγωγή. Το ηλεκτρικό κύκλωμα ολοκληρώνεται με τον ηλεκτρολύτη μέσω της ροής ανιόντων (αρνητικών ιόντων) και κατιόντων (θετικών ιόντων) προς την άνοδο και την κάθοδο αντίστοιχα. Σχήμα 1-1 Εκφόρτιση κελιού 6

16 Φόρτιση Κατά την επαναφόρτιση ενός δευτερεύοντος κελιού, η ροή του ρεύματος είναι αντίστροφη και η οξείδωση λαμβάνει χώρα στο θετικό ηλεκτρόδιο ενώ η αναγωγή στο αρνητικό ηλεκτρόδιο, όπως φαίνεται στο Σχ Καθώς η άνοδος αποτελεί εξ ορισμού το ηλεκτρόδιο στο οποίο γίνεται η οξείδωση και η κάθοδος το ηλεκτρόδιο στο οποίο γίνεται η αναγωγή, το θετικό ηλεκτρόδιο τώρα θα είναι η άνοδος και το αρνητικό η κάθοδος. Σχήμα 1-2 Φόρτιση κελιού Θεωρητική Τάση, χωρητικότητα και ενέργεια Θεωρητική Τάση Το τυπικό δυναμικό ενός κελιού καθορίζεται από τον τύπο των ενεργών στοιχείων που περιέχονται στο κελί. Μπορεί να υπολογιστεί από τα δεδομένα της ελεύθερης ενέργειας ή να ληφθεί πειραματικά. Το τυπικό δυναμικό ενός κελιού μπορεί να υπολογιστεί από τα τυποποιημένα δυναμικά ηλεκτροδίων όπως φαίνεται παρακάτω: 7

17 Άνοδος (δυναμικό οξείδωσης) + κάθοδος (δυναμικό αναγωγής) = τυπικό δυναμικό κελιού Η τάση ενός κελιού εξαρτάται επίσης από άλλους παράγοντες, όπως η συγκέντρωση και η θερμοκρασία. Θεωρητική Χωρητικότητα Η θεωρητική χωρητικότητα ενός κελιού καθορίζεται από την ποσότητα των ενεργών στοιχείων στο εσωτερικό του. Εκφράζεται ως η συνολική ποσότητα ηλεκτρισμού που υφίσταται κατά την ηλεκτροχημική αντίδραση και έχει ως μονάδες τα Coulombs ή τα αμπερώρια (ampere-hours Ah). Η χωρητικότητα μιας μπαταρίας εκφρασμένη σε αμπερώρια είναι άμεσα συνδεδεμένη με την ποσότητα ηλεκτρισμού που προέρχεται από τα ενεργά στοιχεία. Θεωρητικά 1 γραμοϊσοδύναμο υλικού φέρει 96,487 C ή 26.8 Ah (ένα γραμοϊσοδύναμο είναι το ατομικό ή μοριακό βάρος ενός υλικού σε γραμμάρια διαιρεμένο με τον αριθμό ηλεκτρονίων που εμπλέκονται στην αντίδραση). Η θεωρητική χωρητικότητα ενός κελιού, η οποία βασίζεται εξ ολοκλήρου στα ενεργά υλικά τα οποία συμμετέχουν στην ηλεκτροχημική διαδικασία, υπολογίζεται από το ισοδύναμο βάρος των αντιδρώντων. Ομοίως, η χωρητικότητα εκφρασμένη σε αμπερώρια (ampere-hour capacity) μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τα κατάλληλα δεδομένα που αφορούν τα αμπερώρια ανά κυβικό εκατοστό (Ah/cm 3 ). Θεωρητική Ενέργεια Η χωρητικότητα ενός κελιού μπορεί να εκτιμηθεί και από την ενέργειά του, λαμβάνοντας με αυτόν τον τρόπο υπόψη την τάση και την ποσότητα ηλεκτρικού φορτίου. Η θεωρητική τιμή της χωρητικότητας είναι και η μέγιστη τιμή που μπορεί να μεταφερθεί από ένα ηλεκτροχημικό σύστημα. Η τιμή αυτή υπολογίζεται ως: Watthour (Wh) = Voltage (V) x Ampere hour(ah) 8

18 Ειδική Ενέργεια και Πυκνότητα Ενέργειας Συνοπτικά, η μέγιστη ενέργεια που μεταφέρεται από ένα ηλεκτροχημικό σύστημα εξαρτάται από το είδος (καθορίζει την τάση) και την ποσότητα (καθορίζει την χωρητικότητα) των ενεργών στοιχείων που χρησιμοποιούνται. Στην πραγματικότητα ωστόσο, ένα κελί μπορεί να διαθέτει μόνο ένα μέρος της θεωρητικής ενέργειας του. Αυτό συμβαίνει λόγω του ηλεκτρολύτη και των μη αντιδρώντων συστατικών που προστίθενται στο βάρος και τον όγκο της μπαταρίας. Ένας άλλος παράγοντας που συμβάλλει σε αυτό είναι ότι η μπαταρία δεν εκφορτίζεται στη θεωρητική της τάση (με αυτόν τον τρόπο μειώνεται η τιμή της μέσης τάσης), ούτε εκφορτίζεται έως ότου φτάσει τα 0 V (με αυτόν τον τρόπο μειώνονται τα αμπερώρια). Επιπλέον, τα ενεργά στοιχεία σε μία πραγματική μπαταρία συνήθως δε διαθέτουν στοιχειομετρική ισορροπία. Αυτό προκαλεί μείωση της ειδικής ενέργειας καθώς χρησιμοποιείται περισσότερη ποσότητα ενεργών υλικών από αυτή που πραγματικά είναι απαραίτητη. Η ειδική ενέργεια μετριέται σε Wh/kg, ενώ ένα άλλο μέγεθος εξίσου χρήσιμο είναι η πυκνότητα ενέργειας, που μετριέται σε Wh/L. Στο Σχ. 1-3 παρουσιάζεται το γράφημα ειδικής ενέργειας και πυκνότητας ενέργειας για τους πιο διαδεδομένους τύπους επαναφορτιζόμενων μπαταριών. Σχήμα 1-3 Σύγκριση ικανότητας αποθήκευσης ενέργειας επαναφορτιζόμενων μπαταριών 9

19 Μεγέθη εκτίμησης κατάστασης μπαταρίας Κατά τη διάρκεια χρήσης μιας μπαταρίας ή ενός κελιού, είναι πολύ σημαντικό να γνωρίζουμε κάποια χαρακτηριστικά της, τα οποίο περιγράφουν και τις δυνατότητές της κάθε δεδομένη στιγμή. Παρακάτω καταγράφονται μερικά από τα πιο σημαντικά μεγέθη που χρησιμοποιούνται για την περιγραφή μιας μπαταρίας. Κατάσταση φόρτισης (State of Charge SOC): Περιγράφει σε ποσοστό επί τοις εκατό τη χωρητικότητα που έχει μια μπαταρία κάθε δεδομένη στιγμή. Μία πλήρως φορτισμένη μπαταρία έχει θεωρητικά 100% SOC, ενώ όταν είναι πλήρως αφόρτιστη έχει 0%. Ο τρόπος ακριβούς υπολογισμού του SOC μιας μπαταρίας αποτελεί ένα από τα πιο σημαντικά πεδία έρευνας στον τομέα των μπαταριών και υπάρχουν διάφορες τεχνικές που ακολουθούνται, ανάλογα με τα μέσα που διατίθενται κάθε φορά. Κατάσταση υγείας (State of Health SOH): Είναι ένας αριθμός που περιγράφει την κατάσταση της μπαταρίας, σε σύγκριση με τις ιδανικές της συνθήκες. Θεωρητικά, μόλις ολοκληρωθεί η κατασκευή μιας μπαταρίας, αυτή θα έχει SOH ίσο με 100%. Αυτό ωστόσο δεν είναι πάντοτε δεδομένο. Το SOH δεν ανταποκρίνεται σε κάποια δεδομένη φυσική ποσότητα, επομένως για την περιγραφή του χρησιμοποιούνται διάφορα μεγέθη, όπως η εσωτερική αντίσταση της μπαταρίας, η χωρητικότητά της, η τάση, η αυτοεκφόρτιση, η δυνατότητα αποδοχής φορτίου και ο αριθμός κύκλων φόρτισης/εκφόρτισης. Στις περισσότερες μελέτες, ο ορισμός του SOH προκύπτει από το λόγο της πραγματικής χωρητικότητας μια δεδομένη στιγμή προς την ονομαστική. Ρυθμός Εκφόρτισης (Discharge Rate DR): Λέγεται και C Rate, και χρησιμοποιείται για να δείξει το ρεύμα με το οποίο εκφορτίζεται ένα κελί, συναρτήσει των ονομαστικών του χαρακτηριστικών. Για παράδειγμα, όταν μια μπαταρία με Θεωρητική Χωρητικότητα 5Ah εκφορτίζεται με 1 C, αυτό σημαίνει ότι για πλήρη εκφόρτιση θα χρειαστεί να τροφοδοτεί φορτίο με 5 A για μία ώρα. Βάθος εκφόρτισης (Depth of Discharge DOD): Πρόκειται για το συμπληρωματικό μέγεθος του SOC: καθώς το ένα αυξάνεται, το άλλο 10

20 μειώνεται. Με άλλα λόγια είναι το ποσοστό της χωρητικότητας που έχει αφαιρεθεί από την πλήρως φορτισμένη μπαταρία. Η χρησιμότητά του φαίνεται στην περίπτωση όπου μια μπαταρία μπορεί να βρεθεί με χωρητικότητα μεγαλύτερη της ονομαστικής της. Εκεί, το DOD μπορεί να πάρει τιμές μεγαλύτερες του 100%, κάτι που δεν είναι εφικτό για το SOC. Αυτό σημαίνει ότι η μπαταρία μπορεί να παράγει περισσότερο από το 100% της ονομαστική της χωρητικότητας σε ρυθμούς εκφόρτισης χαμηλότερους από τον ονομαστικό ρυθμό εκφόρτισης Επαναφορτιζόμενες Μπαταρίες Οι δευτερεύουσες μπαταρίες χρησιμοποιούνται ευρέως σε πολλές εφαρμογές. Μερικές από αυτές είναι: Στην αυτοκίνηση, σε βιομηχανικό εξοπλισμό και εργαλεία, καθώς και για ανάγκες εφεδρικής ισχύος. Μικρές επαναφορτιζόμενες μπαταρίες συναντώνται συχνά σε διάφορες φορητές ηλεκτρονικές συσκευές, όπως εργαλεία, παιχνίδια, κινητά τηλέφωνα, συσκευές tablet κλπ. Τέλος, με την ανάπτυξη ηλεκτρικών και υβριδικών αυτοκινήτων τα τελευταία χρόνια, οι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες βρίσκονται στο επίκεντρο της έρευνας, προκειμένου να βελτιωθούν οι επιδόσεις τους. Γενικά, οι κατηγορίες στις οποίες θα μπορούσαν να ταξινομηθούν οι εφαρμογές όπου χρησιμοποιούνται δευτερεύουσες μπαταρίες είναι οι παρακάτω: Οι εφαρμογές στις οποίες η μπαταρία έχει το ρόλο συσκευής αποθήκευσης ενέργειας, η οποία φορτίζεται από μια κύρια πηγή ενέργειας και τροφοδοτεί το φορτίο όποτε ζητηθεί, όταν η κύρια πηγή δεν είναι διαθέσιμη ή δεν είναι επαρκής για να καλύψει τη ζήτηση. Αυτό συναντάται σε συστήματα αεροσκαφών, σε συστήματα αδιάλειπτης παροχής ενέργειας (UPS) και σε πηγές εφεδρικής ισχύος. Οι εφαρμογές στις οποίες η μπαταρία εκφορτίζεται και μετά τη χρήση της επαναφορτίζεται, είτε πάνω στον εξοπλισμό στον οποίο χρησιμοποιείται, είτε αποσπώντας την από αυτόν. Σε αυτήν την περίπτωση, τα πλεονεκτήματα είναι η άνεση χρήσης, η εξάντληση της ισχύος που δεν μπορεί να παρέχει μια 11

21 πρωτεύουσα μπαταρία, καθώς και οικονομικοί λόγοι. Οι περισσότερες ηλεκτρονικές συσκευές, τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα, τα βιομηχανικά οχήματα και κάποιες εφαρμογές που απαιτούν ακίνητες μονάδες μπαταριών εμπίπτουν σε αυτή την κατηγορία. Οι δευτερεύουσες μπαταρίες, όπως οι μπαταρίες Λιθίου Ιόντων, χαρακτηρίζονται από την υψηλή πυκνότητα ενέργειας, τη διατήρηση του φορτίου τους και άλλα χαρακτηριστικά που ενισχύονται από τη χρήση υλικών υψηλής ενέργειας. Η πυκνότητα ισχύος μπορεί να επηρεαστεί δυσμενώς εξαιτίας της χρήσης απρωτικών διαλυτών στον ηλεκτρολύτη, οι οποίοι έχουν μικρότερη αγωγιμότητα από τον υδατώδη ηλεκτρολύτη. Αυτό αντισταθμίζεται με τη χρήση ηλεκτροδίων με μεγάλη επιφάνεια. Στο Σχ. 1-4 φαίνεται η βελτίωση της πυκνότητας ενέργειας και της ειδικής ενέργειας των δευτερευουσών μπαταριών με το πέρασμα των χρόνων. Σχήμα 1-4 Διαχρονική βελτίωση ειδικής ενέργειας και πυκνότητας ενέργειας δευτερευουσών μπαταριών 12

22 Οι τεχνολογίες βιομηχανικώς παραγόμενων μπαταριών οι οποίες συγκεντρώνουν τις περισσότερες ελπίδες επιτυχούς χρήσεως σε ηλεκτροκίνητα οχήματα είναι οι παρακάτω: Μπαταρίες μολύβδου-οξέως Μπαταρίες νικελίου-καδμίου Μπαταρίες νικελίου-μεταλλικού υδριδίου Μπαταρίες λιθίου-ιόντων Μπαταρίες λιθίου-πολυμερούς Κάθε τύπος από τους παραπάνω έχει τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά του. Προκειμένου λοιπόν σε κάθε εφαρμογή να γίνει η σωστή επιλογή γίνεται μια ανάλυση αυτών Μπαταρίες μολύβδου-οξέως Οι μπαταρίες μολύβδου-οξέως (Lead-acid) αποτελούν μια ώριμη τεχνολογία. Είναι ένας από τους παλαιότερους τύπους ο οποίος έχει δοκιμαστεί και παρουσιάζει μεγάλη ανθεκτικότητα. Επιπλέον, η πρόσβαση σε μόλυβδο και η κατασκευή αυτής της κατηγορίας συσσωρευτών είναι εύκολη. Παρόλο που το κόστος της είναι χαμηλό, έχει αρκετά μειονεκτήματα. Ενδεικτικό μειονέκτημα είναι η μικρή συγκέντρωση ενέργειας η οποία βρίσκεται σε επίπεδα 30-40Wh/kg. Όσον αφορά το ρυθμό αυτοεκφόρτισης, η τιμή του είναι υψηλή και μπορεί να φτάσει μέχρι και 20%. Η υψηλή αυτοεκφόρτιση οφείλεται στο γεγονός ότι η χημική τους σύνθεση είναι ασταθής. Έχουν χαμηλές επιδόσεις σε χαμηλές θερμοκρασίες και εκπέμπουν οξυγόνο, υδρογόνο και θείο κατά τη φόρτισή τους. Αυτό σημαίνει ότι παρουσιάζουν μεγάλη τοξικότητα. Για το λόγο αυτό πρέπει να δίνεται ιδιαίτερη προσοχή κατά την αντικατάστασή τους, διότι ο μόλυβδος είναι επικίνδυνος για το περιβάλλον και τον άνθρωπο. Υπάρχει, επίσης, πιθανότητα διαρροής του ηλεκτρολύτη στην περίπτωση που η μπαταρία αναποδογυρίσει και το κέλυφός της δεν είναι ερμητικά κλειστό. Όπως είναι φυσικό, τα παραπάνω ελαττώματα περιορίζουν την αυτονομία κίνησης. Λόγω των μειονεκτημάτων τους, είναι κατάλληλες για οχήματα τα οποία 13

23 καλούνται να διανύσουν μικρές αποστάσεις. Επιπλέον, οι συσσωρευτές μολύβδουοξέως πρέπει να προστατεύονται από ακραίες χαμηλές θερμοκρασίες, ιδιαίτερα όταν έχουν χαμηλή στάθμη φόρτισης Μπαταρίες νικελίου-καδμίου Βελτιώσεις ως προς την πυκνότητα ενέργειας επήλθαν με τους συσσωρευτές νικελίουκαδμίου. Η συγκέντρωση ενέργειάς τους κυμαίνεται μεταξύ 40-60Wh/kg. Έχουν τη δυνατότητα να λειτουργούν σε χαμηλές θερμοκρασίες. Σημαντικό, επίσης, είναι ότι έχουν μεγάλους κύκλους ζωής, αξιοπιστία και ότι δεν έχουν απαιτήσεις σε συντήρηση. Το προφίλ φόρτισής τους εξαρτάται από τον τρόπο κατασκευή τους. Η ασφαλής λειτουργία τους είναι εξασφαλισμένη για θερμοκρασίες μεταξύ -20 ο C και 45 ο C. Στα πλεονεκτήματα αυτής της ομάδας συσσωρευτών συγκαταλέγεται το ιδιαίτερα υψηλό βάθος εκφόρτισης το οποίο ανέρχεται σε 70-90%. Σε αντιδιαστολή με τις μπαταρίες μολύβδου-οξέως, οι συσσωρευτές νικελίου-καδμίου παρουσιάζουν το πλεονέκτημα ότι μπορούν να μείνουν αχρησιμοποίητοι σε οποιαδήποτε στάθμη φόρτισης για μεγάλες χρονικές περιόδους χωρίς να υπάρχει ο κίνδυνος να υποστούν βλάβες. Όπως οι μπαταρίες μολύβδου-οξέως, έτσι και οι νικελίου-καδμίου είναι τοξικές. Σε αυτό οφείλεται το κάδμιο που περιέχουν. Για το λόγο αυτό απαιτείται ιδιαίτερη προσοχή κατά την αντικατάστασή τους. Επίσης, λόγω του γεγονότος ότι το κάδμιο είναι δυσεύρετο υλικό, η κατασκευή των κελιών τους είναι ακριβή. Επομένως το κόστος των κελιών τους πολλαπλασιάζεται και ξεπερνά κατά πολύ αυτό των μπαταριών μολύβδου-οξέως. Στο σημείο αυτό, αξίζει να υπογραμμιστεί ότι αυτή η κατηγορία μπαταριών παρουσιάζει το φαινόμενο «μνήμης». Αυτό συνεπάγεται προσωρινή μείωση της χωρητικότητας των μπαταριών Μπαταρίες νικελίου-μεταλλικού υδριδίου Αποτελούν βελτίωση των κυψελών νικελίου-καδμίου, διότι το κάδμιο αντικαθίσταται με υδρογόνο απορροφημένο από ένα κράμα μετάλλου. Αυτό συνεπάγεται ότι οι μπαταρίες αυτές είναι πιο φιλικές προς το περιβάλλον και ότι έχουν μεγαλύτερη 14

24 χωρητικότητα. H πυκνότητα που έχουν σε ενέργεια κινείται σε επίπεδα Wh/kg. Σημαντικό πλεονέκτημά τους είναι το γεγονός ότι έχουν πάνω από 1000 κύκλους ζωής. Είναι κατάλληλες για περιπτώσεις όπου κριτήριο είναι το κόστος. Στα μειονεκτήματά τους συγκαταλέγονται ο χαμηλός βαθμός απόδοσης, η υψηλή αυτοεκφόρτιση (περίπου 5% ανά ημέρα) και ο πολύπλοκος κύκλος φόρτισης. Τέλος, χαρακτηριστική είναι η ευαισθησία τους σε υπερφορτίσεις Μπαταρίες λιθίου ιόντων Τα ηλεκτροχημικά στοιχεία των ηλεκτροδίων στις μπαταρίες Li-ion είναι τα μεταλλικά οξείδια (συνήθως λιθίου) για το θετικό ηλεκτρόδιο και ο άνθρακας για το αρνητικό ηλεκτρόδιο. Το θετικό και το αρνητικό ηλεκτρόδιο είναι ηλεκτρικά απομονωμένα μέσω πορώδους διαχωριστικού φύλλου πολυαιθυλενίου ή πολυπροπυλενίου στις μπαταρίες που διαθέτουν υγρό ηλεκτρολύτη, μέσω ενός διαχωριστικού φύλλου πολυμερούς ηλεκτρολύτη σε μορφή gel στις μπαταρίες gel-polymer και τέλος μέσω ενός φύλλου στερεού ηλεκτρολύτη στις μπαταρίες στερεάς κατάστασης. Πρόκειται για μπαταρίες με αρκετά υψηλή πυκνότητα ενέργειας, που μπορεί να ανέρχεται σε 160 Wh/kg, γεγονός που τις καθιστά ιδιαίτερα ελκυστικές για εφαρμογές όπου απαιτείται χαμηλό βάρος ή όγκος. Παρέχουν χαμηλό ποσοστό αυτοεκφόρτισης (περίπου 2 με 8% το μήνα), πάνω από 1000 κύκλους εκφόρτισης και ένα αρκετά μεγάλο εύρος θερμοκρασιών όπου μπορούν να λειτουργήσουν (-40οC έως 65οC). Επιπλέον, σημαντικό πλεονέκτημά τους έναντι των μπαταριών νικελίου-καδμίου και νικελίουμεταλλικού υδριδίου είναι το εύρος τάσης που μπορεί να λειτουργήσει ένα κελί, το οποίο ανέρχεται σε 2,5 έως 4,2 V. Αυτό σημαίνει ότι για μια δεδομένη απαιτούμενη τάση θα χρειαστούν λιγότερα κελιά. Σχετικά με τα μειονεκτήματά τους, αναφέρεται το γεγονός ότι δεν πρέπει να εκφορτίζονται κάτω από τα 2 V καθότι αυτό μπορεί να τις καταστρέψει καθώς και ότι υπερφόρτισή τους μπορεί να προκαλέσει τρύπημά τους, μιας και δεν έχουν χημικό μηχανισμό να διαχειριστεί την υπερφόρτιση αυτή, σε αντίθεση με τις υδατικές χημείες κελιών. Η προστασία των κελιών λιθίου ιόντων από υπερφορτίσεις και υψηλές θερμοκρασίες γίνεται συνήθως με χρήση κυκλωμάτων προστασίας και συσκευών μηχανικής αποσύνδεσης. Τέλος, ένα άλλο μειονέκτημα των κελιών λιθίου ιόντων είναι 15

25 ότι η έκθεση και λειτουργία τους σε αυξημένες θερμοκρασίες μπορεί να προκαλέσει μόνιμη μείωση της χωρητικότητάς τους Μπαταρίες λιθίου πολυμερούς Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου πολυμερούς (LiPO) παρουσιάζουν χαρακτηριστικά επίδοσης αντίστοιχα με αυτά των Li-ion, όπως για παράδειγμα η υψηλή πυκνότητα ενέργειας και η ειδική ενέργεια. Πρόκειται για μια τεχνολογία η οποία εξυπηρετεί εφαρμογές σε συγκεκριμένες ανάγκες φορητών επικοινωνιών και υπολογιστικών συσκευών, οι οποίες απαιτούν επαναφορτιζόμενες μπαταρίες μικρού πάχους. Μία ιδιαίτερα ελκυστική ιδιότητα των μπαταριών LiPO είναι ότι έχουν μεγάλη αντοχή σε φυσική καταπόνηση. Σύμφωνα με κατασκευαστές, ακόμα και όταν είναι φορτισμένες ή υπερφορτισμένες, μπορούν να υποστούν μηχανικό τρύπημα χωρίς να εκδηλώσουν έκρηξη ή φωτιά. Στα κελιά LiPO, χρησιμοποιούνται επίπεδα, συνδεδεμένα μεταξύ τους ηλεκτρόδια προκειμένου να είναι εφικτή η παραγωγή λεπτών κελιών, τα οποία είναι συσκευασμένα μεταξύ τους σε μία ταινία, σε αντίθεση με τις μεταλλικές ή αλουμινένιες θήκες κελιών των συσσωρευτών Li-ion. Αυτή η δομή κατασκευής παρουσιάζεται στο Σχ Οι τρέχουσες υλοποιήσεις LiPO κελιών πετυχαίνουν τιμές ειδικής ενέργειας και πυκνότητας ενέργειας οι οποίες είναι υψηλότερες από αυτές που έχουν καταγραφεί για μπαταρίες Li-ion υγρού ηλεκτρολύτη. Εφόσον η ηλεκτροχημεία, καθώς και ο όγκος και το βάρος διαφόρων συστατικών σε αυτές τις δύο τεχνολογίες είναι παρόμοια, το κέρδος αυτό μπορεί να οδηγήσει σε ελαφρύτερη και πιο λεπτή «συσκευασία» υλικών Σχήμα 1-5 Σχηματικό διάγραμμα κατασκευής ενός κελιού Λιθίου Πολυμερούς 16

26 που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε επίπεδες μπαταρίες. Έτσι, θα λέγαμε ότι με τις μπαταρίες LiPO επιτυγχάνεται καλύτερη αξιοποίηση του χώρου Ηλεκτρικά Οχήματα και Μπαταρίες Στα σημερινά Ηλεκτρικά Οχήματα η επιλογή του τύπου μπαταρίας θεωρείται καθοριστικής σημασίας για τον ηλεκτρικό αλλά και τον μηχανολογικό σχεδιασμό του. Η συνολική τάση του battery pack σε συνδυασμό με τις προδιαγραφές που θα τεθούν για την αυτονομία του Οχήματος θα διαστασιολογήσουν εν τέλει τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του συστήματος Υψηλής Τάσης, το οποίο αποτελείται από το κουτί των μπαταριών, τους μετατροπείς ενέργειας (DC-DC μετατροπέας και DC-AC αντιστροφέας) και τους κινητήρες, όπως φαίνεται στο Σχ Σχετικά με το μηχανολογικό σχεδιασμό, με δεδομένο ότι το κουτί των μπαταριών είναι συνήθως το πιο βαρύ κομμάτι του αυτοκινήτου, από εργονομικής άποψης η χωροθέτησή του θα παίξει σημαντικό ρόλο στον υπολογισμό του κέντρου βάρους του αυτοκινήτου και κατ επέκταση στο σχεδιασμό των αναρτήσεών του. Οι μπαταρίες μολύβδου-οξέως είναι οι φτηνότερες και αρχικά ήταν οι πιο κοινές μπαταρίες στην αυτοκίνηση. Ωστόσο, το γεγονός ότι έχουν μικρότερο χρόνο ζωής από το ίδιο το αυτοκίνητο (μπορεί να χρειάζονται αντικατάσταση κάθε 3 χρόνια) τις καθιστά μη πρακτικές. Επίσης, λόγω της χαμηλής πυκνότητας ενέργειας, καταναλώνουν σημαντικό όγκο στο αυτοκίνητο και αποτελούν το 25-50% του συνολικού βάρους του. Οι μπαταρίες νικελίου-μεταλλικού υδριδίου θεωρούνται σχετικά εξελιγμένης τεχνολογίας. Παρόλο που έχουν το 60-70% της απόδοσης των μπαταριών μολύβδουοξέως, έχουν αρκετά μεγαλύτερη πυκνότητα ενέργειας, γεγονός που τις καθιστά μια αρκετά καλή εναλλακτική λύση σε υβριδικά οχήματα, μιας και έχουν χαμηλό κόστος. Ωστόσο, η απόδοσή τους φθίνει σημαντικά σε χαμηλές θερμοκρασίες κι έτσι δεν προτείνεται η χρήση τους σε οχήματα που βρίσκονται σε περιοχές με ψυχρό κλίμα. Οι μπαταρίες λιθίου-ιόντων και λιθίου-πολυμερούς ενώ μέχρι πρότινος ήταν ευρέως γνωστές για τη χρήση τους σε μικροηλεκτρονικές συσκευές, η επικράτησή τους έχει πλέον επεκταθεί και στα Ηλεκτρικά Οχήματα, λόγω της μεγάλης πυκνότητας ενέργειας 17

27 που έχουν. Η τεχνολογία αυτών των μπαταριών βρίσκεται σε συνεχή εξέλιξη τα τελευταία χρόνια, γεγονός που έχει επιφέρει και σημαντική μείωση στην τιμή τους. Συγκεκριμένα, για το 2016, το κόστος τους υπολογίζεται στα 145$/kWh, τιμή που είναι μειωμένη κατά 65% από το 2010, σε μια προσπάθεια να γίνει το Ηλεκτρικό Όχημα εξίσου οικονομικά προσιτό με τα συμβατικά οχήματα. Σχήμα 1-6 Σύστημα Υψηλής Τάσης Ηλεκτρικού Οχήματος 18

28 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ ΜΠΑΤΑΡΙΩΝ 2.1. Η διαχείριση μπαταριών στα Ηλεκτρικά Οχήματα Στις μέρες μας, τα ηλεκτροκίνητα οχήματα (Electric Vehicles EVs) και τα υβριδικά οχήματα (Hybrid Electric Vehicles HEVs) έχουν αρχίσει να παίζουν όλο και πιο σημαντικό ρόλο στην αγορά των αυτοκινήτων, σε μια προσπάθεια των αυτοκινητοβιομηχανιών να στραφούν σε περιβαλλοντικά φιλικότερες λύσεις. Η τεράστια μόλυνση που υφίστανται τα αστικά κέντρα προέρχεται σε μεγάλο βαθμό από τη χρήση οχημάτων με μηχανές εσωτερικής καύσης. Έχει πλέον γίνει σαφές ότι τα συμβατικά αυτοκίνητα δεν αποτελούν τη βέλτιστη επιλογή για τη μετακίνηση εντός των ορίων μιας πόλης. Χρησιμοποιώντας ως καύσιμα παράγωγα του πετρελαίου, όπως για παράδειγμα τη βενζίνη και το πετρέλαιο, τα οχήματα αυτά ρυπαίνουν την ατμόσφαιρα με ουσίες όπως το μονοξείδιο του άνθρακα (CO), το διοξείδιο του άνθρακα (CO2), το διοξείδιο του θείου (SO2), κ.ά. Οι ουσίες αυτές είναι επικίνδυνες τόσο για την υγεία του ανθρώπου όσο και για περιβάλλον οδηγώντας στο φαινόμενο του θερμοκηπίου. Παρόλο που έχουν παρατηρηθεί σημαντικές προσπάθειες προς την κατεύθυνση της βελτίωσης της τεχνολογίας των συμβατικών οχημάτων (για παράδειγμα χρήση καταλυτικών οχημάτων), δεν επαρκούν για τη δραστική βελτίωση της επιβεβαρυμμένης αυτής κατάστασης. Επίσης, ένας άλλος λόγος για τη στροφή προς την ηλεκτροκίνηση είναι το δεδομένο ότι ο βαθμός απόδοσης ενός ηλεκτροκινητήρα βρίσκεται κοντά στο 85-90% ή και περισσότερο, ενώ ο αντίστοιχος βαθμός για τους κινητήρες εσωτερικής καύσεως κυμαίνεται σε επίπεδα της τάξης του 30-35%. Με τη ραγδαία ανάπτυξη των τεχνολογιών που αφορούν τα ηλεκτροκίνητα η μπαταρία έχει αναδειχθεί ως η πιο διακεκριμένη συσκευή αποθήκευσης ενέργειας, με την ανάπτυξη και την εξέλιξή της να συγκεντρώνει μεγάλο ενδιαφέρον. 19

29 Σε μια εφαρμογή όπως το ηλεκτρικό αυτοκίνητο όπου χρησιμοποιούνται πολλές μπαταρίες είναι σχεδόν βέβαιο ότι δε θα έχουν όλες τους ίδια ηλικία, κύκλους εκφόρτισης, όπως επίσης και ότι θα θερμαίνονται διαφορετικά μεταξύ τους. Όλες αυτές οι παράμετροι προκαλούν ανομοιομορφία στον τρόπο εκφόρτισης των κελιών και κατ' επέκταση μειώνουν τη διάρκεια ζωής τους. Επίσης, είναι κρίσιμο να έχουμε διαρκή επίβλεψη της τάσης κάθε κελιού για ασφάλεια, καθώς μια υπερφόρτιση μπορεί να προκαλέσει έκρηξη, ενώ αντίστοιχα μια αποφόρτιση σε σημείο κάτω από το κρίσιμο κατώφλι μπορεί να επιφέρει την καταστροφή του. Για όλους τους παραπάνω λόγους, ένα σύστημα το οποίο θα μπορεί να διαβάζει και να επεξεργάζεται κάποια από τα παραπάνω δεδομένα με σκοπό την καλύτερη δυνατή εκμετάλλευση του battery pack κρίνεται αναγκαία. Το σύστημα αυτό καλείται Σύστημα Διαχείρισης Μπαταριών (Battery Management System BMS) και χρησιμοποιείται ευρέως σε ηλεκτρικά οχήματα και σε έξυπνα δίκτυα (Smart Grids). Η αποτελεσματικότητα ενός Συστήματος Διαχείρισης Μπαταριών είναι κρίσιμη για την εύρυθμη λειτουργία και την ασφάλεια ενός Ηλεκτρικού Οχήματος και γι αυτό πρέπει να δοθεί ιδιαίτερη προσοχή στη σωστή καταμέτρηση των δεδομένων. Οι πιο σημαντικές μεταβλητές που πρέπει να γνωρίζουμε ανά πάσα στιγμή είναι οι τάσεις των κελιών και οι θερμοκρασίες τους. Ο οδηγός πρέπει να μπορεί να είναι ανά πάσα στιγμή ενήμερος για τις τιμές των μεταβλητών αυτών, επομένως ένα σύστημα Απεικόνισης (Monitoring) κρίνεται απαραίτητο. Η μεν μέτρηση των τάσεων των κελιών είναι χρήσιμη ούτως ώστε να γνωρίζει το ποσοστό της ενέργειας που έχει απομείνει στο battery pack και κατ επέκταση την απόσταση που μπορεί να διανύσει ακόμη το όχημα, ενώ η μέτρηση της θερμοκρασίας είναι σημαντική για την πρόληψη ατυχημάτων σε περίπτωση υπερθέρμανσης. Στη βιβλιογραφία υπάρχουν διάφορες μέθοδοι υλοποίησης ενός BMS. Η επιλογή της βέλτιστης μεθόδου εξαρτάται κάθε φορά από τα δεδομένα του προβλήματος ή από τις ανάγκες του συστήματος. Η κύρια κατηγοριοποίησή τους τα διαχωρίζει σε Passive Balancing και Active Balancing. Παρακάτω ακολουθεί μια περιγραφή των δύο αυτών μεθόδων, καθώς και μερικές υλοποιήσεις τους. 20

30 2.2. Συνδεσμολογίες Κελιών Σε εφαρμογές όπου χρησιμοποιούνται μεγάλες συστάδες μπαταριών, ο τρόπος συνδεσμολογίας τους καθορίζεται από τις ανάγκες που έχουμε σε τάση, ρεύμα και χωρητικότητα. Στην περίπτωση όπου απαιτείται εν σειρά αλλά και παράλληλη σύνδεση κελιών, υπάρχουν δύο ενδεδειγμένοι τρόποι. Είτε με παράλληλη σύνδεση όλων των κελιών μεταξύ τους, είτε με αρχική σύνδεση συστάδων κελιών σε σειρά (strings), οι οποίες εν συνεχεία συνδέονται μεταξύ τους παράλληλα, όπως φαίνεται στο Σχ Σχήμα 2-1 Τρόποι παραλληλισμού κελιών Μερικές φορές οι σχεδιαστές μπαταριών αποφασίζουν να χρησιμοποιήσουν τη συνδεσμολογία παράλληλων strings, ωστόσο η συγκεκριμένη συνδεσμολογία έχει αρκετά μειονεκτήματα. Αρχικά, όπως φαίνεται στο Σχ. 2-2, η συνολική χωρητικότητα της συστάδας είναι μειωμένη, λόγω του ότι κάθε string θα δίνει την χωρητικότητα του κελιού που θα έχει τη μικρότερη. Στον παραλληλισμό όλων των κελιών, ωστόσο, το ρεύμα που μπορούν να δώσουν συνολικά προκύπτει από τις χωρητικότητες των κελιών που συνδέονται παράλληλα, οι οποίες προστίθενται. Έτσι, η συνολική χωρητικότητα θα είναι πάντα μεγαλύτερη (ή ίση) από τη συνδεσμολογία όπου παραλληλίζονται τα strings. 21

31 Σχήμα 2-2 Σύγκριση παραλληλισμού κελιών και strings (Χωρητικόητα) Επίσης, σημαντικό πλεονέκτημα παρουσιάζεται στην περίπτωση όπου ένα κελί έχει αρκετά μεγαλύτερη εσωτερική αντίσταση από τα υπόλοιπα, συνήθως λόγω παλαιότητας ή για κατασκευαστικούς λόγους. Στο Σχ. 2-3 φαίνεται στα αριστερά ένα σύστημα 16 μπαταριών συνδεδεμένων σε συνδεσμολογία 4s4p. Όταν δεν είναι υπό φορτίο οι μπαταρίες η τάση όλων θα είναι ίδια και ίση με 4 V. Όταν βρίσκεται υπό τάση, οι τάση των κελιών θα πέσει στα 3,5 V. Το ίδιο θα συμβεί και για το «ελαττωματικό» κελί, καθώς η παράλληλη σύνδεσή του με τα άλλα 3 θα επιφέρει ισορροπία στις τάσεις τους. Αυτό δε θα συμβεί για την περίπτωση όπου συνδέονται παράλληλα τα strings, καθώς εκεί θα ισορροπήσει η τάση των τεσσάρων strings και όχι κάθε κελιού χωριστά. Συνεπώς, στο «ελαττωματικό» κελί σε αυτή την περίπτωση θα προκληθεί μια βαθιά πτώση τάσης στην προσπάθειά του να υποστηρίξει την τροφοδότηση του φορτίου, γεγονός που μπορεί να προκαλέσει ακόμα και την καταστροφή του. Γενικά, η παράλληλη σύνδεση κελιών αποτελεί τον βασικό πυλώνα της εξισορρόπησης των τάσεων των κελιών. Τέλος, ένα άλλο μειονέκτημα στη μέθοδο των παράλληλων strings είναι ότι για το balancing θα χρειαστεί ένα BMS board για κάθε κελί. Αντιθέτως, με τον παραλληλισμό όλων των κελιών, ένα BMS board αρκεί για κάθε παραλληλισμένη συστάδα κελιών. Για παράδειγμα σε μια συνδεσμολογία 6s3p, θα χρειαστούν 6 πλακέτες εάν παραλληλίσουμε όλα τα κελιά, ενώ αν παραλληλίζαμε τα strings θα θέλαμε

32 Σχήμα 2-3 Σύγκριση παραλληλισμού κελιών και strings (Τάση) 2.3. Παθητική Εξισορρόπηση (Passive Balancing) Η πιο απλή μέθοδος balancing είναι αυτή της Παθητικής Εξισορρόπησης (Passive Balancing). Πρόκειται ουσιαστικά για ένα σύστημα το οποίο τοποθετείται παράλληλα σε ένα κελί ή μια συστοιχία κελιών και επιτυγχάνει εξισορρόπηση των τάσεων μέσω εκφόρτισης των πιο φορτισμένων κελιών. Η εκφόρτιση αυτή γίνεται πάνω σε αντιστάσεις συνδεδεμένες παράλληλα στα κελιά με έναν διακόπτη να παρεμβάλλεται ανάμεσά τους, έτσι ώστε να ελέγχεται ο χρόνος εκφόρτισης του κάθε κελιού και ο αριθμός των κελιών που βρίσκονται σε διαδικασία εξισορρόπησης. Υπάρχουν δύο τρόποι λειτουργίας: Στον πρώτο, σε συνεχή λειτουργία, το σήμα on/off δίνεται ταυτόχρονα σε όλους τους διακόπτες. Στο δεύτερο, σε λειτουργία ανίχνευσης, οι τάσεις των κελιών μετριούνται και απεικονίζονται κι έτσι μπορεί να αποφασιστεί πιο κελί θα εκφορτίζεται κάθε φορά. Ο δεύτερος τρόπος είναι πιο αξιόπιστος από τον πρώτο. Η μέθοδος παθητικής εξισορρόπησης πραγματοποιείται μόνο στα πλέον φορτισμένα κελιά. Αυτό σημαίνει ότι δεν υπάρχει τρόπος να επιτύχει μεγαλύτερο χρόνο λειτουργίας του συστήματος κατά τη διάρκεια μιας εκφόρτισης, λόγω του ότι αυτό καθορίζεται από τα κελιά που έχουν τη λιγότερη ενέργεια. Το σημαντικότερο μειονέκτημά της είναι ωστόσο, ότι η ενέργεια που φεύγει από τα κελιά που εκφορτίζονται πηγαίνει στις αντιστάσεις, δηλαδή μετατρέπεται σε απώλειες 23

33 θερμότητας. Πρόκειται δηλαδή για μια μέθοδο με 0% απόδοση όσον αφορά την ενέργεια που εξοικονομείται. Παρόλ αυτά, είναι μια απλή και φθηνή μέθοδος εξισορρόπησης, που χρειάζεται λίγα υλικά και δεν έχει ιδιαίτερη δυσκολία υλοποίησης. Στο Σχ. 2-4 φαίνεται μία διάταξη passive balancing για μια συστάδα κελιών, όπου αντιστάσεις συνδέονται παράλληλα με αυτά. Σχήμα 2-4 Τοπολογία Παθητικής Εξισορρόπησης 2.4. Ενεργή Εξισορρόπηση (Active Balancing) Το πρόβλημα της άσκοπης ανάλωσης της ενέργειας που προκαλεί η μέθοδος του Passive Balancing μπορεί να αντιμετωπιστεί με την εφαρμογή μιας εκ των μεθόδων της Ενεργού Εξισορρόπησης (Active Balancing). Το κύριο χαρακτηριστικό των μεθόδων αυτών, είναι ότι η ενέργεια δεν μετατρέπεται σε θερμότητα, αλλά μεταφέρεται μεταξύ των κελιών. Έτσι, επιτυγχάνεται βέλτιστη εκμετάλλευση της συνολικής ενέργειας του συστήματός μας. Τα κύρια κυκλωματικά στοιχεία που χρησιμοποιούνται εδώ είναι αυτά που μπορούν να αποθηκεύσουν ενέργεια, δηλαδή πυκνωτές και μετασχηματιστές, σε αντίθεση με τις αντιστάσεις που χρησιμοποιούνται στην περίπτωση της ενεργού εξισορρόπησης. Υπάρχουν διάφορες μέθοδοι Ενεργού Εξισορρόπησης και μπορούν να κατηγοριοποιηθούν σε 3 ομάδες: Μέθοδοι μεταφοράς φορτίου (charge shunting), μέθοδοι με χρήση μετασχηματιστών (transformer balancing) και μέθοδοι μετατροπέων 24

34 ενέργειας (energy converters). Ακολουθεί μια ανάλυση κάποιων βασικών τοπολογιών, οι οποίες ωστόσο δεν είναι οι μοναδικές, καθώς υπάρχουν και διάφορες παραλλαγές αυτών που μπορούν να βρεθούν στη βιβλιογραφία Χωρητική Μεταφορά Φορτίου (Capacitive Charge Shuttling) Οι μηχανισμοί μεταφοράς φορτίου που χρησιμοποιούνται για την εξισορρόπηση κελιών αποτελούνται από μια συσκευή η οποία αφαιρεί ενέργεια από ένα επιλεγμένο κελί, την αποθηκεύει κι έπειτα τη μεταφέρει σε άλλο κελί ή περισσότερα. Υπάρχουν διάφορες τοπολογίες αυτής της μεθόδου, εκ των οποίων οι δύο κυριότερες περιγράφονται παρακάτω. Τοπολογία Flying Πυκνωτή Η πιο χαρακτηριστική περίπτωση εξισορρόπησης κελιών με μεταφορά φορτίου είναι αυτή που επιτυγχάνεται με χρήση flying πυκνωτή, η οποία φαίνεται στο Σχ Παράλληλα με μια συστάδα κελιών τοποθετείται ένας πυκνωτής του οποίου τα άκρα είναι συνδεδεμένα με διακόπτες, όπως και τα άκρα των κελιών. Με τη χρήση ενός απλού κυκλώματος ελέγχου επιλέγεται κάθε φορά ποιο κελί θα αποφορτιστεί, με τους διακόπτες του να κλείνουν, φορτίζοντας έτσι τον πυκνωτή. Μόλις γίνει αυτό, ανοίγουν οι διακόπτες αυτού του κελιού και κλείνουν οι αντίστοιχοι του κελιού που έχει επιλεγεί να φορτιστεί, μεταφέροντας έτσι την ενέργεια από τον πυκνωτή. Η μέθοδος αυτή απαιτεί μεγάλο αριθμό διακοπτών (n+5) και με τη χρήση πιο σύνθετων αλγορίθμων μπορεί να γίνει αρκετά γρήγορη. Σχήμα 2-5 Τοπολογία Εξισορρόπησης με Flying πυκνωτή 25

35 Τοπολογία Πολλαπλών Εναλλασσόμενων Πυκνωτών Μια παραλλαγή της παραπάνω τοπολογίας προκύπτει εάν μεταφέρουμε φορτίο με έναν πυκνωτή για κάθε 2 κελιά. Με την επανάληψη πολλών τέτοιων επιμέρους κυκλωμάτων σε σειρά προκύπτει η τοπολογία του Σχ Αυτή η μέθοδος είναι αρκετά χρονοβόρα στην περίπτωση όπου θέλουμε να μεταφέρουμε φορτίο μεταξύ κελιών που βρίσκονται στα δύο άκρα μιας μεγάλης συστάδας, επειδή αυτό θα πρέπει να διασχίσει κάθε κελί, κάτι που θα έχει κόστος και σε απόδοση. Από την άλλη, αυτή η μέθοδος παρουσιάζει πλεονέκτημα όσον αφορά τη χωροταξική τοποθέτηση: για κάθε 2 κελιά το κύκλωμα ελέγχου, ο πυκνωτής και η παροχή ισχύος μπορούν να τοποθετηθούν σε μια μονάδα, η οποία θα τροφοδοτείται από το κελιά που ισορροπεί, Ακόμα, σε περίπτωση προσθήκης κελιών είναι εύκολη η προσθήκη νέας μονάδας. Για την υλοποίησή του απαιτούνται n-1 πυκνωτές και 2n-2 διακόπτες. Σχήμα 2-6 Τοπολογία Πολλαπλών Εναλλασσόμενων Πυκνωτών Οι τεχνικές μεταφοράς φορτίου είναι περιορισμένης χρησιμότητας για εφαρμογές HEVs. Οι μπαταρίες με χημείες Λιθίου προσφέρουν μια σχετικά επίπεδη τάση ανοιχτού κελιού (OCV) κατά το εύρος του SOC μεταξύ 40%-80%. Ένα κελί σε υψηλό SOC δεν έχει σημαντικά μεγάλη διαφορά τάσης ΔV από ένα κελί με χαμηλό SOC, εκτός εάν ένα από τα κελιά βρίσκεται κοντά στο γόνατο της καμπύλης, δηλαδή πάνω 26

36 από 90% ή κάτω από 20%. Οι μπαταρίες στα HEVs λειτουργούν στο μεσαίο εύρος SOC, εκεί δηλαδή όπου οι διαφορές τάσης είναι οι μικρότερες, περιορίζοντας έτσι τη χρησιμότητα της εξισορρόπησης μέσω τεχνικών μεταφοράς φορτίου. Αντιθέτως, οι τεχνικές αυτές είναι χρήσιμες σε εφαρμογές EV. Αυτό συμβαίνει επειδή ένα Ηλεκτρικό Όχημα φορτίζεται πλήρως συχνά και η διαφορά δυναμικού μεταξύ ενός πλήρως φορτισμένου κελιού και ενός λιγότερο φορτισμένου είναι σημαντικά μεγάλη κοντά στο τέλος της καμπύλης τάσης. Αυτό αυξάνει την αποτελεσματικότητα της τεχνικής. Η καμπύλη Τάσης-Κατάστασης Φόρτισης για ένα κελί Λιθίου Πολυμερούς όπου περιγράφεται παραπάνω φαίνεται στο Σχ Σχήμα 2-7 Καμπύλη Τάσης Κατάστασης Φόρτισης κελιού LiPo Εξισορρόπηση με χρήση Μετασχηματιστών (Transformer Balancing) Για την αποθήκευση και μεταφορά ενέργειας μπορούν να χρησιμοποιηθούν επαγωγικά στοιχεία αντί για χωρητικά, δηλαδή πηνία και μετασχηματιστές. Λόγω του σχετικά υψηλού ρεύματος μαγνήτισης, οι μέθοδοι αυτές προσφέρουν μικρότερο χρόνο εξισσορόπησης. Δύο από τις κυριότερες τοπολογίες μεταφοράς ενέργειας μέσω μετασχηματιστών περιγράφονται παρακάτω. Τοπολογία Εναλλασσόμενου Μετασχηματιστή Στο Σχ. 2-8 φαίνεται η τοπολογία εναλλασσόμενου μετασχηματιστή (switched transformer), η οποία είναι ουσιαστικά ίδια με αυτή των flying πυκνωτών. Το ρεύμα 27

37 κατευθύνεται από ολόκληρη τη συστάδα προς το πρωτεύον του μετασχηματιστή. Έπειτα, από το δευτερεύον οδεύει μέσα από τη δίοδο και φορτίζει το επιλεχθέν κελί, το οποίο καθορίζεται από τη ρύθμιση των διακοπτών. Ο ορισμός του κελιού που θα φορτιστεί με το κλείσιμο του αντίστοιχου διακόπτη καθορίζεται μέσω του κυκλώματος ελέγχου. Το κύριο πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι η ταχεία εξισορρόπηση των κελιών, ενώ ως μειονεκτήματα αναφέρονται η υψηλή πολυπλοκότητα, ο μεγάλος αριθμός εξαρτημάτων καθώς και η σχετικά χαμηλή απόδοση λόγω των διακοπτικών απωλειών και των απωλειών μαγνήτισης. Σχήμα 2-8 Τοπολογία Εξισορρόπησης με Εναλλασσόμενο Μετασχηματιστή Τοπολογία Μετασχηματιστή Κοινού Πρωτεύοντος Η παραπάνω μέθοδος χρησιμοποιούσε έναν μετασχηματιστή για όλη τη συστάδα, του οποίου το δευτερεύον συνδεόταν στο εκάστοτε κελί μέσω διακοπτών. Εδώ χρησιμοποιείται και πάλι ένας μετασχηματιστής, όμως αυτή τη φορά έχει πολλές λήψεις (taps) στο δευτερεύον, με έναν όμως μαγνητικό πυρήνα (Σχ. 2-9). Το ρεύμα της στοίβας των μπαταριών περνάει μέσα από το πρωτεύον και από εκεί μοιράζεται στο δευτερεύον αντιστρόφως ανάλογα με το επίπεδο του SOC του κάθε κελιού. Αυτό συμβαίνει διότι το πιο αφόρτιστο κελί θα έχει μικρή εσωτερική αντίσταση 28

38 λόγω χαμηλής τάσης στα άκρα του κι έτσι θα έχει την ικανότητα να απορροφάει περισσότερο ρεύμα. Η μέθοδος αυτή έχει γρήγορη απόκριση και ελάχιστες απώλειες, ωστόσο όπως και στην προηγούμενη περίπτωση έχουμε υψηλή πολυπλοκότητα, μεγάλο αριθμό εξαρτημάτων και δυσκολία επέκτασης του συστήματος μελλοντικά. Σχήμα 2-9 Τοπολογία Εξισορρόπησης με Μετασχηματιστή Κοινού Πρωτεύοντος Τοπολογία Πολλαπλών Μετασχηματιστών Στην προηγούμενη τοπολογία μπορούμε να αντικαταστήσουμε το κοινό πρωτεύον με πολλά, ένα για κάθε κελί. Έτσι, κάθε κελί θα έχει δικό του μαγνητικό πυρήνα, άρα μικρότερη πολυπλοκότητα και επιπλέον είναι εφικτή η περαιτέρω επέκταση του συστήματος. Το κύκλωμα αυτό απεικονίζεται στο Σχ Σχήμα 2-10 Τοπολογία πολλαπλών Μετασχηματιστών 29

39 Μετατροπείς Ενέργειας (Energy Converters) Η 3η ομάδα στην οποία κατηγοριοποιούνται οι μέθοδοι εξισορρόπησης περιλαμβάνει μετατροπείς ενέργειας. Χαρακτηρίζονται από πλήρη έλεγχο της διαδικασίας, ωστόσο έχουν μεγάλη πολυπλοκότητα και υψηλό κόστος κατασκευής. Υπάρχουν πολλές τοπολογίες και παρακάτω περιγράφονται δύο από αυτές. Μετατροπέας του Cuk Ο μετατροπέας Cuk αμφίδρομης κατεύθυνσης, ο οποίος απεικονίζεται στο Σχ. 2-11, μπορεί να θεωρηθεί ως μια τοπολογία εξισορρόπησης μεμονωμένου κελιού (Individual Cell Equalizer ICE), η οποία εξισορροπεί κάθε γειτονικό ζευγάρι κελιών. Απαιτεί n- 1 ICEs κυκλώματα για να εξισορροπήσει n κελιά. Κάθε κύκλωμα ICE έχει 2 πηνία, 2 διακόπτες και έναν πυκνωτή. Καθώς ο μετατροπέας του Cuk μεταφέρει ενέργεια μεταξύ γειτονικών κελιών, είναι εμφανές ότι θα έχει αρκετά μεγάλο χρόνο λειτουργίας, ειδικά εάν πρόκειται για μεγάλες συστάδες κελιών. Σχήμα 2-11 Τοπολογία Μετατροπέα του Cuk Μικτός Μετατροπέας Οι μικτοί μετατροπείς (Buck/Boost Converters) χρησιμοποιούνται ευρέως σε συστήματα εξισορρόπησης κελιών. Με την τοπολογία αυτή που φαίνεται στο Σχ είναι εφικτό να αφαιρεθεί η περίσσεια ενέργεια από το υψηλότερο κελί στο DC link, ένα στοιχείο αποθήκευσης ή μια βοηθητική μπαταρία Ηλεκτρικού Οχήματος κι έπειτα να επαναμεταφερθεί στα αδύναμα κελιά. Για τη λειτουργία του απαιτείται σύστημα 30

40 ελέγχου και ανίχνευση της τάσης των κελιών. Είναι μια μέθοδος με μεγάλο βαθμό απόδοσης, αλλά και ταυτόχρονα με μεγάλο κόστος και πολυπλοκότητα. Σχήμα 2-12 Τοπολογία Μικτού Μετατροπέα Μεατροπέας Flyback Οι μετατροπείς flyback λειτουργούν είτε με απλή, είτε με αμφίδρομη κατεύθυνση, όπως φαίνεται στο Σχ Στη μονή κατεύθυνση, η ενέργεια του πλέον φορτισμένου κελιού μεταφέρεται και αποθηκεύεται στο μετασχηματιστή όταν ο διακόπτης είναι κλειστός και μεταφέρεται στη στοίβα όταν ανοίγει. Στην περίπτωση της αμφίδρομης κατεύθυνσης έχουμε μεγαλύτερη ευελιξία στη μεταφορά της ενέργειας, καθώς αυτή μπορεί και να μεταφερθεί από τη στοίβα μεμονωμένα σε κελιά. Μειονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι η ανοιμοιομορφία των πολλαπλών τυλιγμάτων καθώς και οι μαγνητικές απώλειες. Σχήμα 2-13 Τοπολογία Flyback Μετατροπέα 31

41 2.5. Επιλεχθείσα μέθοδος Εξισορρόπησης κελιών Στον Πίνακα 2-1 φαίνονται συνοπτικά τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των μεθόδων που αναλύθηκαν παραπάνω. Λαμβάνοντας υπόψη αυτόν τον πίνακα, αλλά και την έρευνα αγοράς που έγινε, επιλέχθηκε για την παρούσα εργασία να αναλυθεί η μέθοδος του αμφίδρομου Flyback μετατροπέα. Επιλέχτηκε να δοθεί έμφαση στα σημαντικά πλεονεκτήματα που μας δίνει από ενεργειακής σκοπιάς, καθώς και στη δυνατότητα ταυτόχρονης φόρτισης και εκφόρτισης των κελιών. Στο Σχ παρουσιάζεται το πλήρες σύστημα που μοντελοποιήθηκε και σχεδιάστηκε. Το σύστημα αυτό αφορά τη διαχείριση, απεικόνιση και εξισορρόπηση 12 κελιών Λιθίου Πολυμερούς μέσω της τοπολογίας αυτής. Στο κεφάλαιο που ακολουθεί γίνεται μια περιγραφή του μοντέλου που προσομοιώθηκε, το οποίο όμως για λόγους απλότητας και λιγότερου χρόνου προσομοίωσης αφορά 6 κελιά. Η επέκτασή του ωστόσο από 6 σε 12 κελιά δεν παρουσιάζει κάποια διαφορά στη λογική ή την υλοποίηση. BMS Board 12 Lipo cells Micro controller 6-cell balancing μc SPI 12- cell monitoring Flyback converters 6-cell balancing Σχήμα 2-14 Επισκόπηση πλήρους συστήματος που σχεδιάστηκε 32

42 Πίνακας 2-1 Σύγκριση Μεθόδων Εξισορρόπησης Τοπολογία Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα Παθητική Εύκολη υλοποίηση Μικρό ρεύμα εξισορρόπηση Φθηνή κατασκευή εξισορρόπησης (αργή) Απώλειες Flying Πυκνωτής Αρκετά γρήγορη Μεγάλος αριθμός εξαρτημάτων Πολλαπλοί Χωροταξική ευκολία Χρονοβόρα Εναλλασσόμενοι Πυκνωτές Εναλλασσόμενος Μετασχηματιστής Μετασχηματιστής Κοινού Πρωτεύοντος Πολλαπλοί Μετασχηματιστές Ταχεία εξισορρόπηση Γρήγορη απόκριση Ελάχιστες απώλειες Ελάχιστες απώλειες Εύκολη επέκταση Μετατροπέας του Cuk Μεγάλος βαθμός απόδοσης Μικτός Μετατροπέας Μεγάλος βαθμός απόδοσης Μεατροπέας Flyback Μεγάλος βαθμός απόδοσης Μεγάλη ευελιξία μεταφοράς ενέργειας Αμφίδρομη μεταφορά ενέργειας Υψηλή πολυπλοκότητα Μεγάλος αριθμός εξαρτημάτων Χαμηλή απόδοση Υψηλή πολυπλοκότητα Μεγάλος αριθμός εξαρτημάτων Δυσκολία επέκτασης Μεγάλος αριθμός εξαρτημάτων Υψηλή πολυπλοκότητα Μεγάλος αριθμός εξαρτημάτων Μεγάλο κόστος Υψηλή πολυπλοκότητα Μεγάλος αριθμός εξαρτημάτων Μεγάλο κόστος Ανομοιομορφία πολλαπλών τυλιγμάτων Μεγάλο κόστος 33

43 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΔΙΑΤΑΞΗΣ ΣΕ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ MATLAB/SIMULINK 3.1. Περιγραφή Μοντέλων Το πρώτο βήμα για τον σχεδιασμό είναι η προσομοίωση του συστήματος. Η προσομοίωση αυτή έγινε στο Matlab/Simulink R2014a, όπου έγινε προσπάθεια για όσο το δυνατόν πιο ακριβή απεικόνιση της εφαρμογής. Τα επιμέρους κυκλώματα που μοντελοποιήθηκαν στο Simulink ούτως ώστε να διαστασιολογηθούν είναι τα παρακάτω. RC filter Snubber Αφού υπολογίστηκαν οι παραπάνω τιμές, στη συνέχεια έγινε ένας σχεδιασμός του κυκλώματος, ο οποίος περιλαμβάνει 6 κελιά, κι ένα BMS board. Το BMS board απεικονίζεται στο Simulink με τη χρήση ενός block, το οποίο στην πραγματικότητα προσομοιώνει το υλικό (hardware) της εφαρμογής μας. Η επιλογή του υλικού αυτού περιγράφεται αναλυτικά στο επόμενο κεφάλαιο, ωστόσο, σε αυτό το σημείο αναφέρεται ότι τα κυκλωματικά στοιχεία που χρησιμοποιήθηκαν υλοποιούν τη μέθοδο balancing με flyback μετασχηματιστές. Στο τέλος, αφού πιστοποιήθηκε ότι το σύστημα δουλεύει σωστά, για την επίτευξη μιας πιο γρήγορης προσομοίωσης τα MOSFETs αντικαταστάθηκαν από ελεγχόμενες πηγές ρεύματος. Αρχικά, θεωρήθηκε καλύτερο οι 3 λειτουργίες (Charge, Discharge, None) να ελέγχονται χειροκίνητα, ούτως ώστε να μπορούμε να κατανοήσουμε καλύτερα τη συμπεριφορά των κελιών κατά τη διάρκεια των μεταβολών. Οι διακόπτες που χρησιμοποιήθηκαν για τη χειροκίνητη λειτουργία φαίνονται στο Σχ. 1 και κάθε ένας από αυτούς είναι συνδεδεμένος στα gates των MOSFETs που βρίσκονται στις μεριές 34

44 του πρωτεύοντος και του δευτερεύοντος κάθε κελιού. Η λειτουργία του καθενός είναι αυτόνομη. Στις προσομοιώσεις που παρουσιάζονται στις επόμενες ενότητες, ο χειροκίνητος χειρισμός των balancers αντικαταστάθηκε από έναν αλγόριθμο, ο οποίος λαμβάνει υπόψη του την Κατάσταση Φόρτισης (SOC) των κελιών. Σχήμα 3-1 Διακόπτες MOSFETs στη χειροκίνητη λειτουργία 35

45 Για να δούμε πώς ανταποκρίνεται το μοντέλο μας σε διαφορετικές συνθήκες, έγιναν προσομοιώσεις με διαφορές τόσο στο φορτίο όσο και στα επίπεδα φόρτισης των κελιών. Έτσι, προέκυψαν οι παρακάτω περιπτώσεις. Όσον αφορά τα φορτία: α) Οι μπαταρίες εκφορτίζονταν σε ένα Ωμικό Φορτίο, μία φορά με τη χρήση του BMS board και μία φορά χωρίς αυτό και β) Το Ωμικό Φορτίο αντικαταστάθηκε από έναν Κινητήρα, ομοίως μια φορά με BMS board και μία χωρίς. Αντίστοιχα, όσον αφορά τα επίπεδα φόρτισης, έγιναν προσομοιώσεις με μεγάλες αποκλίσεις στα αρχικά SOC των κελιών (από 35% μέχρι 85%), καθώς και προσομοιώσεις με μικρές αποκλίσεις (από 80% μέχρι 93%). Συγκεκριμένα, οι τιμές για τα SOC που χρησιμοποιήθηκαν φαίνονται αναλυτικά στον Πίνακα 3-1. Πίνακας 3-1 Επιλεχθέντα SOC για τις προσομοιώσεις SOC (μεγάλη απόκλιση) SOC (μικρή απόκλιση) Cell 1 Cell 2 Cell 3 Cell 4 Cell 5 Cell Αλγόριθμος Σύμφωνα με τη βιβλιογραφία, δεν υπάρχει βέλτιστη επιλογή αλγορίθμου για την εξισορρόπηση ενός battery pack και κάθε φορά έχει να κάνει με τα δεδομένα της εκάστοτε εφαρμογής. Ο αλγόριθμος που επιλέχθηκε στην παρούσα διπλωματική εργασία παίρνει ως εισόδους τις Καταστάσεις Φόρτισης των κελιών και τα ρεύματα που διαρρέουν τα MOSFETs τόσο από την πλευρά του πρωτεύοντος, όσο και από αυτή του δευτερεύοντος. Από τα SOC αυτά βγαίνει ένας μέσος όρος, στον οποίο θα τείνουν να συγκλίνουν όλα τα κελιά. Αυτό επιτυγχάνεται με την εντολή που δίνεται στα MOSFETs και αφορά το χρόνο έναυσης και σβέσης αυτών. Οι εντολές που παίρνουν κάθε στιγμή τα MOSFETs στο gate τους είναι 3: Charge, όταν το SOC του κελιού υπολείπεται του μέσου SOC της συστάδας Discharge, όταν το SOC του κελιού υπερβαίνει το μέσο SOC της συστάδας None, όταν το SOC του κελιού είναι όσο το μέσο SOC της συστάδας 36

46 3.2. Μοντέλα με Μετασχηματιστές και MOSFETs Το μοντέλο σχεδιάστηκε στο Matlab/Simulink έχοντας ως βάση το hardware που περιγράφεται στο 4 ο κεφάλαιο και με τη βοήθεια του λογισμικού πραγματοποιήθηκε η παραμετροποίησή του. Στο Σχ. 3.2 φαίνεται συνοπτικά το μοντέλο. Αποτελείται από 6 κελιά Λιθίου-Ιόντων ονομαστικής τάσης 3,7 V και ονομαστικής χωρητικότητας 6,9 Ah σε σειρά μεταξύ τους και στα άκρα τους είναι συνδεδεμένη μια αντίσταση 1,287 Ω. Η τιμή αυτή επιλέχθηκε θέλοντας να επιτύχουμε ρυθμό εκφόρτισης των μπαταριών στα 2,5 C. Για να γίνει αυτό, το ρεύμα εκφόρτισης θα πρέπει να είναι 2,5 6,9 = 17,25 Α. Αντίστοιχα, η ονομαστική τάση των 6 κελιών θα είναι 3,7 6 = 22,2 V. Έτσι, προκύπτει για την αντίσταση που πρέπει να τοποθετηθεί: R = V I 22,2 V = R = 1,287 Ω 17,25 A Σχήμα 3-2 Μοντέλο προσομοίωσης στο Matlab/Simulink Επισκόπηση Επιπλέον, έχουν τοποθετηθεί μετρητικά blocks για τις τάσεις και τα ρεύματα τόσο κάθε κελιού ξεχωριστά, όσο και συνολικά για τη συστάδα των 6 κελιών. Η προσομοίωση έχει επιλεγεί να γίνει Διακριτού τύπου (Discrete) για γρηγορότερη εκτέλεση, με περίοδο 2, s, τιμή η οποία προέκυψε μετά από δοκιμές και είναι 37

47 αυτή που έδινε τις επιθυμητές κυματομορφές. Τέλος, γίνεται καταμέτρηση του SOC κάθε κελιού με τις τιμές αυτές να μπαίνουν ως είσοδοι στο block BMS_board. Το εσωτερικό του block BMS_multi φαίνεται στο Σχ Υπάρχουν 6 balancers, ένα για κάθε κελί, που δέχονται ως είσοδο τα σήματα για τη λειτουργία των MOSFETs και έχουν ως έξοδο τα ρεύματα που τα διαρρέουν. Τα ρεύματα αυτά, μαζί με τα SOC των κελιών μπαίνουν ως είσοδοι σε ένα block κώδικα που υλοποιεί τον αλγόριθμο του balancing. Ο αλγόριθμος που περιγράφηκε στην ενότητα 3.1 παρατίθεται παρακάτω. function out = discharge_multi(v6,v5,v4,v3,v2,v1,i6p,i5p,i4p,i3p,i2p,i1p, i6s,i5s,i4s,i3s,i2s,i1s) %cell SOC array soc=[v6,v5,v4,v3,v2,v1]; %primary mosfet current array ip=[i6p,i5p,i4p,i3p,i2p,i1p]; %secondary mosfet current array is=[i6s,i5s,i4s,i3s,i2s,i1s]; %initializing function out=zeros(1,12); soc_m=(v6+v5+v4+v3+v2+v1)/6; for i=1:6 %out(i): Primary mosfet signal of i-th cell %out(i+6): Secondary mosfet signal of i-th cell if soc(i)>soc_m %discharge if ip(i)>=0 && ip(i)<3.125 out(i)=1; out(i+6)=0; else out(i)=0; out(i+6)=1; end elseif soc(i)<soc_m %charge if is(i)>=0 && is(i)<3.125 out(i+6)=1; out(i)=0; else out(i+6)=0; out(i)=1; end else out(i)=0; out(i+6)=0; end %1 for enable discharging end 38

48 Σχήμα 3-3 Μπλοκ BMS_board (Μετασχηματιστές και MOSFETs) Τέλος, στο Σχ. 3-4 φαίνεται το περιεχόμενο των blocks LTC3300_Multi1-6. Κάθε ένα αναπαριστά έναν balancer και περιέχει έναν flyback μετασχηματιστή, 2 MOSFETs, 2 RC φίλτρα, κυκλώματα εξωτερικής προστασίας (snubber) και πυκνωτή σταθεροποίησης της τάσης συνδεδεμένο παράλληλα με το κελί. Η επιλογή των αντιστάσεων και των πυκνωτών στα RC φίλτρα προέκυψε από επιμέρους κυκλώματα που υλοποιήθηκαν ξεχωριστά στο Simulink, ενώ οι τιμές για τα Snubber προήλθαν από την προσομοίωση αυτού του μοντέλου. Η συμπλήρωση των παραμέτρων των μετασχηματιστών και των διακοπτικών στοιχείων φαίνεται στο Σχ. 3-5 και λήφθηκαν από τα φυλλάδια των κατασκευαστών που μπορούν να βρεθούν στο Παράρτημα. 39

49 Σχήμα 3-4 Balancer ενός κελιού Οι συχνότητες αγωγής των MOSFETs για τις καταστάσεις φόρτισης και εκφόρτισης υπολογίζονται από τις 2 παρακάτω εξισώσεις όπως εξηγείται αναλυτικότερα στο Κεφάλαιο 4. f discharge = f charge = S S + T V cell L pri I peak_pri S S + T V cell L pri I peak_sec T Για ρεύμα εξισορρόπησης ίσο με 3,125 Α οι συχνότητες που προκύπτουν για διάταξη 6 κελιών είναι 314,62 khz ή αντίστοιχα η περίοδος ισούται με 3,18 μs. Τα ρεύματα που διαρρέουν το πρωτεύον και το δευτερεύον τύλιγμα του κάθε μετασχηματιστή έχουν τη μορφή που φαίνεται στο Σχ

50 Σχήμα 3-5 Εισαγωγή παραμέτρων σε Μετασχηματιστές και MOSFETs 41

51 I (A) 3,5 Ρεύματα Τυλιγμάτων Μ/Σ 3 2,5 2 1,5 I_primary I_secondary 1 0, t (μs) Σχήμα 3-6 Ρεύματα Τυλιγμάτων Μετασχηματιστή 3.3. Μοντέλα με Πηγές Ρεύματος Στη συνέχεια, όπως αναφέρθηκε και παραπάνω, το κύκλωμα των μετασχηματιστών και των MOSFETs αντικαταστάθηκε με ένα κύκλωμα πηγών ρεύματος για λόγους ταχύτερης προσομοίωσης. Σχήμα 3-7α Μπλοκ BMS_board (Πηγές Ρεύματος) 42

52 Σχήμα 3-7β Balancers κελιών Σχήμα 3-7γ Αναφορές Ρευμάτων Φόρτισης-Εκφόρτισης Στα Σχ.3-7α έως 3.7γ απεικονίζονται κατά σειρά τα blocks που υλοποιούν το σχεδιασμό αυτό. Αρχικά, στο Σχ. 3-7α βλέπουμε το περιεχόμενο του block BMS_board, όπως το τελευταίο φαίνεται στο Σχ Η υλοποίηση των Balancers φαίνεται στα Σχ. 3-7β και 3-7γ όπου υπάρχουν ο αλγόριθμος, καθώς και τα ρεύματα 43

53 αναφοράς που δίνουμε ώστε να επιτευχθούν τα επιθυμητά ρεύματα στα MOSFETs. Όσον αφορά τα ρεύματα αναφοράς, στην ιδανική περίπτωση αυτά θα έπρεπε να ακολουθούν την κυματομορφή του Σχ Ωστόσο, τοποθετώντας αυτά τα δεδομένα παρατηρήθηκε ότι το λογισμικό δεν εμφάνιζε την ακρίβεια που θέλαμε τόσο στο πλάτος, όσο και στην περιοδικότητα της κυματομορφής. Το πρόβλημα αυτό ξεπεράστηκε εισάγοντας μικρότερο πλάτος, αλλά μεγαλύτερη περίοδο, διατηρώντας ταυτόχρονα σταθερό το γινόμενο ρεύμα χρόνος, δηλαδή το εμβαδόν που σχηματίζουν οι καμπύλες φόρτισης και εκφόρτισης. Χρησιμοποιώντας τις εξισώσεις που αναφέρθηκαν στην προηγούμενη ενότητα για τις συχνότητες και αντικαθιστώντας τις τιμές που φαίνονται στον Πίνακα 3-2, προέκυψαν οι τιμές που φαίνονται παρακάτω, καθώς και η κυματομορφή του Σχ Για την εκφόρτιση, το πλάτος του ρεύματος στο πρωτεύον είναι 2,13 A, ενώ αυτό στο δευτερεύον είναι 0,71 A. Η περίοδος ανέρχεται στα 6 μs. Αντίστοιχη διαδικασία ακολουθήθηκε και για τη φόρτιση. Πίνακας 3-2 Επαναπροσδιορισμός Πλάτους Ρεύματος και Περιόδου S 6 f (khz) 314,62 Ετριγ Πλάτος (A) Περίοδος (μsec) T 1 Τon (μsec) 2,72 4,26 2,13 4 Vcell 3,9 Τoff (μsec) 0,45 0,71 0,71 2 Lpri 3,40E-06 T (μsec) 3,18 4,97 Ipeak 3,125 T (μsec) 6 Σχήμα 3-8 Κυματομορφή Πηγών Ρεύματος (εκφόρτιση) 44

54 Τέλος, στο Σχ. 3-9 φαίνονται οι Ελεγχόμενες Πηγές Ρεύματος, καθώς και ο τρόπος σύνδεσης αυτών. Οι είσοδοι που δέχονται είναι τα σήματα που εξηγήθηκαν παραπάνω. Σχήμα 3-9 Συνδεσμολογία Πηγών Ρεύματος 45

55 Ωμικό φορτίο Το κύκλωμα που χρησιμοποιήθηκε είναι αυτό των Σχ Οι προσομοιώσεις που έγιναν είναι χρονικής διάρκειας 5 λεπτών (300 sec) και είναι 4: δύο για την περίπτωση που έχουμε SOC με μεγάλη απόκλιση και δύο για μικρή. Αρχικά οι μπαταρίες τροφοδοτούν το φορτίο χωρίς τη χρήση του block BMS_board και στη συνέχεια τοποθετούνται τα balancers παράλληλα στα κελιά για να δούμε την επίδρασή τους. 1) Μεγάλη απόκλιση SOC (35-85%) Τα αρχικά SOC των 6 κελιών φαίνονται στο Σχ Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης φαίνονται στα Σχ και Παρουσιάζονται οι κυματομορφές των τάσεων και των SOC των κελιών. Σχήμα 3-10 Αρχικά SOC των 6 κελιών (Μεγάλη απόκλιση) 46

56 Τάσεις Σχήμα 3-12 Τάσεις κελιών με Balancing [300 sec / 1 sec] (Μεγάλη απόκλιση) Σχήμα 3-11 Τάσεις κελιών χωρίς Balancing [300 sec / 1 sec] (Μεγάλη απόκλιση) 47

57 Καταστάσεις Φόρτισης Σχήμα 3-13 Καταστάσεις φόρτισης Σύγκριση (Μεγάλη απόκλιση) [300 sec] Παρατηρούμε ότι στην περίπτωση χωρίς τη χρήση του BMS, οι τάσεις κυμαίνονται μεταξύ 3,4 και 3,821 V και τα SOC μεταξύ 13,71 και 63,71%. Με τη χρήση του BMS παρατηρείται βελτίωση του συστήματος, με τη διακύμανση των τάσεων να είναι μεταξύ 3,459 και 3,817 V, ενώ αντίστοιχα των SOC 14,83 και 61,11. Στα 3 πλέον φορτισμένα κελιά εφαρμόζεται εκφόρτιση, ενώ στα 3 λιγότερο φορτισμένα, φόρτιση. 48

58 2) Μικρή απόκλιση SOC (80-93%) Ομοίως με την προηγούμενη περίπτωση, τα αρχικά SOC φαίνονται στο Σχ Αυτή τη φορά, η απόκλιση μεταξύ του κελιού με το μεγαλύτερο SOC σε σχέση με αυτό με το μικρότερο SOC είναι 13%, αντί για 50% που ήταν στην προηγούμενη περίπτωση. Σχήμα 3-14 Αρχικά SOC των 6 κελιών (Μικρή απόκλιση) Στα Σχ έως 3-17 παρουσιάζονται οι κυματομορφές που προέκυψαν για τις τάσεις και τα SOC. 49

59 Τάσεις Σχήμα 3-15 Τάσεις κελιών με Balancing [300 sec / 1 sec] (Μικρή απόκλιση) Σχήμα 3-16 Τάσεις κελιών χωρίς Balancing [300 sec] (Μικρή απόκλιση) 50

60 Καταστάσεις Φόρτισης Σχήμα 3-17 Καταστάσεις φόρτισης Σύγκριση (Μικρή απόκλιση) [300 sec] Όσον αφορά τις τάσεις, βλέπουμε και πάλι σύγκλιση κατά τη χρήση του BMS με τη διακύμανση να είναι 13mV, ενώ χωρίς τη χρήση του ανέρχεται στα 25mV. Μάλιστα, λόγω της μικρής αρχικής τους διαφοράς, παρατηρείται διασταύρωση των τάσεων, παρά τα διαφορετικά SOC τους που φαίνονται στο Σχ Το γεγονός αυτό επιβεαίωνει τη χρήση του SOC ως πιο σωστό κριτήριο σύγκρισης για την εξισορρόπηση των κελιών, μιας και δείχνει τα πραγματικά αποθέματα ενέργειας που έχει ένα κελί, σε αντίθεση με την τάση. Χωρίς τη χρήση του BMS, οι Καταστάσεις Φόρτισης κυμαίνονται μεταξύ 58,41 και 71,41%. Αφού εισέλθει το BMS στη συστάδα, τότε το SOC του πλέον αφόρτιστου κελιού γίνεται 59,27%, ενώ του πιο φορτισμένου, 70,55%, δηλαδή η απόκλιση είναι 1,72% λιγότερη. 51

61 Κινητήρας σταθερής Ροπής Στη συνέχεια προσομοιώθηκε το μοντέλο που φαίνεται στο Σχ Αυτή τη φορά στόχος ήταν να εξετάσουμε τη συμπεριφορά του BMS, όταν οι μπαταρίες τροφοδοτούν έναν DC κινητήρα μόνιμου μαγνήτη σταθερής ροπής 10 Nm. Όπως και στην περίπτωση του Ωμικού Φορτίου, έτσι κι εδώ, έγιναν 4 προσομοιώσεις. Σχήμα 3-18 Μοντέλο προσομοίωσης στο Matlab/Simulink Περίπτωση Κινητήρα 1) Μεγάλη απόκλιση SOC Οι κυματομορφές που προκύπτουν για την περίπτωση όπου τα SOC κυμαίνονται μεταξύ 35 και 85% φαίνονται στα Σχ Τα αρχικά SOC είναι όπως αυτά που φαίνονται στο Σχ Να σημειωθεί ότι λόγω μεγάλης κυμάτωσης των τάσεων στις περιπτώσεις όπου διενεργείται η εξισορρόπηση, χρησιμοποιήθηκε το εργαλείο Curve Fitting (cftool) του Matlab, ούτως ώστε να είναι πιο εύκολη η παρατήρηση και σύγκριση των τάσεων. 52

62 Τάσεις Σχήμα 3-19 Τάσεις κελιών με Balancing [300 sec / 1 sec] (Μεγάλη απόκλιση) Σχήμα 3-20 Τάσεις κελιών με και χωρίς Balancing Σύγκριση [300 sec] (Μεγάλη απόκλιση) 53

63 Καταστάσεις Φόρτισης Σχήμα Καταστάσεις φόρτισης Σύγκριση (Μεγάλη απόκλιση) [300 sec] Στην περίπτωση του κινητήρα, παρατηρούμε ότι το ενώ αρχικά η ελάχιστη τάση ήταν 3,866 V και η μέγιστη 3,951 V (85 mv η διαφορά), με την προσθήκη του BMS έχουμε 3,881 V για το 3 ο κελί και 3,948 για το 1 ο (67mV). Αντίστοιχα, τα SOC από 28,27% και 78,27% γίνονται 29,41% και 77,7%. 54

64 2) Μικρή απόκλιση SOC Τάσεις Σχήμα 3-22 Τάσεις κελιών με Balancing [300 sec / 1 sec] (Μικρή απόκλιση) Σχήμα 3-23 Τάσεις κελιών με και χωρίς Balancing Σύγκριση [300 sec] (Μικρή απόκλιση) 55

65 Καταστάσεις Φόρτισης Σχήμα 3-24 Καταστάσεις φόρτισης Σύγκριση (Μεγάλη απόκλιση) [300 sec] Οι καμπύλες των τάσεων διαμορφώθηκαν και από εκεί προέκυψαν οι καμπύλες της αριστερής εικόνας του Σχ Σε σχέση με τη δεξιά εικόνα είναι εμφανές ότι υπάρχει μια σύγκλιση στα πλάτη των τάσεων. Συγκεκριμένα, χωρίς τη χρήση του BMS οι τάσεις κυμαίνονται μεταξύ 3,806 V και 3,829 (23 mv), ενώ με τη χρήση του η απόσταση είναι μόλις 3 mv (από 3,952 V μέχρι 3,955 V). Όσον αφορά το State of Charge, είναι εξίσου εμφανής η σύγκλιση, μιας και στην περίπτωση όπου δε γίνεται balancing η απόσταση μεταξύ του πλέον και του λιγότερο φορτισμένου παραμένει σταθερή και ίση με 13 μονάδες, ενώ με τη χρήση του BMS η απόσταση αυτή διαμορφώνεται στις 11,28 μονάδες (85,41% το 3 ο κελί, 74,13% το 6 ο ). Τα κελιά 2, 4 και 6 φορτίζονται καθ όλη τη διάρκεια της προσομοίωσης, ενώ τα κελιά 1,3 και 5 εκφορτίζονται. 56

66 3.4. Πλήρης εκφόρτιση κελιών Στο τέλος έγινε μια πλήρης εκφόρτιση των 6 κελιών με σύνδεση σε Ωμικό Φορτίο και αρχικές καταστάσεις φόρτισης που κυμαίνονταν μεταξύ 60 και 73%. Σε αυτή την προσομοίωση μπορέσαμε να δούμε πόσο χρόνο κερδίζουμε εν τέλει με τη χρήση του BMS. Οι κυματομορφές της παραπάνω προσομοίωσης φαίνονται στα Σχ.3-25 έως 3-28, όπου γίνεται και η σύγκριση με τις κυματομορφές που προκύπτουν χωρίς τη χρήση του BMS. Σχήμα 3-25 Τάσεις κελιών με Balancing [1200 sec / 30 sec] (Πλήρης εκφόρτιση) Σχήμα 3-26 Τάσεις κελιών χωρίς Balancing [1200 sec / 30 sec] (Πλήρης εκφόρτιση) 57

67 Καταστάσεις Φόρτισης Σχήμα 3-27 Καταστάσεις φόρτισης χωρίς Balancing [1200 sec / 2 sec] (Πλήρης εκφόρτιση) Σχήμα 3-28 Καταστάσεις φόρτισης με Balancing [1200 sec / 2 sec] (Πλήρης εκφόρτιση) 58

68 Το σύστημα θα λειτουργήσει μέχρι τη στιγμή που η τάση του πλέον αφόρτιστου κελιού φτάσει στα 2,5 Volt, εκεί που συγκρίνουμε και τις τάσεις στα δεξιά Σχ και Μετά δίνεται εντολή στο σύστημα να αποσυνδεθούν οι μπαταρίες, καθότι περαιτέρω συνέχισή του θα προκαλέσει μεγάλη ζημιά στους κύκλους εκφόρτισής της, ή ακόμα και καταστροφή της. Στην περίπτωση όπου δε χρησιμοποιείται BMS ο συνολικός χρόνος λειτουργίας είναι 818 sec. Με την προσθήκη του BMS ο συνολικός χρόνος διαμορφώνεται στα 867 sec, κάτι που μεταφράζεται σε 49 δευτερόλεπτα περισσότερο χρόνο ή αλλιώς 6% αύξηση συνολικού χρόνου λειτουργίας. Όσον αφορά τα SOC, παρατηρούμε ότι τα 2,5 V αντιστοιχίζονται σε ένα SOC κοντά στο 3% για το πιο αφόρτιστο κελί, την ίδια στιγμή που στην 1 η περίπτωση έχουμε 11,17% για το πιο φορτισμένο και στη 2 η 16,37%. Ο αλγόριθμος που χρησιμοποιήθηκε για την εξισορρόπηση των κελιών σύγκρινε κάθε στιγμή τις Καταστάσεις Φόρτισής τους. Στις κυματομορφές των τάσεων έγινε φανερό ότι στα τελευταία δευτερόλεπτα της διαδικασίας εξισορρόπησης των κελιών εμφανίστηκαν μεταπτώσεις στην τάση. Αυτό δε συνέβαινε και για το SΟC, κάτι που επιβεβαιώνει το γεγονός ότι στο active balancing η χρήση του SΟC και της χωρητικότητας ενός κελιού αποτελούν καλύτερα κριτήρια από την τάση του. Λόγω του ότι ο υπολογισμός του State of Charge μιας μπαταρίας είναι συνήθως μια πολύπλοκη διαδικασία, η οποία δε δίνει πάντα σωστά αποτελέσματα, είναι σύνηθες να γίνεται η παραδοχή ότι εν γένει το SOC και η τάση έχουν μια αναλογία στις τιμές τους, μιας και όσο μειώνεται το SOC ενός κελιού μειώνεται και η τάση του. Φάνηκε όμως και στο λογισμικό ότι οι μεταπτώσεις των τάσεων που μπορεί να εμφανιστούν, δεν πρέπει να μας οδηγούν σε αυστηρά συμπεράσματα για την αποθηκευμένη ενέργεια που έχει κάθε στιγμή το κελί, γι αυτό και το κύριο κριτήριο θα πρέπει να είναι το SOC ενός κελιού και όχι η τάση του. 59

69 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΠΛΑΚΕΤΑΣ 4.1. Επιλογή Υλικών Αφού μοντελοποιήθηκε και προσομοιώθηκε το σύστημα, το επόμενο βήμα είναι η σχεδίαση του με σκοπό την τελική κατασκευή του. Η σχεδίαση της πλακέτας έγινε στο λογισμικό Altium Designer και παρακάτω θα αναλυθεί η επιλογή των επιμέρους υλικών που χρησιμοποιήθηκαν. Επίσης, παρουσιάζονται οι λόγοι για τους οποίοιυς έγιναν διάφορες σχεδιαστικές επιλογές Ολοκληρωμένα Κυκλώματα Integrated Circuits (ICs) Όπως αναλύθηκε στο 2 ο κεφάλαιο, η επιλεχθείσα μέθοδος για την εξισορρόπηση του επιπέδου τάσεων των κελιών επιτυγχάνεται με τη χρήση Flyback μετασχηματιστών. Για την υλοποίηση του συστήματός μας, έπρεπε να επιλεγεί το κατάλληλο Ολοκληρωμένο Κύκλωμα πάνω στο οποίο θα βασιστούμε. Έπειτα από επισταμένη έρευνα αγοράς που πραγματοποιήθηκε, καταλήξαμε στα Ολοκληρωμένα Κυκλώματα της εταιρίας Linear Technology και συγκεκριμένα επιλέχθηκε το ολοκληρωμένο LTC3300-2, το οποίο υλοποιεί τη διαδικασία της εξισορρόπησης (balancing), καθώς και το LTC για την απεικόνιση (monitoring) των μεγεθών που χρειαζόμαστε. 1) LTC Το LTC δίνει τη δυνατότητα σύνδεσης με μια οθόνη, ένα φορτιστή και έναν μικροελεγκτή, εάν αυτό είναι επιθυμητό. Το συγκεκριμένο ολοκληρωμένο έχει ακροδέκτες οι οποίοι μετρούν την τάση των κελιών, το ρεύμα που διαρρέει τους μετασχηματιστές και μέσω αυτού δίνεται το σήμα για την έναυση και σβέση των MOSFETs καθώς και ακροδέκτες για την επικοινωνία με τον μικροελεγκτή μέσω SPI. Τέλος, υπάρχουν διάφορες λειτουργίες που αφορούν την προστασία τόσο των κελιών 60

70 (από overvoltage και undervoltage), όσο και του ίδιου του ολοκληρωμένου. Όλες οι συνδεσμολογίες περιγράφονται αναλυτικά στο datasheet. Αριθμός μετασχηματιστών Το συγκεκριμένο Ολοκληρωμένο μπορεί να προσφέρει 2 υλοποιήσεις, την Single και την Multi Transformer, οι οποίες φαίνονται στα Σχ. 4.1 και 4.2 αντίστοιχα. Η Σχήμα 4-1 Συνδεσμολογία 6 κελιών σε ένα LTC Λειτουργία Single-Transformer 61

71 υλοποίηση με μετασχηματιστή με πολλαπλά τυλίγματα στο δευτερεύον, υπερτερεί στο ότι θα χρειαστούμε μόλις έναν μετασχηματιστή αντί για 6. Παρόλα αυτά ένας τέτοιος μετασχηματιστής δεν κυκλοφορεί στο εμπόριο, επομένως θα χρειαζόταν ειδική παραγγελία σε περίπτωση που προκρινόταν αυτή η λύση, άρα θα υπήρχε αυξημένο κόστος. Επιπλέον, αυτή η υλοποίηση επιτρέπει το balancing μόνο ενός κελιού κάθε στιγμή, γεγονός που την καθιστά πιο χρονοβόρα. Γι αυτούς τους λόγους επιλέχθηκε η υλοποίηση με 6 μετασχηματιστές, με απλά τυλίγματα (Multi-transformer application). Σχήμα 4-2 Συνδεσμολογία 6 κελιών σε ένα LTC Λειτουργία Multi-Transformer 62

72 Κάθε LTC περιέχει 6 ανεξάρτητους controllers διπλής κατεύθυνσης, οι οποίοι είναι ικανοί να φορτίζουν ή να εκφορτίζουν απευθείας ένα μεμονωμένο κελί. Κάθε balancer λειτουργεί ανεξάρτητα από τα υπόλοιπα, παρέχοντας έτσι τη δυνατότητα για μεταφορά ενέργειας και προς τις δυο κατευθύνσεις μεταξύ ενός κελιού και μιας μεγαλύτερης ομάδας κελιών. Αποτελείται από 48 ακροδέκτες και χρησιμοποιείται για 6 κελιά. Επομένως, για την εφαρμογή μας θα χρησιμοποιηθούν 2 LTC Η βασική του λειτουργία, ωστόσο, είναι η εξισορρόπηση (balancing), η αποδοτική δηλαδή μεταφορά φορτίου από/προς ένα επιλεχθέν «μη ισορροπημένο» κελί στη στοίβα προς/από μία μεγαλύτερη ομάδα γειτονικών κελιών (στην οποία περιλαμβάνεται και το ίδιο το κελί) έτσι ώστε να έρθει το κελί αυτό σε ισορροπία τάσης με τα γειτονικά του. Στο Σχ. 4-3 φαίνεται η φορά των ρευμάτων IPRIMARY και ISECONDARY. Να σημειωθεί ότι στο σχήμα αυτό, θεωρείται ενδεικτικά εφαρμογή με 12 κελιά, ονομαστική τάση κελιού 4V, και αυτεπαγωγή 10μH. Εκφόρτιση κελιού Όταν δοθεί εντολή εκφόρτισης για κάποιο κελί, κλείνει ο διακόπτης από τη μεριά του πρωτεύοντος και το ρεύμα στο πρωτεύον τύλιγμα του μετασχηματιστή αυξάνεται μέχρι μια επιθυμητή τιμή, η οποία ανιχνεύεται στον ακροδέκτη InP. Τότε, ο διακόπτης στο πρωτεύον ανοίγει και η αποθηκευμένη ενέργεια στο μετασχηματιστή μεταφέρεται στα κελιά που είναι στην πλευρά του δευτερεύοντος με συνέπεια το ρεύμα να ρέει στο δευτερεύον τύλιγμα του μετασχηματιστή. Κατά τη διάρκεια της μεταφοράς του ρεύματος, ο διακόπτης στο δευτερεύον είναι κλειστός για να ελαχιστοποιήσει τις απώλειες ισχύος, μέχρι το ρεύμα στο δευτερεύον να φτάσει στο 0. Αυτό ανιχνεύεται στον ακροδέκτη InS και τη στιγμή εκείνη ο διακόπτης του δευτερεύοντος ξανανοίγει, ενώ αυτός στο πρωτεύον κλείνει κι έτσι η ακολουθία επαναλαμβάνεται. Με αυτό τον τρόπο, επιτυγχάνεται η μεταφορά ενέργειας από το κελί που έχουμε επιλέξει να αποφορτίσουμε προς όλα τα κελιά που είναι συνδεδεμένα μεταξύ της αρχής και του τέλους της πλευράς του δευτερεύοντος. Παραπάνω περιγράφεται η αιτία εναλλαγής του σήματος που παίρνει στην πύλη του (gate) το MOSFET. Πρακτικά αυτό το σήμα δίνεται μόλις το ολοκληρωμένο 63

73 «διαβάσει» ένα δυναμικό 50mV στον αντίστοιχο ακροδέκτη όπου έχει δοθεί εντολή για εκφόρτιση. Επομένως, το ρεύμα αυτό ρυθμίζεται με μια αντίσταση τοποθετημένη σε σειρά με το MOSFET, της οποίας η τιμή υπολογίζεται με τη σχέση: R SNS_PRI = 50 mv I PEAK_PRI Το ρεύμα εκφόρτισης μιας μπαταρίας δεν πρέπει να είναι μεγαλύτερο από 1C σύμφωνα με τις προδιαγραφές του κατασκευαστή. Εμείς επιλέξαμε μια τιμή η οποία να είναι αρκετά μεγάλη μεν για όσο το δυνατόν γρήγορο balancing, αλλά και αρκούντος μικρή ώστε να μην έχουμε μεγάλη μετάπτωση στο ρεύμα. Έτσι, η επιλεχθείσα τιμή του balancing current είναι 3,125 Α, που αντιστοιχεί σε περίπου 0,45C. Επομένως, από την παραπάνω σχέση, η τιμή της αντίστασης θα είναι: R SNS_PRI = 50 mv 3,125 A R SNS_PRI = 16mΩ Σχήμα 4-3 Balancer κελιού 1. Φορά ρευμάτων I PRIMARY και I SECONDARY 64

74 Φόρτιση κελιού Για τη φόρτιση ακολουθείται η αντίστροφη διαδικασία. Όταν δοθεί εντολή φόρτισης για κάποιο κελί, κλείνει ο διακόπτης από τη μεριά του δευτερεύοντος και το ρεύμα αρχίζει να ρέει από τα κελιά που βρίσκονται στην πλευρά του δευτερεύοντος μέσω του μετασχηματιστή. Μόλις το ρεύμα αυτό φτάσει την τιμή IPEAK_SEC, όπως αυτή ανιχνεύεται στον ακροδέκτη InS, τότε ο διακόπτης στο δευτερεύον ανοίγει και το ρεύμα ρέει στην πλευρά του πρωτεύοντος, φορτίζοντας έτσι το επιλεχθέν κελί από όλη τη στοίβα των κελιών που είναι συνδεδεμένα στο δευτερεύον. Όπως στην περίπτωση της εκφόρτισης, έτσι κι εδώ, κατά τη διάρκεια της μεταφοράς του ρεύματος, ο διακόπτης στο πρωτεύον είναι κλειστός για να ελαχιστοποιήσει τις απώλειες ισχύος, μέχρι το ρεύμα στο πρωτεύον να μηδενιστεί. Μόλις γίνει αυτό, ο διακόπτης στο πρωτεύον ανοίγει ξανά, ενώ αυτός του δευτερεύοντος κλείνει, επαναλαμβάνοντας τη διαδικασία. Το IPEAK_SEC προγραμματίζεται μέσω hardware, και συγκεκριμένα με μια εξωτερική αντίσταση σε σειρά με το MOSFET, διαστασιολογημένη με βάση την ακόλουθη εξίσωση. Θα επιλεγεί η ίδια τιμή όπως και στην εκφόρτιση, δηλαδή IPEAK_SEC=3,125 Α. Επομένως, για την αντίσταση θα ισχύει: R SNS_SEC = 50 mv 50 mv R I SNS_SEC = PEAK_SEC 3,125 A R SNS_SEC = 16mΩ Σχήμα 4-4α Κύκλος εκφόρτισης ενός κελιού 65

75 Οι διαδικασίες της εκφόρτισης και της φόρτισης που περιγράφηκαν παραπάνω, απεικονίζονται στις κυματομορφές των Σχ. 4.4α και 4.4β αντίστοιχα. Οι χρόνοι έναυσης και σβέσης των MOSFET, που φαίνονται στα 2 αυτά σχήματα, εξαρτώνται από τον επιλεγμένο μετασχηματιστή, καθώς και από τον αριθμό των κελιών που θα συνδεθούν στο Ολοκληρωμένο. Συγκεκριμένα, δίνονται από τους παρακάτω τύπους για εκφόρτιση και φόρτιση: f discharge = f charge = S S + T V cell L pri I peak_pri S S + T V cell L pri I peak_sec T όπου S: Ο αριθμός των κελιών που είναι συνδεδεμένα στην πλευρά του δευτερεύοντος Τ: Ο λόγος μετασχηματισμού του μετασχηματιστή Vcell: Η τάση του κελιού Lpri: Η αυτεπαγωγή στο πρωτεύον τύλιγμα του μετασχηματιστή IPEAK_PRI, IPEAK_SEC: Το μέγιστο ρεύμα που περνάει από τα τυλίγματα του μετασχηματιστή Σχήμα 4.4β Κύκλος φόρτισης ενός κελιού 66

76 Επομένως για S=12, T=1, Vcell=3,9V, Lpri=3,4μΗ, IPEAK_PRI=IPEAK_SEC=3,125A, έχουμε: f discharge = ,9 3, ,125 f discharge = 338,82 khz f charge = ,9 3, ,125 1 f charge = 338,82 khz Άρα, η διάρκεια μιας περιόδου θα είναι: T discharge = 1 1 T f discharge = discharge 338, T discharge = 2,95μsec Σε μια συστάδα 12 κελιών, κατά τη διάρκεια εκφόρτισης έχουμε μεταφορά ενέργειας από ένα κελί προς 12 (μιας και το ρεύμα εκφόρτισης διαρρέει και το ίδιο το κελί). Επομένως, στη διάρκεια ενός κύκλου, το επιλεγμένο κελί θα εκφορτίζεται σε χρόνο t1, ο οποίος θα είναι 12πλάσιος από το χρόνο t2, που είναι ο χρόνος που θα χρειάζεται το ρεύμα αυτό να διαρρεύσει στα 12 κελιά που είναι συνδεδεμένα στην πλευρά του δευτερεύοντος. Με άλλα λόγια, θεωρώντας αμελητέες τις απώλειες ισχύος, θα ισχύει το κριτήριο των ίσων Εμβαδών και θα έχουμε ΕΑ=12 ΕΒ. Επομένως: t 1 = T discharge t 1 = 2,72μsec t 2 = 1 13 T discharge t 2 = 0,227μsec Με τον ίδιο τρόπο, οι ίδιοι χρόνοι προκύπτουν και για τη φόρτιση. Σύνδεση 2 Ολοκληρωμένων LTC Για τη σύνδεση 12 (ή και περισσότερων) κελιών απαιτείται το δευτερεύον κάθε μετασχηματιστή να είναι συνδεδεμένο 12 θέσεις ψηλότερα στη στοίβα από το κελί που βρίσκεται στο πιο χαμηλό δυναμικό σε κάθε Ολοκληρωμένο. Για το Ολοκληρωμένο που βρίσκεται στο υψηλότερο σημείο της στοίβας κάτι τέτοιο δεν είναι δυνατό, γι αυτό και το δευτερεύον του συνδέεται στην κορυφή της στοίβας. Επομένως, στο σημείο αυτό πρακτικά βραχυκυκλώνεται το πρωτεύον με το δευτερεύον του μετασχηματιστή που βρίσκεται στην κορυφή της στοίβας. Συνεπώς, πρέπει να συνδεθεί μία δίοδος Schottky σε σειρά με μία αντίσταση στα 6,8Ω έτσι ώστε να δίνεται επαρκής 67

77 τροφοδοσία για την ενεργοποίηση του balancing για το κορυφαίο κελί της στοίβας. Η τιμή αυτή της αντίστασης είναι διαστασιολογημένη με τέτοιο τρόπο ώστε να περιορίζει το ρεύμα που μπορεί να εμφανιστεί λόγω υπέρτασης κατά τη σύνδεση του τελευταίου κελιού σε τιμές κάτω του 1A. Μια μεγαλύτερη τιμή θα μπορούσε να προκαλέσει βλάβη στο Ολοκληρωμένο. Η συνδεσμολογία αυτή φαίνεται στο Σχ Σχήμα 4-5 Σύνδεση 12 κελιών Συγκριτές Οδήγηση MOSFETs Υπερτάσεις Όλοι οι ακροδέκτες που οδηγούν τα MOSFET από την πλευρά του δευτερεύοντος (G1S-G6S) τροφοδοτούνται από τον ακροδέκτη VREG, παίρνοντας την τιμή 4,8V όταν είναι σε κατάσταση on και το δυναμικό στο V - όταν είναι σε κατάσταση off. Αντίστοιχα, για την οδήγηση των MOSFET που βρίσκονται στο πρωτεύον (ακροδέκτες 68

78 G1P-G6P) η τροφοδοσία προέρχεται από τη διαφορά τάσης μεταξύ του αντίστοιχου κελιού και του αμέσως επόμενου. Ο balancer ενός κελιού ενεργοποιείται μόνο εάν η τάση που διαβάζει για το κελί αυτό είναι μεγαλύτερη των 2V καθώς και η τάση του επόμενου κελιού. Για παράδειγμα, για να οδηγηθεί το gate του 3 ου κελιού μέσω του ακροδέκτη G3P και να ενεργοποιηθεί το balancing, θα πρέπει το Ολοκληρωμένο να ανιχνεύει τις εξής 2 διαφορές δυναμικού: (C4 C3) 2V και (C3 C2) 2V. Για τον ακροδέκτη G6P, εάν υπάρχει άλλο LTC πιο ψηλά στη στοίβα, η σύγκριση γίνεται αντίστοιχα με αυτό. Εάν όχι, γίνεται έλεγχος μόνο ο ένας έλεγχος, δηλαδή θα πρέπει να ισχύει (C6 C5) 2V. Εάν ανιχνευτεί ανεπαρκής τροφοδοσία κατά τη διάρκεια που πραγματοποιείται balancing σε ένα κελί, τότε μόνο ο balancer όπου θα ανιχνευτεί πρόβλημα θα σταματήσει να λειτουργεί. Η εντολή για balancing θα παραμείνει αποθηκευμένη στη μνήμη και θα συνεχιστεί όταν επανέλθει η απαραίτητη τροφοδοσία. Αυτό μπορεί να συμβεί, για παράδειγμα, εάν φορτίζεται η στοίβα. Πέρα από τις συγκρίσεις για τον έλεγχο επαρκούς τροφοδοσίας των MOSFET, υπάρχουν πρόσθετοι συγκριτές οι οποίοι απενεργοποιούν όλες τις εντολές εξισορρόπησης σε περίπτωση που ανιχνευθεί τάση σε ένα κελί μεγαλύτερη από 5V. Όπως και προηγουμένως, η εντολή για balancing θα παραμείνει αποθηκευμένη στη μνήμη και θα συνεχιστεί εάν η τάση του κελιού επανέλθει στα επιτρεπτά όρια. Οι συγκριτές αυτοί προστατεύουν το Ολοκληρωμένο σε περίπτωση που χαθεί μία επαφή με το κελί κατά τη διάρκεια του balancing και η τάση του συνεχίσει να αυξάνεται λόγω αυτού του balancing. Κύκλωμα επιτήρησης λειτουργίας (Watchdog Timer Circuit) Το κύκλωμα επιτήρησης λειτουργίας παρέχει ένα τρόπο απενεργοποίησης όλων των διαδικασιών balancing σε περίπτωση που χαθεί η επικοινωνία του Ολοκληρωμένου, ενώ είναι υπεύθυνο και για την αρχικοποίηση του συστήματος στη συνέχεια. Η λογική λειτουργίας του είναι η εξής: Αρχικοποιείται κάθε φορά που ξεκινάει να εκτελείται μια εντολή balancing και επανέρχεται στο μηδέν όποτε εγγράφεται μια έγκυρη εντολή 8- bit. Αυτή η εντολή μπορεί να είναι εντολή εκτέλεσης, εγγραφής ή ανάγνωσης. Στο Σχ. 4.6 φαίνεται το κύκλωμα του Watchdog στο εσωτερικό του LTC Σύμφωνα με αυτό το σχήμα, στην αρχική ενεργοποίηση του συστήματος και χωρίς να 69

79 γίνεται balancing, ο ακροδέκτης WDT βρίσκεται σε κατάσταση high και θα συνδεθεί με τον ακροδέκτη VREG μέσω μιας εξωτερική αντίσταση RWDT=20kΩ. Όσο γίνεται balancing και το ολοκληρωμένο λειτουργεί κανονικά, ο ακροδέκτης WDT μεταβαίνει σε κατάσταση low, μέσω μιας πηγής ρεύματος με τιμή 1,2V/RTONS. Εμείς επιλέγουμε την RTONS ίση με 15kΩ, επομένως το ρεύμα αυτό θα είναι 80μΑ. Εάν δε δοθεί έγκυρη εντολή για εγγραφή για 1,5 δευτερόλεπτο, τότε ο ακροδέκτης WDT θα επανέλθει σε κατάσταση high. Όταν το WDT είναι σε κατάσταση high, όλοι οι balancers απενεργοποιούνται, κρατώντας όμως αποθηκευμένες τις εντολές στη μνήμη. Μετά από αυτή την κατάσταση διακοπής, θα ακολουθήσει μια έγκυρη εντολή η οποία θα επανεκκινήσει το Watchdog. Ωστόσο, οι balancers θα επανεκκινήσουν μόνο όταν εγγραφεί εντολή εκτέλεσης. Σχήμα 4-6 Κύκλωμα Επιτήρησης Λειτουργίας (Watchdog Timer Circuit) Επικοινωνία με μικροελεγκτή SPI Το πρωτόκολλο επικοινωνίας των Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων που χρησιμοποιήθηκαν με μικροελεγκτή είναι το SPI (Serial Peripheral Interface). Πρόκειται για μια σειριακή επικοινωνία για μικρές αποστάσεις και οι συσκευές που το χρησιμοποιούν ακολουθούν την αρχιτεκτονική Master Slave. Στην περίπτωσή μας ως κύρια συσκευή (Master) λαμβάνεται υπόψη ο μικροελεγκτής και είναι υπεύθυνο για 70

80 την αρχικοποίηση καθώς και τον έλεγχο της επικοινωνίας, ενώ ως Slave μπορούν να συνδεθούν μέχρι και 16 ολοκληρωμένα LTC3300-2, δηλαδή δίνεται η δυνατότητα για εν σειρά σύνδεση 192 κελιών. Επίσης, για την παράλληλη σύνδεσή τους με τον μικροελεγκτή χρησιμοποιήθηκαν Digital Isolators. Για την επικοινωνία μέσω SPI χρειάζονται 4 σήματα (ακροδέκτες). Η λειτουργία κάθε σήματος είναι η εξής: MISO (Master In Slave Out): η είσοδος του καταχωρητή ολίσθησης της κύριας διάταξης και η έξοδος του καταχωρητή ολίσθησης της MOSI (Master Out Slave In): η έξοδος του καταχωρητή ολίσθησης της κύριας διάταξης και η είσοδος του καταχωρητή ολίσθησης της SCLK (Serial Clock): Στην κύρια διάταξη, το σήμα αυτό είναι η έξοδος της γεννήτριας χρονισμού. SS (Slave Select): Σε μια εγκατάσταση SPI μπορούν να συνδεθούν πολλές δευτερεύουσες διατάξεις. Το σήμα SS επιλέγει με ποια θα επικοινωνήσουμε. Οι ακροδέκτες MOSI και MISO θα συνδεθούν μεταξύ τους έτσι ώστε να σχηματίσουν μία θύρα διπλής κατεύθυνσης. Οι 5 ακροδέκτες διευθυνσιοδότησης (A0 μέχρι Α4) καθορίζουν τη διεύθυνση κάθε Ολοκληρωμένου. Ο ακροδέκτης V - αντιστοιχεί στο 0, ενώ ο VREG στο 1. Έτσι, για το Ολοκληρωμένο που βρίσκεται στο κάτω μέρος της στοίβας για να είναι η διεύθυνση (Α4Α3Α2Α1Α0) ίση με (00000) θα συνδεθούν όλοι οι ακροδέκτες στο V -. Για το 2 ο LTC ο ακροδέκτης Α0 θα συνδεθεί στο VREG και οι υπόλοιποι στο V -, επομένως η διεύθυνσή του θα είναι (00001). Η επικοινωνία στο LTC πραγματοποιείται με το SS στο λογικό low. Τα πρώτα 8 bits δεδομένων μετά από μια high-to-low μετάβαση στο SS αναπαριστούν την εντολή. Η 8-bit εντολή γράφεται με το πρώτο bit να είναι το πιο σημαντικό bit (Most Significant Bit MSB), όπως φαίνεται στον Πίνακα 4.1. Τα πρώτα 5 bits πρέπει να αντιστοιχίζονται στη διεύθυνση όπως αναφέρθηκε προηγουμένως του κάθε Ολοκληρωμένου (Α4Α3Α2Α1Α0), ειδάλλως όλα τα δεδομένα που έπονται θα αγνοηθούν μέχρι το SS να μεταβεί στο high και μετά πάλι στο low. Το 6ο και το 7ο bit ορίζουν μία από τις τέσσερις εντολές όπως αυτές φαίνονται στον Πίνακα 4.2. Το 8ο και 71

81 τελευταίο bit πρέπει να ρυθμιστή έτσι ώστε ολόκληρη η εντολή να έχει ζυγή ισότητα (even parity). Εάν η ισότητα δεν είναι σωστή, η εντολή balancing που εκτελείται (από την προηγούμενη επιτυχημένη εγγραφή) τερματίζεται αμέσως και όλα τα ακόλουθα δεδομένα αγνοούνται μέχρις ότου το SS να μεταβεί από high σε low ξανά. Αυτό συμβαίνει είτε η διευθυνσιοδότηση είναι σωστή, είτε όχι. Με αυτόν τον τρόπο παρέχεται ένας εύκολος τρόπος για τερματιστεί άμεσα μια εντολή balancing που βρίσκεται σε εξέλιξη, γράφοντας μία εντολή με λανθασμένη ισότητα. Πίνακας 4-1 Command Byte Bit Mapping A4 (MSB) A3 A2 A1 A0 CMDA CMDB PARITY BIT (LSB) Πίνακας 4-2 Command Bits CMDA CMDB Δράση 0 0 Εγγραφή εντολής εξισορρόπησης 0 1 Ανάκτηση εντολής εξισορρόπησης 1 0 Ανάγνωση κατάστασης εξισορρόπησης 1 1 Εκτέλεση εντολής εξισορρόπησης Εγγραφή εντολής εξισορρόπησης (Write Balance Command) Κάθε χρονική στιγμή, οι δράσεις που μπορεί να εκτελέσει το LTC είναι τρεις για κάθε κελί ξεχωριστά. Τα πρώτα 12 από τα 16 bits της εντολής εξισορρόπησης χρησιμοποιούνται για να υποδείξουν ποιος balancer (ή ποιοι balancers) είναι ενεργός και προς ποια διεύθυνση (φόρτιση ή εκφόρτιση). Η κατάσταση καθενός από τους 6 balancers ορίζεται από 2 bits, όπως αυτά φαίνονται στον Πίνακα 4.3. Ο αλγόριθμος balancing για ένα κελί είναι ο εξής: Φόρτιση κελιού n: Αύξηση του ρεύματος στο δευτερεύον τύλιγμα μέχρι την τιμή IPEAK, πτώση του ρεύματος στο πρωτεύον τύλιγμα μέχρι το 0. Επανάληψη. Εκφόρτιση κελιού n: Αύξηση του ρεύματος στο πρωτεύον τύλιγμα μέχρι την τιμή IPEAK, πτώση του ρεύματος στο δευτερεύον τύλιγμα μέχρι το 0. Επανάληψη. 72

82 Πίνακας 4-3 Bits Ελέγχου του Balancer κάθε κελιού DnA DnB Δράση 0 0 Καμία 1 0 Εκφόρτιση n-οστού κελιού 1 1 Φόρτιση n-οστού κελιού Τα υπόλοιπα 4 bits αφορούν τη λειτουργία του Cycle Redundancy Check (CRC), μέσω της οποίας ελέγχεται η ορθότητα κάθε εντολής. Μια εντολή εγγραφής με 16-bit θα έχει τη μορφή που φαίνεται στον Πίνακα 4.4, με το 1 ο bit να είναι το MSB. Πίνακας Χάρτης των bits. Εγγραφή Εντολής Εξισορρόπησης D1A (MSB) D1B D2A D2B D3A D3B D4A D4B D5A D5B D6A D6B CRC(3) CRC(2) CRC(1) CRC(0) (LSB) Ανάκτηση εντολής εξισορρόπησης Η αντιστοίχιση bit (bit mapping) για την Ανάκτηση της εντολής εξισορρόπησης είναι πανομοιότυπη με αυτή της Εγγραφής εντολής εξισορρόπησης. Αυτή η εντολή δίνει τη δυνατότητα στον μικροελεγκτή να επαληθεύσει τις εντολές που έχουν εγγραφεί, προτού αυτές εκτελεστούν. Ανάγνωση κατάστασης εξισορρόπησης Τα πρώτα 6 bits της Ανάγνωσης κατάστασης εξισορρόπησης υποδεικνύουν αν υπάρχει επαρκής τροφοδοσία για να οδηγήσει τα gates για κάθε έναν από τους 6 balancers. Αυτά τα bits ανταποκρίνονται στους συγκριτές οδήγησης που αναφέρθηκαν παραπάνω, αλλά μπορούν να έχουν λογικό high για ένα balancer που ακολουθεί μια εντολή εκτέλεσης η οποία αφορά αυτό το ίδιο balancer. Εάν ένας balancer δεν είναι ενεργός, το αντίστοιχο Gate Drive OK bit του θα είναι λογικό low. To 6 o bit δείχνει ότι τα 6 κελιά δεν υπερβαίνουν την επιτρεπτή τάση, το 7 ο ότι στο δευτερεύον του μετασχηματιστή δεν εμφανίζεται υπέρταση και το 8 ο ότι η θερμοκρασία του LTC είναι στα επιτρεπτά όρια. Αυτά τα 3 bits μπορούν να είναι μόνο λογικό high 73

83 ακολουθώντας μια εντολή εκτέλεσης που να αφορά τουλάχιστον έναν balancer. Τέλος, τα bits 10, 11, 12 δε χρησιμοποιούνται, επομένως είναι λογικά 0. Πίνακας Χάρτης των bits. Ανάγνωση Κατάστασης Εξισορρόπησης Gate Drive 1 OK (MSB) Gate Drive 2 OK Gate Drive 3 OK Gate Drive 4 OK Gate Drive 5 OK Gate Drive 6 OK Cells Not OV Sec Not OV Temp OK CRC(3) CRC(2) CRC(1) CRC(0) (LSB) Εκτέλεση εντολής εξισορρόπησης Αν τα bit της εντολής ορίζουν την Εκτέλεση μιας εντολής εξισορρόπησης, η τελευταία επιτυχώς εγγεγραμμένη εντολή θα εκτελεστεί άμεσα. Όλα τα δεδομένα εγγραφής που έπονται θα αγνοηθούν μέχρι το SS να μεταβεί στο high και μετά πάλι στο low. 2) LTC Η λειτουργία του balancing γενικά εμπεριέχει ρεύματα που μεταβάλλονται συνεχώς μεταξύ των κελιών, γεγονός που καθιστά απαραίτητη τη χρήση ενός ακόμα Ολοκληρωμένου, το οποίο θα έχει αποκλειστικό ρόλο την ακριβή μέτρηση της τάσης των κελιών. Το ολοκληρωμένο που επιλέχθηκε για αυτή τη χρήση είναι το LTC6803-4, το οποίο είναι επίσης υπεύθυνο για την απεικόνιση (monitoring) των τάσεων αυτών. Πρόκειται για ένα Ολοκληρωμένο που είναι ικανό για την ακριβή μέτρηση τάσης 12 κελιών συνδεδεμένων σε σειρά. Ένας πολυπλέκτης 12 εισόδων συνδέει τα κελιά με μια δέλτα-σίγμα μετατροπή σήματος από αναλογικό σε ψηφιακό (delta-sigma analogto-digital converter ΔΣ ADC) των 12-bit. Χρησιμοποιώντας αυτού του είδους τη μετατροπή εκμεταλλευόμαστε το γεγονός ότι γίνεται συχνή δειγματοληψία της εισόδου, η οποία φιλτράρεται για να παράγει στη συνέχεια την ψηφιακή έξοδο. Αυτή η μέθοδος προτιμάται όταν έχουμε να κάνουμε μετρήσεις σε περιβάλλοντα με υψηλό θόρυβο. Το μπλοκ διάγραμμά που δείχνει το εσωτερικό του Ολοκληρωμένου φαίνεται στο Σχ

84 Σχήμα 4-7 Μπλοκ διάγραμμα LTC Όπως και στο LTC3300-2, έτσι και εδώ η επικοινωνία με τον μικροελεγκτή επιτυγχάνεται μέσω SPI με χρήση Digital Isolators, όπου και πάλι το LTC έχει το ρόλο του slave. Η διαφορά εδώ είναι ότι οι ακροδέκτες διευθυνσιοδότησης είναι 4, αντί για 5, επομένως έχουμε τους ακροδέκτες (A3A2A1A0), οι οποίοι για να σχηματίσουν τη διεύθυνση (0000) θα συνδεθούν όλοι στον ακροδέκτη V -. Οι βασικές λειτουργίες του LTC είναι τρεις: Διακοπή λειτουργίας υλικού (hardware shutdown), αναμονή (standby) και μέτρηση (measure). Η πρώτη είναι μια λειτουργία μηδενικής ισχύος, η δεύτερη είναι μια κατάσταση εξοικονόμησης ισχύος, όπου όλα τα κυκλώματα εκτός από το serial interface είναι ανενεργά, ενώ τέλος, στη λειτουργία της μέτρησης το Ολοκληρωμένο χρησιμοποιείται για να μετρήσει τις τάσεις των κελιών και να τις αποθηκεύσει στη μνήμη. Επιπλέον, στη λειτουργία της μέτρησης, απεικονίζονται οι τάσεις των κελιών για τις περιπτώσεις της υπέρτασης (overvoltage OV) και υπότασης (undervoltage UV). 75

85 Λειτουργία Διακοπής Υλικού Σε περίπτωση όπου ο ακροδέκτης V + αποσυνδεθεί από τους ακροδέκτες των κελιών και το battery pack, θα έχει τάση 0. Εάν γίνει αυτό, όλα τα υποκυκλώματα του Ολοκληρωμένου θα απενεργοποιηθούν και το ρεύμα που θα τραβάει από τα κελιά θα είναι πολύ μικρό, μικρότερο από 1nA. Σε αυτή την περίπτωση δεν είναι εφικτή η επικοινωνία με το Ολοκληρωμένο. Λειτουργία Αναμονής Το LTC όταν ενεργοποιείται έχει ως default λειτουργία αυτή της αναμονής. Η λειτουργία αναμονής είναι η κατάσταση με τη χαμηλότερη κατανάλωση ρεύματος όπου έχουμε παροχή. Το ρεύμα σε κατάσταση standby είναι τυπικά 12μΑ για τάση V + =44V. Όλα τα υποκυκλώματα είναι απενεργοποιημένα, εκτός του serial inrerface και του voltage regulator. Για τη χαμηλότερη κατανάλωση ρεύματος, όλες οι είσοδοι του SPI ρυθμίζονται να έχουν την τιμή του λογικού 1. Το Ολοκληρωμένο μπορεί να προγραμματιστεί για τη λειτουργία Αναμονής ορίζοντας τα bits του Comperator Duty Cycle (CDC) στο 0. Εάν η λειτουργία αυτή ενεργοποιηθεί κατά τη διάρκεια που γίνονται ADC μετρήσεις, οι μετρήσεις αυτές θα διακοπούν και οι καταχωρητές της τάσης των κελιών θα αποκτήσουν απροσδιόριστη κατάσταση. Για την έξοδο από τη λειτουργία Αναμονής, τα bits του CDC πρέπει να αποκτήσουν τιμή διάφορη του μηδενός. Λειτουργία Μέτρησης Όταν τα bits του CDC έχουν προγραμματιστεί σε τιμές από 1 έως 7, το Ολοκληρωμένο βρίσκεται σε λειτουργία Μέτρησης. Όταν είναι CDC=1 το Ολοκληρωμένο είναι σε λειτουργία και περιμένει αρχική εντολή A/D μετατροπής. Όταν είναι μεταξύ 2 και 7 απεικονίζει την τάση κάθε κελιού και παράγει σήμα interrupt στον ακροδέκτη MISO υποδεικνύοντας ότι οι τάσεις όλων των κελιών είναι στα επιτρεπτά όρια και δεν έχουμε OV ή UV. Οι τιμές των CDC bits καθορίζουν πόσο συχνά γίνεται monitoring των κελιών και πόσο είναι το μέσο ρεύμα τροφοδοσίας που καταναλώνεται. Μία ADC μέτρηση μπορεί να ζητηθεί οποιαδήποτε στιγμή όταν το Ολοκληρωμένο βρίσκεται σε λειτουργία Μέτρησης. Για την αρχικοποίηση της μέτρησης τάσης στέλνεται μια εντολή Εκκίνησης A/D μετατροπής και αφού γίνει αυτό, κατά τη 76

86 διάρκεια των μετρήσεων των τάσεων επικαιροποιούνται τα όρια των τιμών για OV και UV. Όταν οι μετρήσεις ολοκληρωθούν, οι καταστάσεις OV και UV θα συνεχίσουν να απεικονίζονται με ρυθμό που θα καθορίζεται από τα CDC bits. Χαμηλοπερατό φίλτρο τάσης κελιών Το Ολοκληρωμένο χρησιμοποιεί σύστημα δειγματοληψίας για να κάνει τις A/D μετατροπές και παρέχει αποτέλεσμα μετατροπής που είναι ουσιαστικά ένας μέσος όρος πάνω από το χρονικό παράθυρο των 0,5ms, το οποίο δεν κάνει επικάλυψη θορύβου, αφού τηρείται η προδιαγραφή της δέλτα σίγμα διαμόρφωσης των 512kHz. Αυτό δείχνει ότι ένα χαμηλοπερατό φίλτρο με απόσβεση 30dB στα 500kHz είναι επωφελές. Αφού το εύρος ζώνης της δέλτα σίγμα διαμόρφωσης είναι περίπου 1kHz, η συχνότητα αποκοπής του φίλτρου δεν πρέπει να είναι μικρότερη από αυτήν για να επιτύχει ακριβείς μετατροπές. Στους ακροδέκτες C1-C12 θα τοποθετηθούν εν σειρά αντιστάσεις των 100Ω, χωρίς να υπεισέρχεται σημαντικό σφάλμα στη μέτρηση. Επίσης, θα τοποθετηθούν πυκνωτές των 100nF ως προς τη γείωση (V - ), δημιουργώντας έτσι ένα RC φίλτρο, όπως φαίνεται και στο Σχ Η συχνότητα του φίλτρου θα είναι: f c = 1 2πRC = 1 2π f c = 15,9 khz Σχήμα 4-8 Χαμηλοπερατό φίλτρο RC Διατηρώντας τη συχνότητα αποκοπής του φίλτρου σχετικά υψηλή, δίνουμε τη δυνατότητα για επαρκή ρύθμιση πριν από την πραγματική μετατροπή. Στο timer της A/D μετατροπής δίνεται μια καθυστέρηση περίπου 500μs, έτσι ώστε το χαμηλοπερατό φίλτρο που επιλέξαμε στα 16kHz να είναι βέλτιστο και να παρέχει 30dB απόρριψης θορύβου. 77

87 Μέτρηση θερμοκρασίας Το LTC περιλαμβάνει 2 κανάλια εισόδου, τα VTEMP1 και VTEMP2, τα οποία μπορούν μέσω A/D μετατροπής να μετρήσουν και να απεικονίσουν τη θερμοκρασία των κελιών με τη χρήση θερμίστορς. Τα θερμίστορς οδηγούνται από αντιστάσεις των 100kΩ οι οποίες τροφοδοτούνται απευθείας από τον ακροδέκτη VREF όπως φαίνεται στο Σχ Σχήμα 4-9 Σύνδεση thermistors Flyback Transformers Οι flyback μετασχηματιστές είναι από τα σημαντικότερα κομμάτια του συστήματός μας, καθώς είναι αυτοί που διαχειρίζονται το ρεύμα του balancing. Επιλέχθηκαν οι μετασχηματιστές της εταιρίας Coilcraft και συγκεκριμένα το μοντέλο MA5421-AL, με αυτεπαγωγή πρωτεύοντας ίση με 3,4μH. Το datasheet των μετασχηματιστών βρίσκεται στο Παράρτημα Διακοπτικά στοιχεία (MOSFETs) Το datasheet του LTC προτείνει ορισμένα μοντέλα MOSFET που κυκλοφορούν στην αγορά. Επιλέχτηκε το μοντέλο SiS892DN της εταιρίας Vishay, τόσο για τη μεριά του πρωτεύοντος, όσο και για του δευτερεύοντος, μιας και θα διαρρέονται από το ίδιο ρεύμα. Η μέγιστη τάση VDS για την οποία είναι διαστασιολογημένα είναι 100V. Το datasheet των MOSFETs βρίσκεται στο Παράρτημα. 78

88 Digital Isolators Όπως περιγράψαμε παραπάνω, για την επικοινωνία μεταξύ των Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων και του Μικροελεγκτή, είναι απαραίτητη η χρήση Digital Isolators. Το πρωτόκολλο επικοινωνίας SPI έχει 4 διαύλους, σε μορφή 3/1. Για την απομόνωση των τάσεων στις 2 πλευρές του κυκλώματος, χρησιμοποιούνται διαφορετικές γειώσεις, όπως φαίνεται στο Σχ Όσον αφορά τις τροφοδοσίες, το συγκεκριμένο Digital Isolator μας δίνει τη δυνατότητα διαφορετικής τροφοδοσίας στις 2 πλευρές. Έτσι, από την πλευρά των Ολοκληρωμένων της Linear Technology θα έχουμε σαν τάση τροφοδοσίας τα 5V, ενώ από αυτή του μικροελεγκτή θα έχουμε τροφοδοσία 3,3V. Τέλος, μεταξύ τροφοδοσίας και γείωσης κάθε πλευράς τοποθετούνται πυκνωτές χωρητικότητας 0,1μF για σταθεροποίηση της τάσης. Σχήμα 4-10 Σχηματικό 3/1 Digital Isolator Snubber (κυκλώματα εξωτερικής προστασίας) Κατά τη διάρκεια των μεταβάσεων στα διακοπτικά στοιχεία -όπως είναι τα MOSFETs στην περίπτωσή μας- εμφανίζονται υπερτάσεις οι οποίες τα καταπονούν εάν δεν περιοριστούν σε επιθυμητά επίπεδα. Τα επίπεδα αυτά καθορίζονται συνήθως από τις προδιαγραφές του κατασκευαστή των διακοπτών. Για την προστασία των στοιχείων από αυτές τις καταπονήσεις τοποθετούνται κυκλώματα εξωτερικής προστασίας 79

89 (snubber). Πιο συγκεκριμένα, ένα κύκλωμα snubber μειώνει τις καταπονήσεις μετάβασης σε ασφαλή επίπεδα με τους εξής τρόπους: Μειώνει τις τάσεις που εφαρμόζονται στα στοιχεία κατά τη διάρκεια των μεταβατικών φαινομένων σβέσης. Μειώνει τα ρεύματα που εμφανίζονται στο στοιχείο κατά τη διάρκεια των μεταβατικών των φαινομένων έναυσης. Μειώνει το ρυθμό αύξησης του ρεύματος (di/dt) στα στοιχεία τη στιγμή της έναυσης, Μειώνει τον ρυθμό αύξησης των τάσεων (dv/dt) στους ακροδέκτες του στοιχείου κατά τη διάρκεια της σβέσης. Διαμορφώνει τη διαδρομή μετάβασης του στοιχείου, καθώς αυτό ανοίγει και κλείνει. Πρέπει να δοθεί ιδιαίτερη προσοχή σε κάθε προσωρινή κυμάτωση της τάσης που εμφανίζεται στα MOSFET που βρίσκονται τόσο στο πρωτεύον, όσο και στο δευτερεύον της εφαρμογής. Η κορυφή της κυμάτωσης δεν πρέπει να πλησιάζει και να υπερβαίνει την τάση διάσπασης απαγωγού-πηγής (breakdown voltage) για την οποία είναι διαστασιολογημένο το MOSFET που έχει επιλεγεί. Για το λόγο αυτό, χρησιμοποιήθηκε ένα κύκλωμα snubber, το οποίο αποτελείται από μια αντίσταση και ένα πυκνωτή συνδεδεμένα παράλληλα σε κάθε τύλιγμα του μετασχηματιστή. Το κύκλωμα αυτό πρακτικά θα προκαλέσει μια πολύ μικρή ελάττωση της απόδοσης του συστήματός μας, ωστόσο θα διατηρήσει τα MOSFET στην ασφαλή περιοχή. Οι πυκνωτές που χρησιμοποιήθηκαν είναι 120pF, στα 100V, τόσο για το πρωτεύον όσο και για το δευτερεύον, ενώ όσον αφορά τις αντιστάσεις, αυτές είναι 20Ω στο πρωτεύον και 330Ω στο δευτερεύον Υπόλοιπα Εξαρτήματα Εκτός από τα εξαρτήματα που περιγράφηκαν παραπάνω, έγινε έρευνα αγοράς και επιλογή για πλήθος άλλων στοιχείων, όπως αντιστάσεις, πυκνωτές, δίοδοι, φωτοδίοδοι 80

90 (LEDs), thermistors και connectors. Ο συνολικός αριθμός των εξαρτημάτων ανέρχεται σε 323 και παρουσιάζονται αναλυτικά στο Παράρτημα Μονογραμμικό Παρακάτω στο Σχ φαίνεται συνοπτικά το μονογραμμικό σχέδιο του συστήματός μας, όπου περιλαμβάνονται τα ολοκληρωμένα, οι digital isolators και η σύνδεση αυτών με τα κελιά και τον μικροελεγκτή. Σχήμα 4-11 Μονογραμμικό Σχέδιο 4.3. Σχέδια πλακέτας Σχηματικό Για τη σχεδίαση στο Altium Designer τόσο των Σχηματικών (Schematics), όσο και των Αποτυπωμάτων (PCB footprints), δημιουργήθηκε μια νέα Βιβλιοθήκη, η οποία 81

91 περιέχει όλα τα εξαρτήματα που θα χρησιμοποιηθούν. Το πρώτο βήμα είναι ο σχεδιασμός των σχηματικών. Τροφοδοσίες και γειώσεις Το σύστημά μας αποτελείται από 3 βασικά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα, τα οποία υλοποιούν το Balancing και το Monitoring των κελιών. Όπως περιγράφεται από τα αντίστοιχα datasheets, τα Ολοκληρωμένα αυτά τροφοδοτούνται απευθείας από τα κελιά. Εάν αριθμήσουμε τα 12 κελιά θεωρώντας ως 1 ο το κελί το οποίο βρίσκεται χαμηλότερα στη στοίβα και ως 12 ο αυτό που βρίσκεται στην κορυφή, προκύπτει το εξής: Το 1 ο LTC (με ονομασία U1 στο σχέδιο) τροφοδοτείται όταν συνδεθούν σε αυτό τα κελία από το C1 ως το C6. Αντίστοιχα, το 2 ο LTC (U2) όταν συνδεθούν τα κελιά C7 ως C12. Τέλος, για το LTC (U3) πρέπει να συνδεθούν όλα τα κελιά στην πλακέτα, έτσι ώστε ο ακροδέκτης V + που είναι συνδεδεμένος με τον ακροδέκτη C12 να βρεθεί στο υψηλότερο δυναμικό της στοίβας κι έτσι να μπει σε λειτουργία. Η τροφοδοσία των Digital Isolators είναι 3,3V και θα παρέχεται από μια έξοδο του μικροελεγκτή. Όσον αφορά τις γειώσεις, όπως αναφέρθηκε στην παράγραφο για τους Digital Isolators, θα πρέπει να είναι διαφορετικές στις 2 πλευρές. Για τους 3 Digital Isolators που χρησιμοποιούνται, ωστόσο, η πλευρά που θα συνδεθεί στον μικροελεγκτή θα έχει κοινή γείωση, την GND. Τα U1 και U3, εφόσον έχουν το ίδιο δυναμικό γης, θα έχουν κοινή γείωση, δηλαδή θα ισχύει GND1 GND3, ενώ τέλος, το U2 θα έχει δική του γείωση, την GND2. Αυτή πρακτικά θα βρίσκεται στο δυναμικό C6 του U1, μιας και το 1 ο κελί που συνδέεται σε αυτή θα είναι το C7. Μεταξύ των ακροδεκτών τροφοδοσίας και γείωσης συνδέονται πυκνωτές για σταθεροποίηση της τάσης. Είναι καλή πρακτική οι πυκνωτές αυτοί να είναι όσο το δυνατόν πιο κοντά γίνεται στους Digital Isolators, κάτι το οποίο εφαρμόστηκε. Επίσης, εκτός από τους κεραμικούς πυκνωτές, τοποθετήθηκαν παράλληλα και προσημασμένοι πυκνωτές τανταλίου, έτσι ώστε πέρα από τις υψηλές, να έχουμε αποκοπή και στις χαμηλές συχνότητες. 82

92 Εξωτερικές Συνδέσεις Στην πλακέτα υπάρχουν 9 connectors. Οι 6 (J1-J6) είναι 2 ακροδεκτών και σε αυτούς συνδέονται τα 12 κελιά. Ο 7 ος και ο 8 ος (J7-J8) είναι επίσης 2 ακροδεκτών και είναι για τη σύνδεση των thermistors και ο τελευταίος (CONN1) είναι 4 ακροδεκτών, στους οποίους συνδέονται καλώδια για τα 4 σήματα του SPI. Δίοδοι/Πυκνωτές Για τους μετασχηματιστές και τα MOSFETs της διάταξής μας είναι σημαντικό να διατηρούνται οι περιοχές που τα περιβάλλουν όσο το δυνατόν πιο σταθερές και αμετάβλητες, λόγω των 2 βρόχων υψίσυχνων εναλλαγών των ρευμάτων. Αυτό επιτυγχάνεται σε σημαντικό βαθμό με την προσθήκη βοηθητικών πυκνωτών τοπικά στο κύκλωμα ισχύος: 2 στο πρωτεύον (C1-C12 και CP1-CP12) μεταξύ των κελιών και με έναν στο δευτερεύον (CR1-CR12) μεταξύ το άκρο του μετασχηματιστή και στο τοπικό V -. Επίσης, τοποθετούνται δίοδοι (D1-D12) αντιπαράλληλα με τα κελιά, οι οποίες προσφέρουν ένα εναλλακτικό μονοπάτι για το ρεύμα σε περίπτωση αποσύνδεσης ενός κελιού, προστατεύοντας έτσι το Ολοκληρωμένο Σχεδίαση PCB Layering Σχετικά με τον αριθμό των layers της πλακέτας, θεωρήθηκε ότι η χρήση περισσότερων από 2 επιπέδων θα αύξανε την πολυπλοκότητα της σχεδίασης. Έτσι, για λόγους απλότητας χρησιμοποιήθηκαν 2 layers, το top layer και το bottom layer. Rooting Η όδευση των διαδρομών επάνω στην πλακέτα είχε έναν βασικό διαχωρισμό: Τις διαδρομές για τα ρεύματα που διαρρέονται από/προς τα κελιά και τις διαδρομές για τα σήματα. Οι πρώτες διαρρέονται από μεγάλα ρεύματα, γι αυτό και επιλέχθηκε πάχος γραμμής 0,45mm και διπλή διαδρομή για τη σύνδεση μεταξύ των μετασχηματιστών, ενώ για τα σήματα το πάχος των διαδρομών είναι 0,2mm. Τα παραπάνω, μαζί με τις αντίστοιχες διαστάσεις των vias φαίνεται στα Σχ και

93 Σχήμα 4-12 Διαστάσεις διαδρομών και vias. High current path Διαστάσεις Με δεδομένο ότι όλες οι μετρήσεις και οι προσομοιώσεις έγιναν για το μοντέλο LPA της εταιρίας Melasta, τέθηκε ως στόχος οι διαστάσεις της πλακέτας να είναι τέτοιες ώστε να ταυτίζεται με μια συστάδα 24 τέτοιων κελιών με συνδεσμολογία 12s2p. Έτσι, οι τελικές διαστάσεις της πλακέτας είναι 186 x 67,4 mm. Σύμφωνα με 84

94 αυτές τις προδιαγραφές, σχεδιάστηκε σε σχεδιαστικό πρόγραμμα CAD, και πιο συγκεκριμένα στο Inventor 2015 της Autodesk, ένα κουτί μπαταριών στο πάνω μέρος του οποίου εφαρμόζει η πλακέτα, όπως φαίνεται στο Σχ Επίσης, στα Σχ και 4.16 φαίνεται το τελικό σχέδιο της πλακέτας, τόσο σε σχέδιο 2D όσο και σε 3D. Σχήμα 4-13 Διαστάσεις διαδρομών και vias. Low current path 85

95 Σχήμα 4-15 Σύνδεση PCB πλακέτας με 24 κελιά Σχήμα 4-14 Τρισδιάστατο σχέδιο πλακέτας 86

96 Σχήμα 4-16 Δισδιάστατο σχέδιο πλακέτας 87

97 4.4. Κατασκευή πλακέτας Στήσιμο πειραματικής διάταξης Παρακάτω ακολουθεί φωτογραφικό υλικό από τα διάφορα στάδια κατασκευής της πλακέτας, καθώς και της πειραματικής διάταξης που σχεδιάστηκε προκειμένου να γίνουν οι δοκιμές πάνω σε αυτήν. Η κόλληση των εξαρτημάτων της πλακέτας, καθώς και όλη η διαδικασία (πλην της PCB εκτύπωσης) πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρικών Μηχανών, με τη βοήθεια και την επίβλεψη των Υποψήφιων Διδακτόρων του Εργαστηρίου. Για το στήσιμο της πειραματικής διάταξης, χρησιμοποιήθηκαν τα παρακάτω υλικά. 12 κελιά Λιθίου Πολυμερούς Melasta LPA Πλακέτα BMS Χάλκινα busbars για τη σύνδεση των κελιών 12 Διακόπτες, ένας για κάθε κελί Ασφάλεια 5 Α για την προστασία της πλακέτας Αντίσταση ως Φορτίο Θερμοκάμερα 1 Αμπερόμετρο και 1 Βολτόμετρο Ο σκοπός της διεξαγωγής των πειραμάτων ήταν ο έλεγχος της επιτυχούς ή μη σύνδεσης της πλακέτας με τα κελιά, μέσω της διαδικασίας της αποσφαλμάτωσης. Για την επίτευξη αυτού του στόχου, ο τρόπος που εργαστήκαμε ήταν ο εξής: Με τη σύνδεση ενός κελιού πάνω στην πλακέτα, παρατηρούσαμε με τη θερμοκάμερα πιθανή υπερθέρμανση της πλακέτας, ενώ ταυτόχρονα γινόταν έλεγχος της τάσης και του ρεύματος. Εφόσον δεν προέκυπτε κάποιο σφάλμα στις μετρήσεις ή στην παρατήρηση προχωρούσαμε στην είσοδο του κελιού που βρισκόταν ακριβώς από πάνω στη στοίβα. Κατά τη διάρκεια των δοκιμών παρατηρήθηκαν διάφορα σφάλματα, τόσο με οπτική παρατήρηση (όπως για παράδειγμα η ανάφλεξη του πρώτου LTC κατά τη σύνδεση ενός κελιού ή η υπερθέρμανση των ολοκληρωμένων), όσο και με τη βοήθεια 88

98 των μετρητικών οργάνων (βραχυκύκλωμα γραμμών). Οι αιτίες που προκάλεσαν τα σφάλματα αυτά αφορούσαν λανθασμένες κολλήσεις εξαρτημάτων πάνω στην πλακέτα, καθώς και μια εκ παραδρομής σύνδεση όλων των κελιών ταυτόχρονα. Το τελευταίο είχε ως αποτέλεσμα την καταστροφή του MOSFET που βρίσκεται στο πρωτεύον του 12 ου κελιού λόγω βραχυκυκλώματος. Τόσο οι αιτίες, όσο και τα αποτελέσματα των παραπάνω σφαλμάτων εντοπίστηκαν, μελετήθηκαν και διορθώθηκαν έτσι ώστε πλέον η πλακέτα να μπορεί να συνδεθεί με 12 κελιά χωρίς να παρατηρηθεί κάποιο σφάλμα. Αυτό σημαίνει ότι ολοκληρώθηκε η αποσφαλμάτωση της πλακέτας και το επόμενο βήμα είναι η σύνδεσή της με το μικροελεγκτή μέσω SPI, προκειμένου να αρχίσει η διαδικασία επικοινωνίας μεταξύ των δύο μέσω της συγγραφής του απαιτούμενου κώδικα, σημαντικό μέρος του οποίου παρέχεται από τη Linear Technology στην ιστοσελίδα της. Αυτό που θα χρειαστεί είναι ο προγραμματισμός του SPI έτσι ώστε η πλακέτα να λαμβάνει αλλά και να στέλνει τις εντολές που θέλουμε. Η συγγραφή του κώδικα ξεφεύγει από τα πλαίσια της παρούσας εργασίας, ωστόσο προτείνεται ως το επόμενο βήμα προς την ολοκλήρωση του συστήματος που μελετήθηκε και αναπτύχθηκε. Εικόνα 4-1 Τύπωμα πλακέτας (Μπροστινή όψη) 89

99 Εικόνα 4-2 Τύπωμα πλακέτας (Πίσω όψη) Εικόνα 4-3 Πλακέτα BMS: Πρωτότυπο 90

100 Εικόνα 4-4 Σύνδεση 12 κελιών Melasta LPA Ασφάλεια 5 Α 12 κελιά LiPo 12 διακόπτες Αμπερόμετρο Πλακέτα BMS Εικόνα 4-5 Συνολική πειραματική διάταξη 91

101 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΕΠΙΛΟΓΟΣ 5.1. Συμπεράσματα Η συγκεκριμένη διπλωματική εργασία αποτελεί μια μελέτη σχετικά με τις δυνατότητες εκμετάλλευσης της ενέργειας μιας συστοιχίας μπαταριών Λιθίου Πολυμερούς. Η μελέτη έγινε για να διαπιστωθεί η χρησιμότητα του Ενεργού Συστήματος Διαχείρισης Μπαταριών σε μια εφαρμογή όπως είναι το Ηλεκτρικό Όχημα. Θεωρήσαμε ότι το εν λόγω Όχημα θα χρησιμοποιεί 288 κελιά σε συνδεσμολογία 144s2p, ωστόσο το μελετήσαμε σε κλίμακα, παρατηρώντας τα αποτελέσματα για 6 κελιά στην προσομοίωση, ενώ η κατασκευή αφορά 12 κελιά αντίστοιχα. Η προσομοίωση έδειξε ότι αν στην έξοδο των μπαταριών συνδέσουμε ένα ωμικό φορτίο ή έναν DC κινητήρα μόνιμου μαγνήτη, το σύστημα δίνει θετικά αποτελέσματα. Κατά την πλήρη εκφόρτιση είχαμε 6% περισσότερο χρόνο λειτουργίας για κελιά με αρχική μέγιστη απόκλιση 13% στα μεταξύ τους SOC. Ωστόσο, είναι εμφανές ότι δεν μπορούμε να μιλήσουμε για ακριβή ποσοστά βελτίωσης, μιας και αυτά εξαρτώνται κάθε φορά από την απόκλιση των επιπέδων τάσης. Το ρεύμα εξισορρόπησης ορίστηκε στα 3,125 Α, δηλαδή περίπου 0,45 C. Με βάση τα στοιχεία του κατασκευαστή, υπάρχει δυνατότητα για μεγαλύτερο ρεύμα, μέχρι και 1 C (6,9 Α), αριθμός που θα μας έδινε σαφώς μεγαλύτερο ποσοστό κέρδους. Ένα κριτήριο που οφείλει να ληφθεί υπόψη προκειμένου να επιλεχθεί ή όχι η συγκεκριμένη μέθοδος εξισορρόπησης, είναι σίγουρα η σύγκριση κόστους κατασκευής και απόδοσης. Αναφέρεται πάντως, ότι η μέθοδος εξισορρόπησης με χρήση Flyback μετασχηματιστών είναι από τις πιο αξιόπιστες και ενεργειακά αποδοτικότερες, αλλά ταυτόχρονα και από τις πιο ακριβές. Σχετικά με τον αλγόριθμο, επιλέξαμε να γίνεται σύγκριση του SOC του κάθε κελιού με τον μέσο όρο, σαν μια απλοϊκή υλοποίηση προκειμένου να εξατάσουμε τη συμπεριφορά των κελιών. Αυτό που έγινε αντιληπτό, είναι ότι στη διαδικασία της 92

102 εκφόρτισης το πιο σημαντικό είναι το πλέον αφόρτιστο κελί, μιας και αυτό είναι που θα μας καθορίσει τη συνολική λειτουργία Προτάσεις για βελτιώσεις Από κατασκευαστικής σκοπιάς, το πρώτο συμπέρασμα που εξήχθη είναι ότι θα ήταν προτιμότερο οι διαστάσεις της πλακέτας να είναι αρκετά μεγαλύτερες και όχι στις διαστάσεις μια συστάδας 24 κελιών. Με αυτό τον τρόπο, θα είχαμε καλύτερη εποπτεία των εξαρτημάτων και των διαδρομών. Οι διαδρομές επίσης θα μπορούσαν να έχουν μεγαλύτερο πάχος, έτσι ώστε σε πιθανή περίπτωση διαρροής ρεύματος να ήμαστε εξασφαλισμένοι ότι δε θα καταστραφούν. Σχετικά με τη σύνδεση με τον μικροελεγκτή μέσω SPI, ο σχεδιασμός που έγινε προβλέπει η σύνδεση αυτή να γίνεται μέσω 4 καλωδίων, ένα για κάθε σήμα. Για να αποφευχθεί ο θόρυβος, αυτό μπορεί να διορθωθεί με σχεδιασμό «βάσης» του μικροελεγκτή πάνω στην πλακέτα, για άμεση σύνδεση. Εναλλακτικά, η Linear Technology προτείνει τη μετατροπή του σήματος και τη μεταφορά του μέσω Ethernet, προκειμένου να μπορεί να μεταφερθεί σε μεγάλες αποστάσεις χωρίς πρόβλημα. Τέλος, όσον αφορά την προσομοίωση, το μοντέλο που σχεδιάστηκε μπορεί να χρησιμοποιηθεί για δοκιμές σε διαφορετικές καταστάσεις προκειμένου να σχεδιαστούν προφίλ εκφόρτισης των μπαταριών. Στην περίπτωση όπου έχουμε μεγάλη απόκλιση των SOC ίσως θα ήταν προτιμότερο μια τροποποίηση στον αλγόριθμό μας, έτσι ώστε ένα κελί που είναι αρκετά πιο αφόρτιστο σε σχέση με τα υπόλοιπα να πετυχαίνει balancing σε λιγότερο χρόνο. Ενδιαφέρον θα είχε επίσης να εξετάσουμε τη συμπεριφορά του συστήματος εάν αντί για εκφόρτιση των μπαταριών εφαρμόζαμε φόρτιση με τη χρήση μιας πηγής τάσης στην είσοδό του. 93

103 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] Linden, D. & Reddy, T. B., Handbook of Batteries, 3rd Edition, New York: The McGraw-Hill Companies, Inc., 2002 [2] Mohan, N., Undeland, T.M. & Robbins, W.P. Εισαγωγή στα Ηλεκτρονικά Ισχύος Ανάλυση Σχεδίαση και Εφαρμογές των Ηλεκτρονικών Μετατροπέων Ισχύος (3η έκδοση). Θεσσαλονίκη: Τζιόλα, 2010 [3] Δημουλιάς, Χ., Σημειώσεις για το μάθημα Ηλεκτρονικά Ισχύος ΙΙ, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Η/Υ, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, Ακαδημαϊκό Έτος [4] Rahmoun, A. & Biechl, H., Modeling of Li-ion batteries using equivalent circuit diagrams. Review, ISSN , R. 88 NR 7b, pp , 2012 [5] Gadre D., Προγραμματίζοντας τον Μικροελεγκτή AVR, Θεσσαλονίκη: Τζιόλα, 2001 [6] LTC3300-2: Addressable High Efficiency Bidirectional Multicell Battery Balancer, [Manual] Linear Technology Corporation, 2013 [7] LTC6803-2/LTC : Multicell Battery Stack Monitor, [Manual] Linear Technology Corporation, 2011 [8] Moore, S.W. & Schneider P. J., A Review of Cell Equalization Methods for Lithium Ion and Lithium Polymer Battery Systems, Society of Automotive Engineers, Inc., 2001 [9] Daowd, M., Omar N., Vand Den Bossche, P. & Van Mierlo, J., A Review of Passive and Active Battery Balancing based on MATLAB/Simulink, International Review of Electrical Engineering (I.R.E.E.), Vol. xx, n. x, 2011 [10] Rahimi-Eichi H., Ojha U., Baronti F. & Chow M.-Y., Battery Management System: An Overview of Its Application in the Smart Grid and Electric Vehicles, IEEE Industrial Electronics Magazine, 2013 [11] Einhorn, M., Roessler, W. & Fleig, J., Improved Performance of Serially Connected Li-Ion Batteries with Active Cell Balancing in Electric Vehicles, IEEE Transactions on Vehicular Tecnology, Vol. 60, No. 6, 2011 [12] Battery Management System [Online] Wikipedia. [13] Lithium polymer battery [Online] Wikipedia. [14] Basics About Discharging [Online] Battery University. 94

104 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α Στο Παράρτημα Α παρουσιάζεται η καταγραφή των εξαρτημάτων που χρησιμοποιήθηκαν, καθώς και το κύκλωμα της πλακέτας, όπως σχεδιάστηκε στο Altium Designer. Σχήμα ΠΑ-0-1 Καταγραφή εξαρτημάτων πλακέτας 95

105 Σχήμα ΠΑ-0-2 Κύκλωμα πλακέτας (1) 96

106 Σχήμα ΠΑ-0-3 Κύκλωμα πλακέτας (2) 97

107 Σχήμα ΠΑ-0-4 Κύκλωμα πλακέτας (3) 98

108 Σχήμα ΠΑ-0-5 Κύκλωμα πλακέτας (4) 99

109 Σχήμα ΠΑ-0-6 Τύπωμα πλακέτας 100

110 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β Στο Παράρτημα Β περιέχονται τα datasheets των υλικών που χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή της πλακέτας, καθώς και του κελιού για το οποίο έγινε ο σχεδιασμός. 101

111 102

112 103

113 104

114 105

Από πού προέρχεται η θερμότητα που μεταφέρεται από τον αντιστάτη στο περιβάλλον;

Από πού προέρχεται η θερμότητα που μεταφέρεται από τον αντιστάτη στο περιβάλλον; 3. ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Ένα ανοικτό ηλεκτρικό κύκλωμα μετατρέπεται σε κλειστό, οπότε διέρχεται από αυτό ηλεκτρικό ρεύμα που μεταφέρει ενέργεια. Τα σπουδαιότερα χαρακτηριστικά της ηλεκτρικής ενέργειας είναι

Διαβάστε περισσότερα

Σχεδίαση Φορτιστή Μπαταριών Ιόντων Λιθίου

Σχεδίαση Φορτιστή Μπαταριών Ιόντων Λιθίου ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ, ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ Σχεδίαση Φορτιστή Μπαταριών Ιόντων Λιθίου ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

Διαβάστε περισσότερα

ΑΣΚΗΣΗ 1 ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΗΣ

ΑΣΚΗΣΗ 1 ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΗΣ ΑΣΚΗΣΗ 1 ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΗΣ Α.1 ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟΝ ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΗ Ο μετασχηματιστής είναι μια ηλεκτρική διάταξη που μετατρέπει εναλλασσόμενη ηλεκτρική ενέργεια ενός επιπέδου τάσης

Διαβάστε περισσότερα

1. PV modules 2. Wind Generator 3. Charge Controllers 4. Battery Bank 5. Inverter 6. Fuse box 7. AC appliances

1. PV modules 2. Wind Generator 3. Charge Controllers 4. Battery Bank 5. Inverter 6. Fuse box 7. AC appliances Αυτόνομα Υβριδικά Συστήματα Παροχής Ισχύος που βασίζονται σε ΑΠΕ 1. PV modules 2. Wind Generator 3. Charge Controllers 4. Battery Bank 5. Inverter 6. Fuse box 7. AC appliances Μπαταρίες σε υβριδικά συστήματα

Διαβάστε περισσότερα

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 : ΓΑΛΒΑΝΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ, ΗΕΔ, ΓΕΦΥΡΑ ΑΛΑΤΟΣ, ΣΤΟΙΧΕΙΟ DANIELL, ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΣΤΟΙΧΕΙΟΥ, ΠΡΟΤΥΠΑ ΔΥΝΑΜΙΚΑ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ.

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 : ΓΑΛΒΑΝΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ, ΗΕΔ, ΓΕΦΥΡΑ ΑΛΑΤΟΣ, ΣΤΟΙΧΕΙΟ DANIELL, ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΣΤΟΙΧΕΙΟΥ, ΠΡΟΤΥΠΑ ΔΥΝΑΜΙΚΑ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ. ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 : ΓΑΛΒΑΝΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ, ΗΕΔ, ΓΕΦΥΡΑ ΑΛΑΤΟΣ, ΣΤΟΙΧΕΙΟ DANIELL, ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΣΤΟΙΧΕΙΟΥ, ΠΡΟΤΥΠΑ ΔΥΝΑΜΙΚΑ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ. Διδακτικοί στόχοι: Μετά την ολοκλήρωση του 5ου κεφαλαίου οι φοιτητές θα πρέπει

Διαβάστε περισσότερα

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ & ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ & ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ & ΑΥΤΟΜΑΤΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ & ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Διδάσκων : Δημήτρης Τσιπιανίτης Γεώργιος Μανδέλλος

Διαβάστε περισσότερα

ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ΚΑΚΑΡΟΥΝΤΑ ΑΡΓΥΡΩ Α.Μ. 277 ΜΗΤΣΑΚΗ ΤΑΤΙΑΝΑ Α.Μ. 309 ΠΑΠΑΖΑΦΕΙΡΑΤΟΥ ΙΦΙΓΕΝΕΙΑ Α.Μ.322

ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ΚΑΚΑΡΟΥΝΤΑ ΑΡΓΥΡΩ Α.Μ. 277 ΜΗΤΣΑΚΗ ΤΑΤΙΑΝΑ Α.Μ. 309 ΠΑΠΑΖΑΦΕΙΡΑΤΟΥ ΙΦΙΓΕΝΕΙΑ Α.Μ.322 ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ΚΑΚΑΡΟΥΝΤΑ ΑΡΓΥΡΩ Α.Μ. 277 ΜΗΤΣΑΚΗ ΤΑΤΙΑΝΑ Α.Μ. 309 ΠΑΠΑΖΑΦΕΙΡΑΤΟΥ ΙΦΙΓΕΝΕΙΑ Α.Μ.322 ΤΙ ΕΙΝΑΙ ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ Οι κυψέλες καυσίμου είναι συσκευές οι οποίες μέσω ηλεκτροχημικών αντιδράσεων

Διαβάστε περισσότερα

Δηλαδή η ένδειξη κατασκευαστή 70 Αh σημαίνει πως η μπαταρία παρέχει σταθερό ρεύμα μέγιστης τιμής 3,5 Α για 20 ώρες (20 x 3,5 = 70)

Δηλαδή η ένδειξη κατασκευαστή 70 Αh σημαίνει πως η μπαταρία παρέχει σταθερό ρεύμα μέγιστης τιμής 3,5 Α για 20 ώρες (20 x 3,5 = 70) Βαθμονομήσεις Μπαταριών 1. Τι σημαίνει ο όρος Aμπερώρια (Ah) για μια μπαταρία; Η βαθμονόμηση Ah μας δείχνει πόσα Ampere ρεύματος μπορεί να παρέχει η μπαταρία μας για μια συγκεκριμένη χρονική περίοδο. Υπολογίζεται

Διαβάστε περισσότερα

ΘΕΜΑ: «Tα υβριδικά αυτοκίνητα»

ΘΕΜΑ: «Tα υβριδικά αυτοκίνητα» ΘΕΜΑ: «Tα υβριδικά αυτοκίνητα» Καράμπελα Καράπαπα Επιμέλεια εργασίας: Ζωή Ιωάννα ΤΙ ΕΙΝΑΙ ΤΟ ΥΒΡΙΔΙΚΟ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΟ; Αυτός ο τύπος αυτοκινήτου ονομάζεται έτσι επειδή συνδυάζει δύο μορφές ενέργειας για να

Διαβάστε περισσότερα

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ. 3 η ενότητα ΡΥΘΜΙΣΗ ΣΗΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΠΡΟΣΑΡΜΟΓΗ ΜΕ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΠΑΘΗΤΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ. ρ. Λάμπρος Μπισδούνης.

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ. 3 η ενότητα ΡΥΘΜΙΣΗ ΣΗΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΠΡΟΣΑΡΜΟΓΗ ΜΕ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΠΑΘΗΤΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ. ρ. Λάμπρος Μπισδούνης. ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ρ. Λάμπρος Μπισδούνης Καθηγητής η ενότητα ΡΥΘΜΙΣΗ ΣΗΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΠΡΟΣΑΡΜΟΓΗ ΜΕ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΠΑΘΗΤΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ T... ΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑ ΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. Περιεχόμενα ης ενότητας

Διαβάστε περισσότερα

ΑΣΚΗΣΗ 2 η ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΕΣ ΙΣΧΥΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΜΕ ΦΟΡΤΙΟ

ΑΣΚΗΣΗ 2 η ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΕΣ ΙΣΧΥΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΜΕ ΦΟΡΤΙΟ ΑΣΚΗΣΗ η ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΕΣ ΙΣΧΥΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΜΕ ΦΟΡΤΙΟ Σκοπός της Άσκησης: Στόχος της εργαστηριακής άσκησης είναι η μελέτη των χαρακτηριστικών λειτουργίας ενός μονοφασικού μετασχηματιστή υπό φορτίο. 1. Λειτουργία

Διαβάστε περισσότερα

Ηλεκτρόλυση νερού ή ηλεκτρόλυση αραιού διαλύματος θειικού οξέος με ηλεκτρόδια λευκοχρύσου και με χρήση της συσκευής Hoffman.

Ηλεκτρόλυση νερού ή ηλεκτρόλυση αραιού διαλύματος θειικού οξέος με ηλεκτρόδια λευκοχρύσου και με χρήση της συσκευής Hoffman. Σύντομη περιγραφή του πειράματος Ηλεκτρόλυση νερού ή ηλεκτρόλυση αραιού διαλύματος θειικού οξέος με ηλεκτρόδια λευκοχρύσου και με χρήση της συσκευής Hoffman. Διδακτικοί στόχοι του πειράματος Στο τέλος

Διαβάστε περισσότερα

1_2. Δυνάμεις μεταξύ φορτίων Νόμος του Coulomb.

1_2. Δυνάμεις μεταξύ φορτίων Νόμος του Coulomb. 1_2. Δυνάμεις μεταξύ φορτίων Νόμος του Coulomb. Η δύναμη που ασκείται μεταξύ δυο σημειακών ηλεκτρικών φορτίων είναι ανάλογη των φορτίων και αντιστρόφως ανάλογη του τετραγώνου της απόστασης τους (νόμος

Διαβάστε περισσότερα

ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. Μέτρηση Χωρητικότητας Μπαταρίας Ιόντων Λιθίου με Συνεχή και Διακοπτόμενη Εκφόρτιση και Ανάλυση με Αλυσίδες Marcov

ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. Μέτρηση Χωρητικότητας Μπαταρίας Ιόντων Λιθίου με Συνεχή και Διακοπτόμενη Εκφόρτιση και Ανάλυση με Αλυσίδες Marcov ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Μέτρηση Χωρητικότητας Μπαταρίας Ιόντων Λιθίου

Διαβάστε περισσότερα

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ. 3 η ενότητα ΡΥΘΜΙΣΗ ΣΗΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΠΡΟΣΑΡΜΟΓΗ ΜΕ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΠΑΘΗΤΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ. ρ. Λάμπρος Μπισδούνης.

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ. 3 η ενότητα ΡΥΘΜΙΣΗ ΣΗΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΠΡΟΣΑΡΜΟΓΗ ΜΕ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΠΑΘΗΤΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ. ρ. Λάμπρος Μπισδούνης. ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ρ. Λάμπρος Μπισδούνης Καθηγητής 3 η ενότητα ΡΥΘΜΙΣΗ ΣΗΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΠΡΟΣΑΡΜΟΓΗ ΜΕ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΠΑΘΗΤΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ T.E.I. ΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑ ΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. Περιεχόμενα 3 ης

Διαβάστε περισσότερα

ΣΥΜΠΙΕΣΤΕΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ

ΣΥΜΠΙΕΣΤΕΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ 9. Ηλεκτρικό Σύστημα Συμπιεστών Ανάλογα με την κατασκευή τους και το είδος του εναλλασσόμενου ρεύματος που απαιτούν για τη λειτουργία τους, οι ηλεκτροκινητήρες διακρίνονται σε: Μονοφασικούς. Τριφασικούς.

Διαβάστε περισσότερα

ΑΣΚΗΣΗ 1 η ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΕΣ ΙΣΧΥΟΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ. Στόχοι της εργαστηριακής άσκησης είναι η εξοικείωση των σπουδαστών με την:

ΑΣΚΗΣΗ 1 η ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΕΣ ΙΣΧΥΟΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ. Στόχοι της εργαστηριακής άσκησης είναι η εξοικείωση των σπουδαστών με την: Σκοπός της Άσκησης: ΑΣΚΗΣΗ η ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΕΣ ΙΣΧΥΟΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στόχοι της εργαστηριακής άσκησης είναι η εξοικείωση των σπουδαστών με την: α. Κατασκευή μετασχηματιστών. β. Αρχή λειτουργίας μετασχηματιστών.

Διαβάστε περισσότερα

ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ

ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΜΑΘ.. 12 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ 1. ΓΕΝΙΚΑ Οι μετατροπείς συνεχούς ρεύματος επιτελούν τη μετατροπή μιας τάσης συνεχούς μορφής, σε συνεχή τάση με ρυθμιζόμενο σταθερό πλάτος ή και πολικότητα.

Διαβάστε περισσότερα

Προσομοίωση ηλεκτρικού οχήματος με το λογισμικό Matlab/Simulink 1 ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΟΧΗΜΑΤΑ 1.1 ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΟΧΗΜΑΤΩΝ

Προσομοίωση ηλεκτρικού οχήματος με το λογισμικό Matlab/Simulink 1 ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΟΧΗΜΑΤΑ 1.1 ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΟΧΗΜΑΤΩΝ 1 ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΟΧΗΜΑΤΑ 1.1 ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΟΧΗΜΑΤΩΝ Πριν το 1830 τα οχήματα ήταν ακόμα ατμοκίνητα, καθώς οι νόμοι της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής και κατά συνέπεια οι ηλεκτρικές μηχανές, δεν είχαν ακόμη

Διαβάστε περισσότερα

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ ΗΜΥ 444

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ ΗΜΥ 444 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ ΗΜΥ 444 DC ΔΙΑΚΟΠΤΙΚA ΤΡΟΦΟΔΟΤΙΚΑ, ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΜΕ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΑΠΟΜΟΝΩΣΗ Δρ Ανδρέας Σταύρου ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ

Διαβάστε περισσότερα

μετασχηματιστή. ΤΜΗΜΑ: ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΕ ΘΕΜΑ: Περιγράψτε τον τρόπο λειτουργίας ενός μονοφασικού

μετασχηματιστή. ΤΜΗΜΑ: ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΕ ΘΕΜΑ: Περιγράψτε τον τρόπο λειτουργίας ενός μονοφασικού ΤΜΗΜΑ: ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΕ ΘΕΜΑ: Περιγράψτε τον τρόπο λειτουργίας ενός μονοφασικού μετασχηματιστή. ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: κ. Δημήτριος Καλπακτσόγλου ΕΡΓΑΣΙΑ ΤΗΣ: Αικατερίνης-Χρυσοβαλάντης Γιουσμά Α.Ε.Μ:

Διαβάστε περισσότερα

5.1 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΓΡΑΜΜΟΙΣΟΔΥΝΑΜΟΥ ΙΟΝΤΟΣ ΟΞΥΓΟΝΟΥ, ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ ΚΑΙ ΧΑΛΚΟΥ ΜΕ ΗΛΕΚΤΡΟΛΥΣΗ

5.1 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΓΡΑΜΜΟΙΣΟΔΥΝΑΜΟΥ ΙΟΝΤΟΣ ΟΞΥΓΟΝΟΥ, ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ ΚΑΙ ΧΑΛΚΟΥ ΜΕ ΗΛΕΚΤΡΟΛΥΣΗ 5.1 ΑΣΚΗΣΗ 5 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΓΡΑΜΜΟΙΣΟΔΥΝΑΜΟΥ ΙΟΝΤΟΣ ΟΞΥΓΟΝΟΥ, ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ ΚΑΙ ΧΑΛΚΟΥ ΜΕ ΗΛΕΚΤΡΟΛΥΣΗ Α' ΜΕΡΟΣ: Ηλεκτρόλυση του νερού. ΘΕΜΑ: Εύρεση της μάζας οξυγόνου και υδρογόνου που εκλύονται σε ηλεκτρολυτική

Διαβάστε περισσότερα

ΗΜΥ 100 Εισαγωγή στην Τεχνολογία Διάλεξη 4

ΗΜΥ 100 Εισαγωγή στην Τεχνολογία Διάλεξη 4 ΗΜΥ 100 Εισαγωγή στην Τεχνολογία Διάλεξη 4 18 Σεπτεμβρίου, 2012 Δρ. Στέλιος Τιμοθέου ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ Τα θέματα μας σήμερα Επανάληψη

Διαβάστε περισσότερα

Φυσική για Μηχανικούς

Φυσική για Μηχανικούς Φυσική για Μηχανικούς Ρεύμα και Αντίσταση Εικόνα: Οι γραμμές ρεύματος μεταφέρουν ενέργεια από την ηλεκτρική εταιρία στα σπίτια και τις επιχειρήσεις μας. Η ενέργεια μεταφέρεται σε πολύ υψηλές τάσεις, πιθανότατα

Διαβάστε περισσότερα

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑΣ

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑΣ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑΣ MM505 ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΟΙ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΙ Εργαστήριο ο - Θεωρητικό Μέρος Βασικές ηλεκτρικές μετρήσεις σε συνεχές και εναλλασσόμενο

Διαβάστε περισσότερα

3 η Εργαστηριακή άσκηση Γαλβανικά στοιχεία

3 η Εργαστηριακή άσκηση Γαλβανικά στοιχεία Τμήμα Διαχείρισης Περιβάλλοντος & Φυσικών Πόρων, Πολυτεχνική Σχολή Εργαστηριακές Ασκήσεις Φυσικοχημείας 3 η Εργαστηριακή άσκηση Γαλβανικά στοιχεία Γαλάνη Απ. Αγγελική, Χημικός PhD Εργαστηριακό Διδακτικό

Διαβάστε περισσότερα

Φυσική για Μηχανικούς

Φυσική για Μηχανικούς Εικόνα: Επισκευή μιας πλακέτας κυκλωμάτων ενός υπολογιστή. Χρησιμοποιούμε καθημερινά αντικείμενα που περιέχουν ηλεκτρικά κυκλώματα, συμπεριλαμβανομένων και κάποιων με πολύ μικρότερες πλακέτες από την εικονιζόμενη.

Διαβάστε περισσότερα

Φυσική για Μηχανικούς

Φυσική για Μηχανικούς Φυσική για Μηχανικούς Ρεύμα και Αντίσταση Εικόνα: Οι γραμμές ρεύματος μεταφέρουν ενέργεια από την ηλεκτρική εταιρία στα σπίτια και τις επιχειρήσεις μας. Η ενέργεια μεταφέρεται σε πολύ υψηλές τάσεις, πιθανότατα

Διαβάστε περισσότερα

ΑΣΚΗΣΗ 4 η ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΙΣ ΜΗΧΑΝΕΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ

ΑΣΚΗΣΗ 4 η ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΙΣ ΜΗΧΑΝΕΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΑΣΚΗΣΗ 4 η ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΙΣ ΜΗΧΑΝΕΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ Σκοπός της Άσκησης: Σκοπός της εργαστηριακής άσκησης είναι α) η κατανόηση της αρχής λειτουργίας των μηχανών συνεχούς ρεύματος, β) η ανάλυση της κατασκευαστικών

Διαβάστε περισσότερα

και συνδέει τον αριθμό των σπειρών του πρωτεύοντος και του

και συνδέει τον αριθμό των σπειρών του πρωτεύοντος και του Μετασχηματιστής με μεσαία λήψη Ένας μετασχηματιστής αποτελείται από δύο πηνία που έχουν τυλιχτεί επάνω στον ίδιο πυρήνα. Στο ένα πηνίο εφαρμόζεται μία εναλλασσόμενη τάση. Η τάση αυτή, δημιουργεί ένα μεταβαλλόμενο

Διαβάστε περισσότερα

Σχολή Μηχανικής και Τεχνολογίας. Πτυχιακή διατριβή

Σχολή Μηχανικής και Τεχνολογίας. Πτυχιακή διατριβή Σχολή Μηχανικής και Τεχνολογίας Πτυχιακή διατριβή ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΑΝΤΙΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΜΕΡΟΥΣ ΤΟΥ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ΠΟΥ ΚΑΤΑΝΑΛΩΝΕΙ ΒΕΝΖΙΝΟΚΙΝΗΤΗΡΑΣ ΜΕ ΥΔΡΟΓΟΝΟ ΤΟ ΟΠΟΙΟ ΘΑ ΠΑΡΑΓΕΤΑΙ ΜΕ ΑΝΑΚΤΗΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΤΑ

Διαβάστε περισσότερα

Φυσική για Μηχανικούς

Φυσική για Μηχανικούς Φυσική για Μηχανικούς Ρεύμα και Αντίσταση Εικόνα: Οι γραμμές ρεύματος μεταφέρουν ενέργεια από την ηλεκτρική εταιρία στα σπίτια και τις επιχειρήσεις μας. Η ενέργεια μεταφέρεται σε πολύ υψηλές τάσεις, πιθανότατα

Διαβάστε περισσότερα

Γεννήτρια συνεχούς ρεύματος παράλληλης. διέγερσης

Γεννήτρια συνεχούς ρεύματος παράλληλης. διέγερσης ΑΣΚΗΣΗ 6 Γεννήτρια συνεχούς ρεύματος παράλληλης διέγερσης 1 Α. Θεωρητικές επεξηγήσεις: Στις γεννήτριες παράλληλης διέγερσης το τύλιγμα διέγερσης συνδέεται παράλληλα με το κύκλωμα του δρομέα, όπως φαίνεται

Διαβάστε περισσότερα

Φυσική για Μηχανικούς

Φυσική για Μηχανικούς Εικόνα: Επισκευή μιας πλακέτας κυκλωμάτων ενός υπολογιστή. Χρησιμοποιούμε καθημερινά αντικείμενα που περιέχουν ηλεκτρικά κυκλώματα, συμπεριλαμβανομένων και κάποιων με πολύ μικρότερες πλακέτες από την εικονιζόμενη.

Διαβάστε περισσότερα

ΚΕΦΑΛΑΙΟ Το ηλεκτρικό φορτίο στο εσωτερικό του ατόμου 1. Από τι σωματίδια αποτελούνται τα άτομα σύμφωνα με τις απόψεις των Rutherford και Bohr;

ΚΕΦΑΛΑΙΟ Το ηλεκτρικό φορτίο στο εσωτερικό του ατόμου 1. Από τι σωματίδια αποτελούνται τα άτομα σύμφωνα με τις απόψεις των Rutherford και Bohr; ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 1.1 Γνωριμία με τη ηλεκτρική δύναμη. 1. Ποιες δυνάμεις λέγονται ηλεκτρικές; Λέμε τις δυνάμεις που ασκούνται μεταξύ σωμάτων που έχουμε τρίψει προηγουμένως δηλαδή σωμάτων ηλεκτρισμένων. 2. Τι

Διαβάστε περισσότερα

3.2 ΧΗΜΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΤΟΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ

3.2 ΧΗΜΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΤΟΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ Βρέντζου Τίνα Φυσικός Μεταπτυχιακός τίτλος: «Σπουδές στην εκπαίδευση» ΜEd Email : stvrentzou@gmail.com 3.2 ΧΗΜΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΤΟΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ 1 Λέξεις κλειδιά: Ηλεκτρολυτικά διαλύματα, ηλεκτρόλυση,

Διαβάστε περισσότερα

ΑΣΚΗΣΗ 3 η ΠΑΡΑΛΛΗΛΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΩΝ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΩΝ

ΑΣΚΗΣΗ 3 η ΠΑΡΑΛΛΗΛΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΩΝ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΩΝ Σκοπός της Άσκησης: ΑΣΚΗΣΗ 3 η ΠΑΡΑΛΛΗΛΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΩΝ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΩΝ Σκοπός της παρούσας εργαστηριακής άσκησης είναι να γνωρίσει ο σπουδαστής αφενός τις προϋποθέσεις παραλληλισμού δυο μετασχηματιστών

Διαβάστε περισσότερα

MHOUSE PR1 ΜΠΑΤΑΡΙΑ ΑΝΑΓΚΗΣ ΓΙΑ ΑΥΤΟΜΑΤΕΣ ΠΟΡΤΕΣ ΣΤΙΣ ΠΕΡΙΠΤΩΣΕΙΣ ΜΕ ΙΑΚΟΠΗ ΡΕΥΜΑΤΟΣ

MHOUSE PR1 ΜΠΑΤΑΡΙΑ ΑΝΑΓΚΗΣ ΓΙΑ ΑΥΤΟΜΑΤΕΣ ΠΟΡΤΕΣ ΣΤΙΣ ΠΕΡΙΠΤΩΣΕΙΣ ΜΕ ΙΑΚΟΠΗ ΡΕΥΜΑΤΟΣ DOORADO - Προϊόντα ασφαλείας για το σπίτι, το κατάστηµα και το πάρκινγκ Τηλ: 210 55 51 680 Φαξ: 21 21 21 9038 ιεύθ: Παπαθανασίου 5, 19600 Μάνδρα Αττικής Internet link: www.doorado.biz E-mail: doorado@gmail.com

Διαβάστε περισσότερα

Φυσική για Μηχανικούς

Φυσική για Μηχανικούς Φυσική για Μηχανικούς Χωρητικότητα Εικόνα: Όλες οι παραπάνω συσκευές είναι πυκνωτές, οι οποίοι αποθηκεύουν ηλεκτρικό φορτίο και ενέργεια. Ο πυκνωτής είναι ένα είδος κυκλώματος που μπορούμε να συνδυάσουμε

Διαβάστε περισσότερα

Από τι αποτελείται ένας πυκνωτής

Από τι αποτελείται ένας πυκνωτής Πυκνωτές Οι πυκνωτές είναι διατάξεις οι οποίες αποθηκεύουν ηλεκτρικό φορτίο. Xρησιµοποιούνται ως «αποθήκες ενέργειας» που µπορούν να φορτίζονται µε αργό ρυθµό και µετά να εκφορτίζονται ακαριαία, παρέχοντας

Διαβάστε περισσότερα

ΜΕΛΕΤΗ ΦΟΡΤΙΣΗΣ/ΕΚΦΟΡΤΙΣΗΣ ΜΠΑΤΑΡΙΩΝ ΙΟΝΤΩΝ ΛΙΘΙΟΥ

ΜΕΛΕΤΗ ΦΟΡΤΙΣΗΣ/ΕΚΦΟΡΤΙΣΗΣ ΜΠΑΤΑΡΙΩΝ ΙΟΝΤΩΝ ΛΙΘΙΟΥ ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΤΕΧΝΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΛΕΤΗ ΦΟΡΤΙΣΗΣ/ΕΚΦΟΡΤΙΣΗΣ

Διαβάστε περισσότερα

ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. του Φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. του Φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ του Φοιτητή του

Διαβάστε περισσότερα

ηλεκτρικό ρεύμα ampere

ηλεκτρικό ρεύμα ampere Ηλεκτρικό ρεύμα Το ηλεκτρικό ρεύμα είναι ο ρυθμός με τον οποίο διέρχεται ηλεκτρικό φορτίο από μια περιοχή του χώρου. Η μονάδα μέτρησης του ηλεκτρικού ρεύματος στο σύστημα SI είναι το ampere (A). 1 A =

Διαβάστε περισσότερα

ΕΚΦΕ Λέσβου - Τοπικός διαγωνισμός Σάββατο 7 Δεκεμβρίου Σχολείο:.. Ονοματεπώνυμα μελών ομάδας: Φυσική

ΕΚΦΕ Λέσβου - Τοπικός διαγωνισμός Σάββατο 7 Δεκεμβρίου Σχολείο:.. Ονοματεπώνυμα μελών ομάδας: Φυσική ΕΚΦΕ Λέσβου - Τοπικός διαγωνισμός Σάββατο 7 Δεκεμβρίου 2013 Σχολείο:.. Ονοματεπώνυμα μελών ομάδας:... Φυσική Μελέτη της χαρακτηριστικής καμπύλης ηλεκτρικής πηγής ΘΕΜΑ Η μέτρηση της τάσης Vπ στα άκρα της

Διαβάστε περισσότερα

5. Τροφοδοτικά - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 1. Ανορθωµένη τάση Εξοµαλυµένη τάση Σταθεροποιηµένη τάση. Σχηµατικό διάγραµµα τροφοδοτικού

5. Τροφοδοτικά - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 1. Ανορθωµένη τάση Εξοµαλυµένη τάση Σταθεροποιηµένη τάση. Σχηµατικό διάγραµµα τροφοδοτικού 5. Τροφοδοτικά - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 1 5. ΤΡΟΦΟ ΟΤΙΚΑ 220 V, 50 Hz. 0 V Μετασχηµατιστής Ανορθωµένη τάση Εξοµαλυµένη τάση Σταθεροποιηµένη τάση 0 V 0 V Ανορθωτής Σχηµατικό διάγραµµα τροφοδοτικού Φίλτρο

Διαβάστε περισσότερα

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ. 1. Τεχνολογική Ενότητα. 2. Τεχνολογικό Επίτευγμα. 3. Σχέδιο-Σκαρίφημα. 4. Χρονοδιάγραμμα Εργασιών. 5. Πίνακας Κόστους-Προüπολογισμού

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ. 1. Τεχνολογική Ενότητα. 2. Τεχνολογικό Επίτευγμα. 3. Σχέδιο-Σκαρίφημα. 4. Χρονοδιάγραμμα Εργασιών. 5. Πίνακας Κόστους-Προüπολογισμού ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. Τεχνολογική Ενότητα 2. Τεχνολογικό Επίτευγμα 3. Σχέδιο-Σκαρίφημα 4. Χρονοδιάγραμμα Εργασιών 5. Πίνακας Κόστους-Προüπολογισμού 6. Φωτογραφίες Κατασκευής Μακέτας 7. Πηγές ΓΕΝΙΚΕΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΕΣ

Διαβάστε περισσότερα

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ ΗΜΥ 444

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ ΗΜΥ 444 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ ΗΜΥ 444.οργανωτικά Δρ Ανδρέας Σταύρου ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ Το βιβλίο Ned Mohan First course on Power Electronics

Διαβάστε περισσότερα

Κινητήρες μιας νέας εποχής

Κινητήρες μιας νέας εποχής Κινητήρες μιας νέας εποχής H ABB παρουσιάζει μια νέα γενιά κινητήρων υψηλής απόδοσης βασισμένη στην τεχνολογία σύγχρονης μαγνητικής αντίστασης. Η ΑΒΒ στρέφεται στην τεχνολογία κινητήρων σύγχρονης μαγνητικής

Διαβάστε περισσότερα

ΑΣΚΗΣΗ 6 η ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΠΑΡΑΛΛΗΛΗΣ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ

ΑΣΚΗΣΗ 6 η ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΠΑΡΑΛΛΗΛΗΣ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΑΣΚΗΣΗ 6 η ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΠΑΡΑΛΛΗΛΗΣ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Σκοπός της Άσκησης: Σκοπός της εργαστηριακής άσκησης είναι α), η κατανόηση της λειτουργίας της γεννήτριας

Διαβάστε περισσότερα

DC-DC ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΙΣΧΥΟΣ ΠΟΛΛΑΠΛΩΝ ΕΠΙΠΕΔΩΝ

DC-DC ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΙΣΧΥΟΣ ΠΟΛΛΑΠΛΩΝ ΕΠΙΠΕΔΩΝ DC-DC ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΙΣΧΥΟΣ ΠΟΛΛΑΠΛΩΝ ΕΠΙΠΕΔΩΝ Ε. Καρφόπουλος, Π. Πάχος, Π. Παναγής, Κ. Παύλου, Στ. Μανιάς Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών Τομέας

Διαβάστε περισσότερα

Βρέντζου Τίνα Φυσικός Μεταπτυχιακός τίτλος: «Σπουδές στην εκπαίδευση» ΜEd Email : stvrentzou@gmail.com

Βρέντζου Τίνα Φυσικός Μεταπτυχιακός τίτλος: «Σπουδές στην εκπαίδευση» ΜEd Email : stvrentzou@gmail.com 1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3ο ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Σκοπός Στο τρίτο κεφάλαιο θα εισαχθεί η έννοια της ηλεκτρικής ενέργειας. 3ο κεφάλαιο ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 1 2 3.1 Θερμικά αποτελέσματα του ηλεκτρικού ρεύματος Λέξεις κλειδιά:

Διαβάστε περισσότερα

Προσομοίωση ηλεκτρικού οχήματος με το λογισμικό Matlab/Simulink

Προσομοίωση ηλεκτρικού οχήματος με το λογισμικό Matlab/Simulink Α.Τ.Ε.Ι. ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 21/11/2012 ΤΜΗΜΑ ΟΧΗΜΑΤΩΝ Προσομοίωση ηλεκτρικού οχήματος με το λογισμικό Matlab/Simulink Ονοματεπώνυμο Φοιτητή: Αθανάσιος Μανώλας Επιβλέπων Καθηγητής: Θεόδωρος Κοσμάνης

Διαβάστε περισσότερα

Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας

Διαβάστε περισσότερα

ΑΣΚΗΣΗ 7 Μέτρηση ωμικής αντίστασης και χαρακτηριστικής καμπύλης διόδου

ΑΣΚΗΣΗ 7 Μέτρηση ωμικής αντίστασης και χαρακτηριστικής καμπύλης διόδου Απαραίτητα όργανα και υλικά ΑΣΚΗΣΗ 7 Μέτρηση ωμικής αντίστασης και χαρακτηριστικής καμπύλης διόδου 7. Απαραίτητα όργανα και υλικά. Τροφοδοτικό DC.. Πολύμετρα (αμπερόμετρο, βολτόμετρο).. Πλακέτα για την

Διαβάστε περισσότερα

ΙΤ=ΙS RT RS. Uεπ. Άσκηση 5 Ηλεκτρικοί κινητήρες DC

ΙΤ=ΙS RT RS. Uεπ. Άσκηση 5 Ηλεκτρικοί κινητήρες DC Άσκηση 5 Ηλεκτρικοί κινητήρες DC 5.1 Σκοπός της Άσκησης Σκοπός την Άσκησης είναι η μελέτη του τρόπου λειτουργίας και ελέγχου των ηλεκτρικών κινητήρων DC. Αναλύονται ο τρόπος εκκίνησης και ρύθμισης της

Διαβάστε περισσότερα

Απαντήσεις Θεμάτων Τελικής Αξιολόγησης (Εξετάσεις Ιουνίου) στο Μάθημα «Ηλεκτροτεχνία Ηλεκτρικές Μηχανές» ΕΕ 2013/2014, Ημερομηνία: 24/06/2014

Απαντήσεις Θεμάτων Τελικής Αξιολόγησης (Εξετάσεις Ιουνίου) στο Μάθημα «Ηλεκτροτεχνία Ηλεκτρικές Μηχανές» ΕΕ 2013/2014, Ημερομηνία: 24/06/2014 Θέμα ο Απαντήσεις Θεμάτων Τελικής Αξιολόγησης (Εξετάσεις Ιουνίου) στο Μάθημα «Ηλεκτροτεχνία Ηλεκτρικές Μηχανές» ΕΕ 03/04, Ημερομηνία: 4/06/04 Σε μονοφασικό Μ/Σ ονομαστικής ισχύος 60kA, 300/30, 50Hz, ελήφθησαν

Διαβάστε περισσότερα

Κεφάλαιο Η4. Χωρητικότητα και διηλεκτρικά

Κεφάλαιο Η4. Χωρητικότητα και διηλεκτρικά Κεφάλαιο Η4 Χωρητικότητα και διηλεκτρικά Κυκλώματα και στοιχεία κυκλωμάτων Τα ηλεκτρικά κυκλώματα αποτελούν τη βάση για το μεγαλύτερο μέρος των συσκευών που χρησιμοποιούνται στην κοινωνία μας. Τα ηλεκτρικά

Διαβάστε περισσότερα

ΟΙΚΟΝΟΜΟΤΕΧΝΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΝΟΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΑ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΝΗΣΙΟΥ ΜΕ Α.Π.Ε

ΟΙΚΟΝΟΜΟΤΕΧΝΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΝΟΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΑ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΝΗΣΙΟΥ ΜΕ Α.Π.Ε Τμήμα Ηλεκτρονικών Μηχανικών Τ.Ε. ΟΙΚΟΝΟΜΟΤΕΧΝΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΝΟΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΑ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΝΗΣΙΟΥ ΜΕ Α.Π.Ε Πτυχιακή Εργασία Φοιτητής: Γεμενής Κωνσταντίνος ΑΜ: 30931 Επιβλέπων Καθηγητής Κοκκόσης Απόστολος Λέκτορας

Διαβάστε περισσότερα

ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΟ ΠΕ ΙΟ ΚΑΙ ΑΠΩΛΕΙΕΣ

ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΟ ΠΕ ΙΟ ΚΑΙ ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΟ ΠΕ ΙΟ ΚΑΙ ΑΠΩΛΕΙΕΣ Υ πάρχει µεγάλη διαφορά σε µια ηλεκτρική εγκατάσταση εναλλασσόµενου (AC) ρεύµατος µεταξύ των αντιστάσεων στο συνεχές ρεύµα (DC) των διαφόρων κυκλωµάτων ηλεκτρικών στοιχείων

Διαβάστε περισσότερα

35ο Μάθημα ΤΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ. Μπορεί να είναι συνεχές, μπορεί να είναι εναλλασσόμενο

35ο Μάθημα ΤΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ. Μπορεί να είναι συνεχές, μπορεί να είναι εναλλασσόμενο 35ο Μάθημα ΤΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ Μπορεί να είναι συνεχές, μπορεί να είναι εναλλασσόμενο Ηλεκτρικό ρεύμα, ηλεκτρικές πηγές, ηλεκτρικοί πόλοι, καλώδια, ηλεκτρικές συσκευές, συνεχές και εναλλασσόμενο ρεύμα,

Διαβάστε περισσότερα

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΝΑΓΕΝΝΗΤΙΚΗ ΠΕΔΗΣΗ

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΝΑΓΕΝΝΗΤΙΚΗ ΠΕΔΗΣΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΝΑΓΕΝΝΗΤΙΚΗ ΠΕΔΗΣΗ Ένα από τα πλεονεκτήματα της χρήσης των ηλεκτρικών κινητήρων για την κίνηση οχημάτων είναι η εξοικονόμηση ενέργειας κατά τη διάρκεια της πέδησης (φρεναρίσματος) του οχήματος.

Διαβάστε περισσότερα

Φίλιππος Μπρέζας & Κωνσταντίνος-Στέφανος Νίκας

Φίλιππος Μπρέζας & Κωνσταντίνος-Στέφανος Νίκας Heriot-Watt University Technological Education Institute of Piraeus Φίλιππος Μπρέζας & Κωνσταντίνος-Στέφανος Νίκας 3 Δεκεμβρίου 2011, Αθήνα Περίληψη Εισαγωγή Δημιουργία πλέγματος & μοντελοποίηση CFD Διακρίβωση

Διαβάστε περισσότερα

Κινητήρας παράλληλης διέγερσης

Κινητήρας παράλληλης διέγερσης Κινητήρας παράλληλης διέγερσης Ισοδύναμο κύκλωμα V = E + I T V = I I T = I F L R F I F R Η διέγερση τοποθετείται παράλληλα με το κύκλωμα οπλισμού Χαρακτηριστική φορτίου Έλεγχος ταχύτητας Μεταβολή τάσης

Διαβάστε περισσότερα

Γεννήτρια συνεχούς ρεύματος ξένης διέγερσης

Γεννήτρια συνεχούς ρεύματος ξένης διέγερσης ΑΣΚΗΣΗ 5 Γεννήτρια συνεχούς ρεύματος ξένης διέγερσης 1 Α. Θεωρητικές επεξηγήσεις: Μια ηλεκτρική μηχανή συνεχούς ρεύματος παράγει τάση συνεχούς μορφής όταν χρησιμοποιείται ως γεννήτρια, ενώ ένας κινητήρας

Διαβάστε περισσότερα

ΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ

ΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ Οι γεννήτριες συνεχούς ρεύματος διαχωρίζονται στις ακόλουθες κατηγορίες: Ανεξάρτητης (ξένης) διέγερσης. Παράλληλης διέγερσης. Διέγερσης σειράς. Αθροιστικής σύνθετης διέγερσης.

Διαβάστε περισσότερα

ΠΑΡΑΛΛΗΛΙΣΜΟΣ ΕΝΑΛΛΑΚΤΗΡΩΝ. Συγρονισμός δύο (ή περισσοτέρων) γεννητριών

ΠΑΡΑΛΛΗΛΙΣΜΟΣ ΕΝΑΛΛΑΚΤΗΡΩΝ. Συγρονισμός δύο (ή περισσοτέρων) γεννητριών 1 ΠΑΡΑΛΛΗΛΙΣΜΟΣ ΕΝΑΛΛΑΚΤΗΡΩΝ Η αυτόνομη λειτουργία σύγχρονων γεννητριών είναι πολύ σπάνια. Σχεδόν πάντα εμφανίζονται πάνω από μία γεννήτριες, που συνδέονται παράλληλα για την ικανοποίηση των αναγκών του

Διαβάστε περισσότερα

ΦΥΛΛΟ ΑΠΑΝΤΗΣΕΩΝ. Όνομα και Επώνυμο: Όνομα Πατέρα:.. Όνομα Μητέρας:.. Σχολείο:.. Τάξη / Τμήμα:... Εξεταστικό Κέντρο:..

ΦΥΛΛΟ ΑΠΑΝΤΗΣΕΩΝ. Όνομα και Επώνυμο: Όνομα Πατέρα:.. Όνομα Μητέρας:.. Σχολείο:.. Τάξη / Τμήμα:... Εξεταστικό Κέντρο:.. ΦΥΛΛΟ ΑΠΑΝΤΗΣΕΩΝ Όνομα και Επώνυμο: Όνομα Πατέρα:.. Όνομα Μητέρας:.. Σχολείο:.. Τάξη / Τμήμα:... Εξεταστικό Κέντρο:.. ΘΕΜΑ 1 Ο ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ A.1. Παράλληλα συνδεδεμένες είναι οι αντιστάσεις στα κυκλώματα:

Διαβάστε περισσότερα

ΑΣΚΗΣΗ 8 - Μελέτη της ηλεκτρόλυσης CuSO 4 ΑΣΚΗΣΗ 8. Μελέτη της ηλεκτρόλυσης CuSO 4

ΑΣΚΗΣΗ 8 - Μελέτη της ηλεκτρόλυσης CuSO 4 ΑΣΚΗΣΗ 8. Μελέτη της ηλεκτρόλυσης CuSO 4 ΑΣΚΗΣΗ 8 Μελέτη της ηλεκτρόλυσης CuSO 4 Συσκευές: Ένα τροφοδοτικό συνεχούς τάσης, ένα αμπερόμετρο, ένα χρονόμετρο και ένα βολτάμετρο. Το βολτάμετρο ή κουλομβόμετρο αποτελείται από ένα γυάλινο δοχείο που

Διαβάστε περισσότερα

ΗΥ-121: Ηλεκτρονικά Κυκλώματα Γιώργος Δημητρακόπουλος. Βασικές Αρχές Ηλεκτρικών Κυκλωμάτων

ΗΥ-121: Ηλεκτρονικά Κυκλώματα Γιώργος Δημητρακόπουλος. Βασικές Αρχές Ηλεκτρικών Κυκλωμάτων Πανεπιστήμιο Κρήτης Τμήμα Επιστήμης Υπολογιστών ΗΥ-121: Ηλεκτρονικά Κυκλώματα Γιώργος Δημητρακόπουλος Άνοιξη 2008 Βασικές Αρχές Ηλεκτρικών Κυκλωμάτων Ηλεκτρικό ρεύμα Το ρεύμα είναι αποτέλεσμα της κίνησης

Διαβάστε περισσότερα

Ανάλυση Ηλεκτρικών Κυκλωμάτων

Ανάλυση Ηλεκτρικών Κυκλωμάτων Ανάλυση Ηλεκτρικών Κυκλωμάτων Κεφάλαιο 7: Μεταβατική απόκριση κυκλωμάτων RL και RC Οι διαφάνειες ακολουθούν το βιβλίο του Κων/νου Παπαδόπουλου «Ανάλυση Ηλεκτρικών Κυκλωμάτων» ISBN: 9789609371100 κωδ. ΕΥΔΟΞΟΣ:

Διαβάστε περισσότερα

Πανεπιστήμιο Πατρών Πολυτεχνική σχολή Τμήμα Χημικών Μηχανικών Ακαδημαϊκό Έτος 2007-20082008 Μάθημα: Οικονομία Περιβάλλοντος για Οικονομολόγους Διδάσκων:Σκούρας Δημήτριος ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ

Διαβάστε περισσότερα

ΚΟΚΚΙΝΟΥΛΗ ΝΙΚΟΛΕΤΑ, Χηµικός Μηχανικός, MSc

ΚΟΚΚΙΝΟΥΛΗ ΝΙΚΟΛΕΤΑ, Χηµικός Μηχανικός, MSc ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΡΓΑΣΙΑΣ ΜΕ ΤΙΤΛΟ : «ΚΕΛΙΑ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ΜΕ ΑΠΕΥΘΕΙΑΣ ΤΡΟΦΟ ΟΣΙΑ ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗΣ» ΚΟΚΚΙΝΟΥΛΗ ΝΙΚΟΛΕΤΑ, Χηµικός Μηχανικός, MSc ΟΜΗ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΚΥΨΕΛΙ ΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ΘΕΡΜΟ ΥΝΑΜΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ

Διαβάστε περισσότερα

ηλεκτρικό ρεύµα ampere

ηλεκτρικό ρεύµα ampere Ηλεκτρικό ρεύµα Το ηλεκτρικό ρεύµα είναι ο ρυθµός µε τον οποίο διέρχεται ηλεκτρικό φορτίο από µια περιοχή του χώρου. Η µονάδα µέτρησης του ηλεκτρικού ρεύµατος στο σύστηµα SI είναι το ampere (A). 1 A =

Διαβάστε περισσότερα

ΣΤΟΧΟΙ : Ο μαθητής να μπορεί να :

ΣΤΟΧΟΙ : Ο μαθητής να μπορεί να : ΠΗΝΙΟ ΣΤΟΧΟΙ : Ο μαθητής να μπορεί να : Αναφέρει τι είναι το πηνίο Αναφέρει από τι αποτελείται το πηνίο Αναφέρει τις ιδιότητες του πηνίου Αναφέρει το βασικό χαρακτηριστικό του πηνίου Αναφέρει τη σχέση

Διαβάστε περισσότερα

Πείραμα επαγόμενου ρεύματος

Πείραμα επαγόμενου ρεύματος Επαγόμενα πεδία Ένα μαγνητικό πεδίο μπορεί να μην είναι σταθερό, αλλά χρονικά μεταβαλλόμενο. Πειράματα που πραγματοποιήθηκαν το 1831 (από τους Michael Faraday και Joseph Henry) έδειξαν ότι ένα μεταβαλλόμενο

Διαβάστε περισσότερα

Αυγή μιας νέας εποχής για τις μεταφορές

Αυγή μιας νέας εποχής για τις μεταφορές Αυγή μιας νέας εποχής για τις μεταφορές Οι μονάδες ενεργειακής φόρτισης ηλεκτρικών οχημάτων της ΑΒΒ και οι τεχνολογίες ευφυών δικτύων στηρίζουν το όραμα μιας νέας εποχής για τον κλάδο των μετακινήσεων.

Διαβάστε περισσότερα

Οδηγίες ασφάλειας Προειδοποίηση! Προειδοποίηση! Προσοχή κίνδυνος! μόνο είσοδο

Οδηγίες ασφάλειας Προειδοποίηση! Προειδοποίηση! Προσοχή κίνδυνος! μόνο είσοδο 1 Οδηγίες ασφάλειας Λανθασμένη χρήση της συσκευής αυτής μπορεί να προκαλέσει κίνδυνο καταστροφής της ίδιας ή άλλων συσκευών, ακόμα και τραυματισμό ή θάνατο. Προειδοποίηση! Ρεύμα 230V. ΜΑΚΡΙΑ ΑΠΟ ΠΑΙΔΙΑ.

Διαβάστε περισσότερα

Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών ΜΕΤΑΒΑΤΙΚΑ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΚΑΤΆ ΤΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΣΓ

Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών ΜΕΤΑΒΑΤΙΚΑ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΚΑΤΆ ΤΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΣΓ Όταν κατά τη λειτουργία μιας ΣΓ η ροπή στον άξονα της ή το φορτίο της μεταβληθούν απότομα, η λειτουργία της παρουσιάζει κάποιο μεταβατικό φαινόμενο για κάποια χρονική διάρκεια μέχρι να επανέλθει στη στάσιμη

Διαβάστε περισσότερα

Η επαναπαραγόμενη ενέργεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη φόρτιση μπαταριών ενός EV ή ενός HEV.

Η επαναπαραγόμενη ενέργεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη φόρτιση μπαταριών ενός EV ή ενός HEV. ΑΝΑΓΕΝΝΗΤΙΚΗ ΠΕΔΗΣΗ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ένα από τα πλεονεκτήματα της χρήσης των ηλεκτρικών κινητήρων για την κίνηση οχημάτων είναι η εξοικονόμηση ενέργειας κατά τη διάρκεια της πέδησης (φρεναρίσματος) του οχήματος.

Διαβάστε περισσότερα

Γενικός Οδηγός Αυτόνομων Φωτοβολταϊκών Συστημάτων

Γενικός Οδηγός Αυτόνομων Φωτοβολταϊκών Συστημάτων Γενικός Οδηγός Αυτόνομων Φωτοβολταϊκών Συστημάτων 1 Copyright 2013-2014 Προστατεύεται από Πνευματικά Δικαιώματα Απαγορεύεται η μερική ή ολική αντιγραφή. - Agreenenergy.gr Πίνακας Περιεχομένων AlphaGreen

Διαβάστε περισσότερα

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ & ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ & ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ & ΑΥΤΟΜΑΤΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ & ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Διδάσκων : Δημήτρης Τσιπιανίτης Γεώργιος Μανδέλλος

Διαβάστε περισσότερα

Ηλεκτρικές Μηχανές Βιομηχανικοί Αυτοματισμοί. Τριφασικοί Μετασχηματιστές

Ηλεκτρικές Μηχανές Βιομηχανικοί Αυτοματισμοί. Τριφασικοί Μετασχηματιστές Ουσιαστικά πρόκειται για τρεις μονοφασικούς μετασχηματιστές, στους οποίους συνδέουμε τα άκρα κατάλληλα. Κάθε μονοφασικός μετασχηματιστής μπορεί να έχει το δικό του πυρήνα, ή εναλλακτικά μπορούν και οι

Διαβάστε περισσότερα

Κινητήρας συνεχούς ρεύματος σύνθετης διέγερσης. α) αθροιστικής σύνθετης διέγερσης

Κινητήρας συνεχούς ρεύματος σύνθετης διέγερσης. α) αθροιστικής σύνθετης διέγερσης ΑΣΚΗΣΗ 10 Κινητήρας συνεχούς ρεύματος σύνθετης διέγερσης α) αθροιστικής σύνθετης διέγερσης 1 Α. Θεωρητικές επεξηγήσεις: Ο κινητήρας συνεχούς ρεύματος σύνθετης διέγερσης συνδυάζει τα πλεονεκτήματα του κινητήρα

Διαβάστε περισσότερα

Εξεταστέα Ύλη στη Φυσική Γ Γυμνασίου

Εξεταστέα Ύλη στη Φυσική Γ Γυμνασίου Εξεταστέα Ύλη στη Φυσική Γ Γυμνασίου ΕΝΟΤΗΤΑ 1: Ενέργεια (Φυλλάδια) Ορισμός έργου σταθερής δύναμης που ασκείται σε ένα σώμα και έχει την ίδια διεύθυνση με την μετατόπιση του σώματος: W = Δύναμη x Μετατόπιση=

Διαβάστε περισσότερα

Κεφάλαιο 3 Ο Νόμος του Ohm

Κεφάλαιο 3 Ο Νόμος του Ohm Κεφάλαιο 3 Ο Νόμος του Ohm 1 3 Ο Νόμος του Ohm (Ohm s Law) ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ Ο Νόμος του Ohm Εφαρμογή του Νόμου του Ohm Ενέργεια και Ισχύς Ισχύς σε ένα Ηλεκτρικό Κύκλωμα Οι Ονομαστικές Τιμές Ισχύος

Διαβάστε περισσότερα

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: Ηλεκτρικό Ρεύμα Μέρος 1 ο

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: Ηλεκτρικό Ρεύμα Μέρος 1 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: Ηλεκτρικό Ρεύμα Μέρος 1 ο Βασίλης Γαργανουράκης Φυσική ήγ Γυμνασίου Εισαγωγή Στο προηγούμενο κεφάλαιο μελετήσαμε τις αλληλεπιδράσεις των στατικών (ακίνητων) ηλεκτρικών φορτίων. Σε αυτό το κεφάλαιο

Διαβάστε περισσότερα

(1) i mig,k = z 2 kf 2 u k c k (2) i mig = i mig,k = z 2 kf 2 u k c k. k=1. k=1

(1) i mig,k = z 2 kf 2 u k c k (2) i mig = i mig,k = z 2 kf 2 u k c k. k=1. k=1 Αριθμοί μεταφοράς Α. Καραντώνης 1 Σκοπός Σκοπός της άσκησης είναι ο πειραματικός προσδιορισμός των αριθμών μεταφοράς με τη μέθοδο Hittorf. Ειδικότερα, προσδιορίζονται ο αριθμοί μεταφοράς κατιόντων υδρογόνου

Διαβάστε περισσότερα

Ανάλυση και υλοποίηση ταλαντωτή τύπου Colpitts

Ανάλυση και υλοποίηση ταλαντωτή τύπου Colpitts Εργασία στο μάθημα «Εργαστήριο Αναλογικών VLSI» Ανάλυση και υλοποίηση ταλαντωτή τύπου Colpitts Ομάδα Γεωργιάδης Κωνσταντίνος konsgeorg@inf.uth.gr Σκετόπουλος Νικόλαος sketopou@inf.uth.gr ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ

Διαβάστε περισσότερα

Εργαστήριο Ανάλυσης Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας

Εργαστήριο Ανάλυσης Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας Εργαστήριο Ανάλυσης Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας Ενότητα: Άσκηση 6: Αντιστάθμιση γραμμών μεταφοράς με σύγχρονους αντισταθμιστές Νικόλαος Βοβός, Γαβριήλ Γιαννακόπουλος, Παναγής Βοβός Τμήμα Ηλεκτρολόγων

Διαβάστε περισσότερα

Μπαταρία η γνωστή μας άγνωστη

Μπαταρία η γνωστή μας άγνωστη Μπαταρία η γνωστή μας άγνωστη Ένα από τα βασικά εξαρτήματα σε ένα αυτοκίνητο είναι η μπαταρία. Ίσως θα έλεγα και το σπουδαιότερο αφού χωρίς αυτήν δεν μπορεί να λειτουργήσει σχεδόν τίποτα. Τι γνωρίζουμε

Διαβάστε περισσότερα

ΓΚΙΟΚΑΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ. ΘΕΜΑ: Περιγράψτε τον τρόπο λειτουργίας μιας ηλεκτρικής γεννήτριας Σ.Ρ. με διέγερση σειράς.

ΓΚΙΟΚΑΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ. ΘΕΜΑ: Περιγράψτε τον τρόπο λειτουργίας μιας ηλεκτρικής γεννήτριας Σ.Ρ. με διέγερση σειράς. ΓΚΙΟΚΑΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ ΑΜ:6749 ΘΕΜΑ: Περιγράψτε τον τρόπο λειτουργίας μιας ηλεκτρικής γεννήτριας Σ.Ρ. με διέγερση σειράς. ΣΚΟΠΟΣ: Για να λειτουργήσει μια γεννήτρια, πρέπει να πληρούνται οι παρακάτω βασικές

Διαβάστε περισσότερα

ΑΣΚΗΣΗ 5 η ΑΣΥΓΧΡΟΝΟΣ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΣ ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ. 1. Η μελέτη της δομής και της αρχής λειτουργίας ενός ασύγχρονου τριφασικού κινητήρα.

ΑΣΚΗΣΗ 5 η ΑΣΥΓΧΡΟΝΟΣ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΣ ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ. 1. Η μελέτη της δομής και της αρχής λειτουργίας ενός ασύγχρονου τριφασικού κινητήρα. Σκοπός της άσκησης: ΑΣΚΗΣΗ 5 η ΑΣΥΓΧΡΟΝΟΣ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΣ ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ Σκοπός της εργαστηριακής άσκησης είναι: 1. Η μελέτη της δομής και της αρχής λειτουργίας ενός ασύγχρονου τριφασικού κινητήρα. 1. Γενικά Οι

Διαβάστε περισσότερα

ΤΕΙ ΠΕΛΟΠΟΝΝΗΣΟΥ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ. Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής

ΤΕΙ ΠΕΛΟΠΟΝΝΗΣΟΥ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ. Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής ΤΕΙ ΠΕΛΟΠΟΝΝΗΣΟΥ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ «ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ» ΧΕΙΜΕΡΙΝΟ ΕΞΑΜΗΝΟ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΟΥ ΕΤΟΥΣ 2018-2019 Διδάσκων: Δρ. Παντελής Σ. Αποστολόπουλος (Επίκουρος

Διαβάστε περισσότερα

Παραδοτέο Π6.1 Έκθεση με προτάσεις για την αξιοποίηση των αποτελεσμάτων του έργου

Παραδοτέο Π6.1 Έκθεση με προτάσεις για την αξιοποίηση των αποτελεσμάτων του έργου Έκθεση με προτάσεις για την αξιοποίηση των αποτελεσμάτων του έργου «Πρωτοβουλία (Direct Current in Ship Initiative - DC-Ship)» (πράξη ΑΡΙΣΤΕΙΑ Ι, Κωδ. Έργου ΓΓΕΤ: 987, Κωδ. Έργου ΕΔΕΙΛ/ΕΜΠ: 68/1151) ΣΥΝΟΠΤΙΚΗ

Διαβάστε περισσότερα

Ηλεκτροτεχνία Ηλ. Μηχανές & Εγκαταστάσεις πλοίου Τα στοιχεία του Πυκνωτή και του Πηνίου

Ηλεκτροτεχνία Ηλ. Μηχανές & Εγκαταστάσεις πλοίου Τα στοιχεία του Πυκνωτή και του Πηνίου Το στοιχείο του πυκνωτή (1/2) Αποτελείται από δύο αγώγιμα σώματα (οπλισμοί)ηλεκτρικά μονωμένα μεταξύ τους μέσω κατάλληλου μονωτικού υλικού (διηλεκτρικό υλικό) Η ικανότητα του πυκνωτή να αποθηκεύει ενέργεια

Διαβάστε περισσότερα

ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ AC-DC. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1ο ΒΑΣΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΚΑΙ ΕΞΑΡΤΗΜΑΤΑ - ΑΠΛΑ ΓΡΑΜΜΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ

ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ AC-DC. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1ο ΒΑΣΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΚΑΙ ΕΞΑΡΤΗΜΑΤΑ - ΑΠΛΑ ΓΡΑΜΜΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ AC-DC ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1ο ΒΑΣΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΚΑΙ ΕΞΑΡΤΗΜΑΤΑ - ΑΠΛΑ ΓΡΑΜΜΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ Βασικά στοιχεία κυκλωμάτων Ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα αποτελείται από: Πηγή ενέργειας (τάσης ή ρεύματος) Αγωγούς Μονωτές

Διαβάστε περισσότερα

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΤΗΣ PLC SIMATIC S7-300

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΤΗΣ PLC SIMATIC S7-300 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΤΗΣ PLC SIATIC S7-300 5. Σκοπός του προσομοιωτή. Χωρίς τον προσομοιωτή ο έλεγχος της ορθότητας ενός προγράμματος μπορεί να γίνει μόνο offline με τη χρήση του λογισμικού STEP 7 της Siemens

Διαβάστε περισσότερα

Αυτά τα πειράµατα έγιναν από τους Michael Faraday και Joseph Henry.

Αυτά τα πειράµατα έγιναν από τους Michael Faraday και Joseph Henry. Επαγόµενα πεδία Ένα µαγνητικό πεδίο µπορεί να µην είναι σταθερό, αλλά χρονικά µεταβαλλόµενο. Πειράµατα που πραγµατοποιήθηκαν το 1831 έδειξαν ότι ένα µεταβαλλόµενο µαγνητικό πεδίο µπορεί να επάγει ΗΕΔ σε

Διαβάστε περισσότερα

Ανάλυση Κυκλωμάτων. Φώτης Πλέσσας Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Υπολογιστών

Ανάλυση Κυκλωμάτων. Φώτης Πλέσσας Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Υπολογιστών Ανάλυση Κυκλωμάτων Στοιχεία Δύο Ακροδεκτών Φώτης Πλέσσας fplessas@inf.uth.gr Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Υπολογιστών Δομή Παρουσίασης Εισαγωγή Αντιστάτης Πηγές τάσης και ρεύματος Πυκνωτής

Διαβάστε περισσότερα

(α) Σχ. 5/30 Σύμβολα πυκνωτή (α) με πολικότητα, (β) χωρίς πολικότητα

(α) Σχ. 5/30 Σύμβολα πυκνωτή (α) με πολικότητα, (β) χωρίς πολικότητα 5. ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΕΞΑΡΤΗΜΑΤΑ Ι ( ΠΥΚΝΩΤΕΣ) Πυκνωτές O πυκνωτής είναι ένα ηλεκτρικό εξάρτημα το οποίο έχει την ιδιότητα να απορροφά και να αποθηκεύει ηλεκτρική ενέργεια και να την απελευθερώνει, σε προκαθορισμένο

Διαβάστε περισσότερα