بهینهسازی فرایند شارژ باتریهای واحد ذخیره انرژی شرکت مخابرات شاهرود

Transcript

1 بهینهسازی فرایند شارژ باتریهای واحد ذخیره انرژی شرکت مخابرات شاهرود 0 امير غالمی 0 احمد دارابی 0 دانشجوی کارشناسی ارشد برق قدرت دانشگاه آزاد اسالمی دامغان Amir_gholami174@yahoo.com 0 دانشکده برق دانشگاه شاهرود darabi_ahmad@hotmail.com چکيده - معموال شرکتهای مخابرات برای جلوگيری از قطعی آنتن دهی موبایلها ناشی از قطعی برق هم از واحدهای برق اضطراری مانند دیزل ژنراتورها و هم از واحدهای ذخيره انرژی استفاده میکنند. واحدهای ذخيره انرژی که از یک بانک باتری سرب اسيدی تشکيل میشوند همانند یک واحد UPS بزرگ عمل میکنند و بال فاصله بعد از قطع شدن برق وارد مدار شده و از قطع شدن سيستم مخابرات جلوگيری میکنند. دیزل ژنراتورها با توجه به توان پایين تر برای استفاده مستقيم مناسب نمیباشد و برای شارژ باتریها در صورت طوالنی شدن مدت زمان قطعی استفاده میگردند. البته ممکن است برخی شرکتهای مخابراتی از چندین واحد دیزل ژنراتور برای تامين انرژی استفاده کنند کليد واژه-ذخيره سازهای انرژی سيستم های مخابراتی باتری شرکت مخابرات شاهرود 1-1- باتری ها باتری میتواند انرژی مورد نياز را برای دستگاه ذخيره کند تا 1- مقدمه باتری میتواند انرژی مورد نياز را برای دستگاه ذخيره کند تا بتوان از دستگاه بدون نياز به اتصال به برق استفاده کرد. باتری یک قطعه شيميایی است که انرژی شيميایی را به انرژی الکتریکی تبدیل میکند. سلول گالوانيکی سلول یک قطعه بسيار ساده است که از دو الکترود )آند و کاتد( ویک محلول الکتروليت تشکيل شده است. باتریها از تعدادی سلولهای گالوانيکی تشکيل میشوند. باتری بوسيله تغييرات شيميایی انرژی شيميایی را به انرژی الکتریکی تبدیل میکند. در باتریهای قابل شارژ این فرایند میتواند چندین بار تکرار شود. معموال راندمان باتری 011 درصد نيست یعنی مقداری از انرژی باتری در اثر گرما و فعاليتهای شيميایی که در زمان شارژ و تخليه شارژ انجام میدهد هدر میرود. به عنوان مثال اگر یک باتری در پروسه دشارژ 0111 وات انرژی آزاد شود برای پروسه شارژ ممکن است تا 0011 وات انرژی نياز باشد. بتوان از دستگاه بدون نياز به اتصال به برق استفاده کرد. باتری یک قطعه شيميایی است که انرژی شيميایی را به انرژی الکتریکی تبدیل میکند. سلول گالوانيکی سلول یک قطعه بسيار ساده است که از دو الکترود )آند و کاتد( ویک محلول الکتروليت تشکيل شده است. باتریها از تعدادی سلولهای گالوانيکی تشکيل میشوند. باتری بوسيله تغييرات شيميایی انرژی شيميایی را به انرژی الکتریکی تبدیل میکند. در باتریهای قابل شارژ این فرایند میتواند چندین بار تکرار شود. معموال راندمان باتری 011 درصد نيست یعنی مقداری از انرژی باتری در اثر گرما و فعاليتهای شيميایی که در زمان شارژ و تخليه شارژ انجام میدهد هدر میرود. به عنوان مثال اگر یک باتری در پروسه دشارژ 0111 وات انرژی آزاد شود برای پروسه شارژ ممکن است تا 0011 وات انرژی نياز باشد ]0[.

2 2-1- نحوه عملکرد باتریها باتریهای امروزی دو انتهای مثبت و منفی دارند. داخل تمام این باتریها همانند پيل ولتایی بوده و تنها از مواد مختلف و گوناگونی استفاده میکنند. در تمام باتریها از فلزات برای الکترود و از مواد دیگری که مشابه آب نمک هستند برای الکتروليت استفاده میشود. الکترودها با هم در تماس مستقيم نبوده و تنها تماس آنها از طریق الکتروليت صورت میگيرد. وقتی یک سيم به قطبهای مثبت و منفی باتری وصل میشود جریان الکتریسته از قطب منفی به سمت قطب مثبت سيم به حرکت در میآید. حرکت جریان درون سيم در واقع حرکت الکترونهای داخل آن است که میتواند وسایل الکتریکی را به کار بيندازد. پتانسيل الکتریکی ایجاد شده بين دو سر مثبت و منفی باتری ولتاژ باتری ناميده شده و با واحد ولت سنجيده میشود. ميزان این پتانسيل یا نيروی محرکه به نوع واکنش صورت گرفته درون باتری بستگی داشته و مواد مختلف پتانسيلهای گوناگونی را توليد میکنند ]0[. 2- مدل باتری باتریهای سربی اسيدی معموال با استفاده مشخصات رفتاری که توسط شرکتهای سازنده باتری در اختيار قرار میگيرند مدل میشوند. این مدلها معموال بر اساس روابط ریاضی هستند که معموال بر پایه اصول ذیل بيان میشوند. ظرفيت باتری تابعی از جریان دشارژ است که به این اثر پوکرت گفته میشود. ضرایب بسياری برای تنظيم پارامترهای مدل باید در آنها اثر داده شود. ولتاژدشارژ باتری تابعی SOC است. مقاومت داخلی باتری نيز تابعی از SOC است. معموال اطالعات باتری ها توسط سازندگان داده می شود ]0[. 3- شارژرها شارژر یک دستگاه الکترونيکی است که جریان و ولتاژ AC را به جریان و ولتاژ DC مورد نياز باتری تبدیل مینماید. در واقع شارژر یک مبدل AC به DC است که وظيفه آن ایجاد ولتاژ و جریان مطلوب برای شارژ باتری است. برای کنترل جریان و ولتاژ در شارژرها بيشتر از یکسوکنندههای سيليکونی کنترل شونده (SCR) استفاده میشود. در عمل هر شارژر با اجزاء منحصر به فرد برای یک محدوده جریان و ولتاژ مشخص کار می- کند که این اجزاء تعيين کننده دقت نوع و قيمت شارژر می- باشند. امروزه همه شارژرهای صنعتی و تجاری برای یک سایز باتری و ظرفيت مخصوص ساخته میشوند. برخی از شارژرها دارای چندین حالت مختلف شارژ میباشند. همچنين این یک امر طبيعی است که شارژر متناسب با باتریهایی که میخواهند شارژ شوند انتخاب شود انواع شارژر باتری یک شارژر کامال استاندارد که بصورت عملی و طبق مشخصات توليد کنندگان باتریهای باید شاخته شود بدین گونه میباشد. این شارژر میبایست باتری را تا 01 درصد ظرفيت حقيقی باتری شارژ نماید. این سيستم شارژ در حالت استاندارد زمانی حدود 01 ساعت )برای باتری 0111 ميلی آمپر( و در حالت شارژ سریع زمانی حدود 5 ساعت )برای باتری 0111 ميلی آمپر( اختصاص میدهد )قابل توجه برای شارژر نوع سوم که 01 دقيقه را مد نظر دارد( و همچنين این شارژر طول عمر باتری را به همان مقدار تعریف شده کارخانههای توليد کننده که حدود 0111 بار شارژ میباشد رعایت مینماید ]3[. -4 شبیه سازی و مدلسازی باتریهای واحد ذخيره انرژی شرکت مخابرات شاهرود نيز از نوع باتریهای سربی اسيدی میباشد. مشخصات باتریخانه این شرکت متشکل از دو رشته موازی شده با هم است که هر رشته 0511 ولتی و 0 باتری 02 شامل مجموعا این دو رشته یک بانک باتری آمپر ساعت میباشد که 5111 ولت و 24 آمپرساعت را تشکيل میدهند. برای مدلسازی بانک باتری تحت مطالعه از مدل ساده شده شکل 0 استفاده میشود. در این مدل که متشکل از یک منبع ولتاژ سری شده با یک مقاومت است اثر SOC در هر دو المان لحاظ گردیده است و هم دامنه منبع ولتاژ و هم اندازه مقاومت داخلی باتری تابعی از ميزان شارژ باتری میباشند. در شارژ باتری ها توسط شارژر با توجه به آنکه ظرفيت

3 شارژر متناسب با ظرفيت بانک باتری انتخاب میشود )و نه خيلی بزرگتر از آن( میتوان از اثر پوکرت )تغيير ظرفيت باتریهای سربی اسيدی ناشی از شارژ با جریانهایی بيشتر از جریان نامی( صرف نظر کرد و ظرفيت بانک باتری را ثابت فرض نمود ]2[. شکل 0. مدل باتری سربی اسيدی پيشنهادی مقاومت داخلی باتری بر اساس منحنی مقاومت داخلی و یا آزمایش بر اساس فرمول )0( بدست میآید. این اطالعات توسط سازندگان باتری نيز مشخص میشود. به عنوان مثال مقاومت داخلی یک باتری 0 ولتی تحت مطالعه در حالت شارژ تقریبا 0 ميلی اهم و در حالت کامال دشارژ 31 ميلی اهم میباشد. در حالت کلی مقاومت داخلی باتری سرب اسيدی تابعی از مقدار شارژ باتری میباشد. در شکل 0 تغييرات ظرفيت بر حسب مقاومت با نقاط مشکی مشخص شده اند. توسط نرم افزار متلب با استفاده از ابزار curve fitting نقاط مشخص شده توسط یک تابع کسری فيت شده اند که بهترین فيت شدن با کمترین خطا برای تابع زیر به دست آمده است SOC Rbat( soc) SOC (1) شکل 0. نقاط واقعی و منحنی فيت شده برای باتری با توجه به روابط 0 تا 5 و منحنی های شارژ و دشارژ باتری های تحت مطالعه ثابت های B و A K E 0 برای بانک باتری باید استخراج گردد. برای تخمين پارامترهای باتری های مورد نظر از نرم افزارmatlab استفاده شده است و پارامترهای بدست آمده در جدول 0 نمایش داده شده است.. در واقع منحنی های شارژ و دشارژ باتری نشان دهنده وابستگی ولتاژ باتری به SOC مدل ارائه شده در معادالت مربوط به بار باتری آن میباشد. مطابق با شکل 0 و q I batt ترمينال درصد شارژ باتری ولتاژ داخلی SOC جریان باتری E in V batt را میتوان به صورت زیر بيان کرد: و ولتاژ dq I batt dt q SOC 100 Q E V Q (2) (3) Bq in E K Ae 0 Q q (4) batt E in R batt I batt (5) که در آن پارامترهای B و A K E 0 مقادیر ثابت وابسته به نوع باتریهای سربی اسيدی انتخابی میباشند. ظرفيت است که با توجه به پارامترهایی همچون جریان Q بانک باتری شارژ و دشارژ عمر باتری و شرایط محيطی ممکن است اندکی با ظرفيت نامی باتری C متفاوت باشد. در مدلسازی با توجه به نادیده گرفتن اثر دما و پوکرت میباشد ]5[. Q C انتگرال جریان معرف ميزان بار باتری است. در واقع انتگرال جریان شارژ ميزان بار ذخيره شده در باتری و انتگرال جریان دشارژ ميزان بار تخليه شده باتری را نشان میدهد. ميزان بار باتری همواره بين مقدار عددی حد پایين صفر و حد باالی ظرفيت باتری ( 0 q Q ) میباشد.

4 جدول 0 پارامترهای تخمين زده شده برای باتری تحت مطالعه پارامترهای مربوط به بانک باتری )24 باتری 2 ولتی( E0= R = Ω K = A = B = 0.15 Q=5000 AH پارامترهای مربوط به یک باتری 2 ولتی E0 = R = 3e-05Ω K = 4.444e-06 A = B =0.3 Q=2500 AH -5 نتایج شبیه سازی در شرکت مخابرات شاهرود ابتدا ولتاژ توسط ترانسفورماتور از 001 ولت به 20 ولت کاهش مییابد و سپس توسط یک پل تریستوری ولتاژ 20 ولت متناوب به ولتاژ مستقيم 53/2 تبدیل میشود. ظرفيت جریانی کل سيستم مرکز مخابرات شاهرود 0011 آمپر است که معموال 531 تا 011 آمپر آن به عنوان بار در حال مصرف میباشد و ظرفيتی در حدود آمپر در 0111 دسترس برای شارژ باتریها وجود دارد. با توجه به ظرفيت بانک باتری که 5111 آمپر ساعت است تقریبا سيستم ذخيره ساز 5 الی 0 ساعت قادر به تغذیه بار در حالت قطعی برق میباشد. در شرکت مخابرات شاهرود برای جلوگيری از دشارژ خود به خود باتری ها مجموعه بانک باتری همواره به صورت متناوب شارژ می شود که اینروش شارژ به صورت ولتاژ ثابت و با ولتاژ 52/2 ولت می باشد. این سيستم شارژ شناور نيز از این پس همواره برای بعد از حالت شارژ کامل باتری ها لحاظ خواهد گردید ]0[. با توجه به ساختار قدیمی و بسيار ساده شارژرهای مرکز مخابرات شاهرود در این مقاله سعی بر آن است تا با یک شبيه سازی دقيق و واقعی بهترین روش شارژ برای واحد ذخيره ساز مشخص گردد. مشخصات جدول 0 نشان داده شده است ]2[. بانک باتری شرکت مخابرات در شارژ جدول 0. مشخصات بانک باتری تحت مطالعه ولتاژ نامی بانک باتری جریان نامی شارژ بانک باتری ظرفيت نامی مقاومت داخلی باتری در حالت کامال مقاومت کابل ها و بستها ولتاژ اعمالی برای شارژ ماکزیمم جریان مجاز برای شارژ مينيمم جریان شارژ )قطع شارژ( 48 V 500 A 5000 AH 53.4 V 0.3 mω 20 mω A A همانگونه که گفته شد در مرکز مخابرات شاهرود از روش ساده ولتاژ ثابت برای شارژ باتریها استفاده میشود. در اینروش یک ولتاژ ثابت 53/2 ولتی به دو سر بانک باتری اعمال میشود و باتریها شارژ میشوند. در روش شارژ ولتاژ ثابت جریان کشيده شده از منبع به صورت نمایی کم می شود که باعث طوالنی شدن پروسه شارژ میشود. همچنين در شروع پروسه شارژ جریان بسيار زیادی ممکن است کشيده شود. معموال عبور این جریان زیاد هنگامی رخ می دهد که باتریها به ميزان قابل توجهای دشارژ شده باشند. در شرکت مخابرات شاهرود برای جلوگيری از این امر معموال باتریها بيشتر از 01 درصد اجازه دشارژ ندارند. زیرا دشارژ بيش از این حد سبب افت ولتاژ بيش از حد باتری می شود )افت ولتاژی که برای بار مجاز است( که در هنگام شارژ به علت زیاد شدن اختالف ولتاژ بين منبع و باتری باعث کشيده شدن جریان زیاد و آسيب رسيدن به باتریها میشود. پروسه شارژ باتریها در شرکت مخابرات معموال یک شبانه روز به طول میانجامد که از نظر استانداردهای موجود بسيار طوالنی است. استاندارها معموال مدت زمان بين 2 تا 01 ساعت را مناسب برای شارژ میدانند. همانگونه که مشخص است مدت زمان طوالنی

5 شارژ و جریان زیاد کشيده شده در لحظه شروع که باعث کاهش ثانيه ( تقریبا 00/5 ساعت( طول میکشد که مدت زمان قابل عمر مفيد باتریها میشود نشان از نامطلوب بودن پروسه شارژ در این شرکت دارد ]4[. در این مقاله روشهای بهتری برای شارژ بانک باتری شرکت مخابرات شاهرود ارائه میگردد تا هم مدت زمان شارژ کوتاه گردد و هم از آسيب رسيدن به باتریها جلوگيری به عمل آید. در شرکت مخابرات شاهرود باتری ها با ولتاژ ثابت 53/2 ولت بعد از یک فرایند دشارژ شارژ میشوند که بسته به عمق دشارژ جریان در لحظه شروع مقداری بين 011 تا 211 آمپر دارد که با شروع شارژ رفته رفته کم و کمتر میشود. دقت شود که نامی باتریها 511 آمپر است جریان و جریان بيش از این مقدار کاهش عمر مفيد باتریها میشود. معموال پروسه شارژ با توجه به بزرگ بودن ظرفيت باتریها و کم شدن ميزان جریان طوالنی میشود و بعضا تا یک شبانه روز به طول میانجامد. شکل زیر نيز شارژ واقعی را با عمق شارژ 41 درصد نشان می دهد. شکل 3. فرایند شارژ واقعی با ولتاژ ثابت در شکل فوق منحنی اول وضعيت شارژ باتری منحنی دوم ولتاژ داخلی باتری و منحنی سوم جریان کشيده شده توسط باتری است. همانگونه که در شکل 3 دیده میشود در عمق دشارژ 41 درصد ولتاژ بانک باتری به 20 ولت رسيده است. البته همانگونه که قبال ذکر شد بانک باتری معموال بيشتر از 01 درصد دشارژ نمیشود که در آن صورت ولتاژ 22/5 ولت خواهد بود. در شکل 3 کامال مشهود است که در لحظه شروع پروسه شارژ جریان 211 آمپر است و مدت زمان شارژ کامل تقریبا توجهی میباشد. با توجه به طوالنی شدن پروسه شارژ در حالت واقعی که در زمانهای بحرانی میتواند امری مهم تلقی گردد می توان چندین سناریو را برای بهينه کردن پروسه شارژ باتریهای شرکت مخابرات ارائه نمود. در این پایاننامه سه سناریو برای بهينه شدن فرایند شارژ در نظر گرفته شده است صورت زیر میباشد: ]9[ که به سناریو 0: ارزان بودن شارژر: در این سناریو هدف اصلی این است که فقط قيمت شارژر کم باشد و نسبت به حالت واقعی زمان شارژ بهبود یابد. سناریو 0: کوتاه شدن پروسه شارژ: در این سناریو هدف اصلی کوتاه شدن زمان شارژ است. در واقع میتوان گفت این سناریو برای زمان های بحرانی که در مدت زمان کوتاهتر باتریها باید شارژ شوند مناسب است. سناریو 3: کوتاه شدن پروسه شارژ و افزایش عمر باتری: در این سناریو عالوه بر کوتاه شدن پروسه شارژ هدف افزایش عمر و جلوگيری از صدمه دیدن باتریها میباشد. سناریو 0 و 0 ممکن است به ترتيب در شروع و پایان پروسه شارژ سبب آسيب رساندن به باتریها شوند که در سناریو 3 هدف حذف این آسيب پذیری است. توجه شود که در هر سه سناریو همه اهداف کوتاه شدن زمان شارژ کم هزینه بودن شارژر و نگهداری و افزایش عمر باتری مد نظر خواهد بود اما هدف اصلی برای هر سناریو در باال ذکر گردید. 6- بحث و نتیجه گیری در این مقاله واحد ذخيره انرژی شرکت مخابرات شاهرود تحت مطالعه و شبيه سازی قرار گرفت. سه سناریو با هدفهای غالب هزینه کمتر زمان شارژ کوتاهتر و ترکيبی از اهداف آسيب نرسيدن به باتری و کوتاه شدن زمان شارژ در نظر گفته شد و برای هر سناریو چهار پيشنهاد ارائه گردید. با توجه به مقایسه نتایج به دست آمده از جدولهای 0-5 تا 3-5 میتوان بهترین

6 [7] batrey.html [8] Zhang, Jiucai, et al. "An enhanced circuit-based model for single-cell battery." Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2010 Twenty-Fifth Annual IEEE. IEEE, [9] [10] Martínez, Javier Solano, et al. "Practical control structure and energy management of a testbed hybrid electric vehicle." Vehicular Technology, IEEE Transactions on 60.9 (2011): [11] Smith, Kandler A., Christopher D. Rahn, and Chao- Yang Wang. "Control oriented 1D electrochemical model of lithium ion battery." Energy Conversion and Management 48.9 (2007): روشهای شارژ باتریهای شرکت مخابرات شاهرود را به صورت زیر بيان کرد: در صورت عدم هزینه اضافی برای شارژها با توجه به سناریوی 0 و آزاد بودن ظرفيت جریانی شارژر پيشنهاد میشود که ولتاژ خروجی شارژر در محدوده چند ولت )نهایتا 0 ولت( بيشتر گردد تا پروسه شارژ کوتاهتر شود. به عنوان مثال با زیاد شدن ولتاژ خروجی شارژر از 52 ولت به 52 ولت بدون آسيب رسيدن به باتریها و شارژر مدت زمان پروسه شارژ یک سوم کاهش پيدا میکند. در صورت صرف هزینه و خرید شارژرهای جدید برای باتریها پيشنهاد میشود در صورت شارژ اضطراری و سریع نهایتا باتریها با جریان 251 آمپر شارژ شوند تا از آسيب رسيدن جدی به آنها جلوگيری شود و در نهایت در حالت عادی بهترین گزینه شارژ شارژ ترکيبی جریان ثابت - ولتاژ ثابت با جریان نامی 511 آمپر به ميزان تقریبا 95 درصد شارژ با جریان ثابت است. البته نا گفته نماند که مقادیر گفته شده به صورت تقریبی و سليقهای میباشد و چند درصد کم یا زیاد شدن مقادیر میتواند مجاز تلقی گردد ] 01 و 00 [. 7- منابع [1] ] [2] Zhang, Jiucai, et al. "Modeling discharge behavior of multicell battery." Energy Conversion, IEEE transactions on 25.4 (2010): [3] Bullock, Kathryn R. "Lead/acid batteries." Journal of power sources 51.1 (1994): [4] Doerffel, Dennis, and Suleiman Abu Sharkh. "A critical review of using the Peukert equation for determining the remaining capacity of lead-acid and lithium-ion batteries." Journal of Power Sources (2006): [5] Hua, Chih-Chiang, and Meng-Yu Lin. "A study of charging control of lead-acid battery for electric vehicles." Industrial Electronics, ISIE Proceedings of the 2000 IEEE International Symposium on. Vol. 1. IEEE, [6] Cherng, Jing-Yih, and James K. Klang. "Method and apparatus for charging a lead-acid battery." U.S. Patent No. 5,656, Aug