Dorka Tarnai
Az elmúlt 5-7 év ugrásszerű fejlődésének köszönhetően a li-ion akkumulátor technológiára fókuszálnak többek között az elektromobilitási szereplők, a naperőmű-üzemeltetők,, az energiaközösségek és a napelemes rendszereket használó lakosság.
Emiatt a méretezés, valamint az élettartam-számítás kiemelten fontos műszaki kihívássá vált.
Az akkumulátorok paraméterei és a kapacitás megtervezése
Az akkumulátorok energiatároló eszközök, amelyek cellákból, modulokból és pakkokból épülnek fel.
Kisütéskor és töltéskor különböző karakterisztikákat mutatnak, amelyeket a kisütési és töltési áram, a pillanatnyi SoC (State of Charge – töltöttségi szint), a SoH (State of Health – a degradáció, azaz az akkumulátor kapacitásának állapota a gyártáskori kapacitáshoz képest), és a hőmérséklet nagyban befolyásolják.
A pillanatnyi értékek mind közvetlenül hatnak a kapacitásra és a belső impedanciára, az adatlapon szereplő névleges kapacitásra és feszültségre, valamint az ezekből számolt névleges energiára.
A li-ion akkumulátorok viselkedése nem-lineáris. Ez azt jelenti, hogy a különböző töltöttségi szintek nem egyenesen arányosak a cellán mérhető feszültséggel:
Töltés, kisütés, élettartam
Jól látható, hogy 80% feletti és 20% alatti töltöttségi állapotnál teljesen más karakterisztikák jellemzik az akkumulátorokat.. Ezeket az eltéréseket is be kell vinni a modellbe, ha pontos eredményt akarunk elérni.
Ezeket a karakterisztikákat és az ezeket leíró értékek függőségeit figyelembe vevő, laboratóriumi mérésekkel validált akkumulátormodell segítségével végezhető pontos szimuláció.
A szimulációs modell meg tudja határozni, hogy az adott projektben mekkora teljesítményű napelemes rendszerre és akkumulátor-pakkra van szükség.
A lítium-alapú akkumulátorok várható élettartama már jól becsülhető: egy megfelelően méretezett, vezérelt akkumulátor élettartama bőven meghaladja a tíz évet is, de optimális működési körülmények között akár a húsz év is elérhető.
Az élettartamot a gyártók az adatlapokon nem időben, hanem maximális ciklusszámban határozzák meg. A méréseikből kiderül, hogy adott igénybevétel-esemény mennyi ciklus után csökkenti a kapacitást a névleges érték 70 százalékára, ami általában az élettartam végét jelöli.
A különböző cellagyártók általában a ciklusszámok és az igénybevételi tartományok (maximum kisütési és töltési áram, minimális és maximális töltöttségi tartományok, üzemeltetési hőmérséklet) alapján határozzák meg a garanciális feltételeket.
Az akkumulátor használata során bejárt, teljes ciklusokkal arányosan nő a belső ellenállás és csökken a kapacitás. A belső ellenállás növekedése miatt megnőnek a veszteségek, a kapacitás csökkenésével pedig az egy ciklus alatt tölthető és kisüthető energiamennyiség csökken.
Ha az akkumulátor az élettartama során alacsonyabb C értékkel (a névleges kapacitás és a töltési/kisütési teljesítmény aránya: például 0,5 C kisütés 100 kWh kapacitású tároló esetén 50 kW teljesítményt jelent) van terhelve, akkor az elérhető, látszólagos kapacitása magasabb lesz, ezáltal adott ciklusszám alatt a szállítható energia mennyisége nagyobb.
Szimulációk során az adott igénybevétel esetén várható élettartam ekvivalens ciklusszámláláson alapul. Erre azért van szükség, mert a valóságban sosem az történik, hogy egy akkumulátor teljesen lemerül, majd teljesen feltöltődik, hanem folyamatosan részterhelések érik. Ezzel a ciklusszám-számítással össze lehet adni a részterheléseket, és meg lehet határozni, hogy hány ekvivalens ciklusnak felelnek meg az adott idő alatt bejárt rész-ciklusok.
Kritikus pont
Az élettartamot befolyásoló legfontosabb tényezők között van az igénybevétel nagysága (mekkora teljesítménnyel, azaz hány C-vel történik a töltés, kisütés): minél nagyobb teljesítménnyel történik az akkumulátor töltése és kisütése, annál kisebb az elérhető kapacitás.
Általánosságban a nagyobb C értékű igénybevétel esetén alacsonyabb a látszólagos kapacitás, amely az élettartamot meghatározó ciklusszámot is befolyásolja. Érdemes az alacsonyabb C értékű igénybevételre törekedni, mert a folyamatos 1C és 0,5C igénybevétel között is hosszú távon jelentős különbség lehet. A gyártói adatlapok is tartalmazzák az igénybevételek nagyságának hatását a ciklusszámra vetítve.
Szintén jelentősen befolyásolja az élettartamot az akkumulátorok igénybevétele. Nem mindegy ugyanis, hogy általánosságban 0-100 százalék, 10-90 százalék, vagy 30-70 százalék közötti SoC (töltöttségi állapot) tartományokban vannak üzemeltetve. A szűkebb töltöttségi tartományokban történő használat jellemzően az élettartam növekedésével jár, így viszont csak korlátozott kapacitás használható fel.
A fentiekből már látszik, hogy a való életben minden egyes telepítési helyszínen egyedi igénybevétel éri az akkumulátorokat, emiatt az élettartam-számításokat minden projektre külön el kell végezni.
A nagy számú, különböző alkalmazási terület miatt nincsenek univerzálisan használható ökölszámok. A várható igénybevétel jellegének minél pontosabb feltérképezése elengedhetetlen egy méretezési feladatnál, ugyanis ez nagyban meghatározza meg az éves ciklusszámot.
Ezt az elemzést a 15-perces fogyasztási idősorok alapján előkészített szimulációval el lehet végezni, és így meghatározni az optimális rendszerméretet.