4. Sisteme de stocare i reglare a energiei electrice4.1. Introducere

n prezent nevoia de energie este n continu cretere, fapt ce ridic probleme deosebite n mrirea puterii instalate att la consumatorii casnici ct i la cei industriali. Prevederile cuprinse n tratatele internaionale limiteaz nivelul de poluare prin reducerea noxelor (n special a celor de dioxid de carbon) n vederea stoprii nclzirii globale i a refacerii pe ct posibil a pturii de ozon afectate. Respectnd aceste prevederi internaionale, unele ri semnatare au nceput s gseasc noi soluii tehnice i de management energetic n vederea modernizrii capacitilor energetice existente i a infrastructurii de transmisie i distribuire a acesteia. De asemenea, cercettorii caut noi soluii de dezvoltare n domeniul noilor surse de energie dintre care cele mai promitoare sunt energiile regenerabile (n prezent i n perspectiv) i fuziunea nuclear (n perspectiv).

n acest sens i n concordan cu Foaia de parcurs pentru energia regenerabil emis de UE la 10 ianuarie 2007 prin Memorandumul MEMO/07/13, Romnia a conceput un program de dezvoltare energetic bazat pe energiile regenerabile astfel nct acest sector s ating o pondere de 20% n cadrul sectorului energetic naional pn n anul 2020. Fundamentarea tiinific a soluiilor pentru implementarea surselor regenerabile de energie, integrate n reele inteligente asigur cerinele de fiabilitate a sistemelor de producere, ct i performanele de calitate a energiei electrice furnizate. Tehnologiile energetice bazate pe resurse regenerabile genereaz relativ puine deeuri sau poluani care s contribuie la ploile acide, smoguri urbane, sau care s determine probleme de sntate i nu impun costuri suplimentare pentru depoluarea mediului sau pentru depozitarea deeurilor. Posesorii de sisteme energetice bazate pe resurse regenerabile nu trebuie s fie ingrijorai de schimbrile globale ale climatului generate de excesul de CO2 i de alte gaze poluante. Sistemele energetice solare, eoliene i geotermale nu genereaz CO2 n atmosfer, iar biomasa absoarbe CO2 cnd se regenereaz. n prezent exist deja mai multe tehnologii energetice regenerabile, alternative la arderea combustibililor fosili, de producere a energiei, i anume energia hidraulic, eolian, nuclear, geotermic, tehnologia de conversie a energiei solare, biomasa, etc. [4.1], [4.16], [4.17], [4.19].

De altfel, n general, atragerea n circuitul economic competitiv a surselor alternative de energie este n funcie de costul i fiabilitatea tehnologiilor de stocare. Deoarece n reelele alimentate cu surse regenerabile de energie intervin frecvent fluctuaii orare, zilnice i lunare ale consumului de putere, trebuie prevzute capaciti tampon de stocare i implicit de compensare a acestora. Stocarea eficient a energiei devine astfel unul dintre cele mai spectaculoase i sensibile domenii de activitate i iniiativ ce poate asigura o flexibilitate pe pieele globale de energie. Dezvoltarea procedeelor, echipamentelor i tehnologiilor de conversie i stocare devine o condiie exclusiv pentru utilizarea competitiv a tuturor surselor regenerabile de energie (micro-hidro, solar, eolian, maree etc.), trebuind s asigure condiii deosebite de:

1. Eficien: echipamentele i tehnologiile de stocare sunt utilizate pentru mbuntirea condiiilor de producere i transmitere a energiei electrice contribuind la crearea unei piee energetice ct mai flexibile.

2. Fiabilitate: echipamentele i tehnologiile de stocare pot mbunti serviciile ctre consumatori n condiiile existenei unor fluctuaii, asigurnd stabilitatea n funcionare a sistemelor energetice i calitatea energiei electrice livrate.3. Securitate: echipamentele i tehnologiile de stocare pot asigura pe termen scurt i mediu atenuarea fenomenelor cauzate de eventualele cderi ale reelei (n special n zonele de capt ale acesteia) contribuind la funcionarea optim a consumatorilor i reducerea costurilor n cazul unor eventuale reparaii.Tehnologiile i echipamentele de stocare a energiei pot fi mprite n:

tehnologii i echipamente pentru stocare de scurt durat i cu capaciti mici (sub 0,5 kWh);

tehnologii i echipamente pentru stocare medie (12-60 ore) i cu capaciti pn la cteva sute de MWh;

tehnologii i echipamente pentru stocare de lung durat (10-300 zile) i cu capaciti mai mari dect 1000 MWh.

Soluiile tehnico-tiinifice elaborate pn n prezent de cercettorii romni, att pentru stocarea energiei pe durat medie ct i pentru stocarea de lung durat, sunt centrate n special pe utilizarea unor tipuri noi de echipamente electrochimice i a unor noi materiale i componente pentru reactoarele de sintez electrochimic i pentru pilele generatoare de curent continuu. Stocarea energiei, n general, joac un rol flexibil i multifuncional n reelele de energie electric asigurnd un management energetic mai performant al resurselor energetice i de transport disponibile.4.2. Baterii de acumulatoare

Elementele de stocare ale energiei electrice, n sistemele regenerabile de energie, au un rol foarte important, n special la funcionarea autonom a acestora. Problema de baz a unui sistem distribuit de energie, este aceea c, cererea de putere (consumul) difer de cea disponibil la generatoare. n acest caz apare un regim de dezechilibru, care, dac nu este eliminat rapid, produce efecte negative ce pun n pericol consumatorii sau chiar generatoarele.

Diferena dintre puterea disponibil i puterea cerut este tratat n diferite moduri. Unii proiectani utilizeaz metoda disiprii puterii n exces pe nite rezistene (energie ce poate fi utilizat la nclzire sau se pierde), ali proiectani utiliznd metoda mediilor de stocare, cel mai des acestea fiind baterii electrice, pile de combustie, sau dispozitive mecanice de stocare a energiei cinetice (roi volante). n perioadele de deficit energetic, dispozitivele de stocare pot injecta putere n sistem, iar printr-o proiectare adecvat a capacitii acestora se poate realiza un satisfacerea n orice moment a cerinelor consumatorilor.

4.2.1. Chestiuni generale despre bateriile electriceBateriile electrice reprezint componenta de baz n sistemele de stocare a energiei electrice, motiv pentru care cercetrile n acest domeniu au prezentat i prezint un deosebit interes. Prin condiiile de proiectare, se impune ca bateria s poat prelua vrfurile de putere, n timp ce starea ei de ncrcare este astfel monitorizat nct, sub un anumit prag, o surs auxiliar de energie s poat fi automat activat n scopul refacerii energiei consumate.

Randamentul de utilizare al bateriei este substanial mbuntit prin posibilitile de ncrcare regenerative ale acesteia.

Parametrii eseniali ai bateriei sunt: capacitatea de ncrcare/descrcare, puterea sau curentul de descrcare, puterea specific, densitatea de putere i durata de funcionare (parametru critic la regimul de descrcare). Energia specific (densitatea energiei stocate) este, de asemenea, o caracteristic important pentru reducerea dimensiunilor de gabarit ale bateriei.

Principalele cerine privind funcionarea optim a bateriilor sunt urmtoarele:

putere mare,

capacitate ridicat la vrfurile de sarcin,

capacitate de ncrcare rapid,

durat mare de via,

numr mare de cicluri ncrcare - descrcare,

realizarea din materiale reciclabile.

Elementele galvanice primare (pilele) i/sau elementele galvanice secundare (acumulatoarele electrice) sunt surse electrochimice n care energia proceselor chimice este transformat n energie electric. Aceste surse sunt realizate din materiale foarte diverse avnd diferite forme i dimensiuni, fiind constituite din trei elemente de baz: doi electrozi (conductori metalici) de natur chimic diferit sau cu stri fizico-chimice diferite numii anod i catod aflai n contact direct cu un electrolit. De fapt, electrolitul este o soluie de tip conductor ionic, care permite transferul de energie ntre electrozi. Reaciile chimice dintre electrozi i electrolit determin apariia potenialelor de electrod. Acestea sunt poteniale electrice ce difer ntre ele datorit naturii sau strii diferite a electrozilor [4.1]. Bateria electric de pile sau de acumulatoare este alctuit din mai multe elemente galvanice (celule) primare sau secundare legate electric ntre ele. n continuare se va folosi doar termenul de baterie pentru a desemna sursele electrochimice. Rolul bateriei este acela de a stoca sub form chimic energia pe care o elibereaz ulterior, ntr-un mod controlat, sub form de energie electric. Cnd este conectat la un consumator, ea furnizeaz curent electric ctre sarcin, electronii parcurgnd traseul anod-sarcin-catod ce se nchide prin electrolit napoi la anod. Tensiunea electric a celulei, determinat de potenialele de electrod, scade n timpul utilizrii bateriei i depinde de tipul constructiv al acesteia, putnd atinge valori cuprinse ntre 1- 4V.

Dup felul de funcionare, bateriile se clasific n baterii primare (pile galvanice) i secundare (acumulatoare electrice). Bateria primar este caracterizat printr-o reacie chimic ireversibil i dup descrcare, ea nu mai poate fi rencrcat. n acest caz, substanele active sunt consumate i nu mai pot fi regenerate prin alimentarea de la o surs exterioar de curent (curent cu sens invers fa de cel dat de baterie). Exist i posibilitatea ca bateria s fie totui ncrcat ntr-un proces redus fa de starea iniial. Practic bateriile primare pot fi utilizate pn la descrcarea complet. Din aceast categorie de baterii putem meniona urmtoarele tipuri:

bateriile zinc-carbon, cu tensiunea nominal a unei celule de 1,5V;

bateriile alcaline de 1,5V;

bateriile cu litiu (de 1,5-3,6 V), scumpe i cu densitate mare de energie. Litiul este un element reactiv care poate genera explozii.

bateriile zinc-aer (de 1,4 V), cu rat mare de descrcare;

bateriile cu oxid de argint (de 1,55 V), folosite la puteri mici, n ceasuri i calculatoare, unde se cer caracteristici de descrcare foarte stabile;

bateriile cu mercur, scoase din producie deoarece mercurul este foarte toxic.

Bateria secundar conine substane chimice care permit o reacie chimic invers atunci cnd bateria este alimentat de la o surs de curent ce furnizeaz un curent invers fa de cel de descrcare. n acest caz, bateria poate fi rencrcat i redus la parametrii apropiai de cei originali, deoarece materiile active pot fi readuse aproape de starea iniial. Procesele de descrcarea/ncrcare ale bateriei secundare se poate realiza de mai multe ori pn la sute sau chiar mii de cicluri (n funcie de tipul bateriei). Rencrcarea const n transformarea energiei electrice n energie chimic acumulat i pstrat n materiile active. Din aceast categorie de baterii putem meniona urmtoarele tipuri:

bateriile cu plumb ( de 2 V) sunt cele mai utilizate baterii rencrcabile;

bateriile nichel-cadmiu (de 1,2 V), caracterizate de un numr mare de cicluri ncrcare/ descrcare;

bateriile nichel-zinc (de 1,7 V);

bateriile nichel-metal hidrid (de 1,2 V), cu o densitate mare de energie i durat mare de viat;

bateriile litiu-ion ( de 4 V);

bateriile litiu-polimer.

Elementele de baz ale celulei electrochimice sunt prezentate n figura 4.1. se pot observa cei doi electrozi metalici (anodul i catodul) i electrolitul [ ]. Substanele care particip la reaciile electrochimice se numesc materii active i se regsesc att pe electrozi ct i n electrolit. Anodul este electrodul unde are loc oxidarea, electronii fiind deplasai dinspre celul ctre circuitul exterior. Catodul este electrodul unde are loc reducerea, electronii din circuitul exterior ntorcndu-se la celul. ntre cei doi electrozi exist un contact indirect n interiorul bateriei, prin intermediul electrolitului.

Din punct de vedere electrochimic, oxidarea reprezint cedarea (eliberarea) de electroni iar reducerea reprezint primirea (fixarea) electronilor. Dac procesul de oxidare-reducere se produce fr electrozi distanai, schimbul de electroni s-ar face n scurtcircuit i s-ar manifesta doar prin efect termic [ ].

a) b)

Fig. 4.1. Reprezentarea celulelor electrochimice fr i cu diafragm poroas.

n bateria primar, anodul este electrodul negativ iar catodul cel pozitiv, iar n bateria secundar, la ncrcare, electrodul negativ devine catod iar cel pozitiv devine anod. Din acest motiv se specific sensul curentului, iar electrozii sunt denumii doar ca pozitiv sau negativ. Prin transportul ionilor de la un electrod la altul, electrolitul are rolul de a asigura nchiderea circuitului electric n interiorul celulei. Materialul activ al electrozilor poate fi gazos, lichid sau solid, iar electrolitul poate fi lichid sau solid. n circuitul interior al sistemului electrochimic, cationii se deplaseaz spre catod purtnd sarcini pozitive i anionii, se deplaseaz spre anod purtnd sarcini negative. n circuitul exterior al bateriei, transportul sarcinilor se face prin intermediul conductorilor metalici, sensul convenional al curentului este invers sensului curentului de electroni. Performanele bateriei pot fi evaluate n funcie de viteza reaciilor chimice i de rezistena intern, deoarece depind strict de acestea. Principalele dependene n evaluarea parametrilor unei baterii, sunt urmtoarele:

tensiunea generat de o celul electrochimic ce depinde de elementele implicate n reacie;

energia ce depinde de cantitatea i natura elementelor chimice componente;

puterea furnizat ce depinde de construcia celulei, elementele chimice i temperatura.

n figura 4.2 sunt prezentate procesele de descrcare/ncrcare ale bateriei, dup cum urmeaz:

la descrcarea bateriei (figura 4.2.a), cnd la bornele exterioare ale acesteia este conectat o sarcin/consumator, n circuitul exterior apare o circulaie de electroni datorit diferenei de potenial dintre electrozi. Astfel, sarcina va fi parcurs de un curent electric continuu, n timp ce, n circuitul interior ionii pozitivi se deplaseaz ctre electrodul pozitiv (catod) iar ionii negativi ctre electrodul negativ (anod). Este evident c, n timpul procesului de descrcare, tensiunea electric la bornele bateriei scade.

la ncrcarea bateriei (figura 4.2.b), cnd la bornele exterioare ale acesteia este conectat n opoziie o surs de curent continuu, bateria va fi traversat de un curent n sens invers fa de descrcare avnd astfel loc inversarea sensului reaciilor la cei doi electrozi: catodul devine anod, iar anodul devine catod. n acest caz, tensiunea sursei are o valoare minim (numit tensiune de ncrcare), iar prin utilizarea energiei externe, materiile active se refac pn aproape de starea iniial. Astfel, tensiunea la bornele bateriei revine la valoarea iniial strii de ncrcare.

(a) (b)

Fig. 4.2. Procesele de descrcare (a) i ncrcare (b) ale celulei electrochimice.

Grupnd un anumit numr de celule (figura 4.3) se pot obine baterii cu diverse tensiuni electrice Ub la bornele exterioare, n funcie de sarcinile alimentate [ ].

Fig. 4.3. Gruparea celulelor ntr-o baterie.

4.2.2. Principalii parametri ai bateriilor de acumulatoare

Principalii parametri ai bateriilor de acumulatoare sunt tensiunea electric a celulei [V] i capacitatea bateriei [Ah].

Tensiunea electric a celulei reprezint fora electromotoare i se definete drept diferena dintre potenialele catodului () respectiv anodului () cu ajutorul relaiei: .

n tabelul 4.1 se prezint potenialele de electrod pentru diverse materiale [ ].

Tabelul 4.1. Potenialul de electrod pentru diverse materiale.

CationPotenial de electrodCationPotenial de electrod

Li +-3,04Cu +++0,34

K+-2,92Ag ++0,8

Ca ++-2,88 Hg +++0,86

Na ++-2,71Au ++1,42

Mg ++-2,4

Zn ++-0,76

Fe ++-0,43Anioni

Cd ++-0,4Cl2 gaz / 2C l -+1,36

Ni ++-0,22F2 gaz / 2F -+2,87

Dup cum se observ din tabelul de mai sus, litiul este agentul de reducere cel mai puternic deoarece are potenialul cel mai negativ, iar fluorul este agentul de oxidare cel mai puternic deoarece are potenialul cel mai pozitiv,.

n tabelul 4.2 sunt prezentate materialele folosite pentru electrozi i ordonate dup potenialul de electrod [ ].

Se poate observa c, metalele pure (litiu, beriliu, sodiu, aluminiu i magneziu) sunt cele mai bune pentru unul dintre electrozi, cu precizarea c litiul i magneziul sunt foarte reactive.

Tabelul 4.2. Materialele folosite pentru electrozi.Materiale la anodMateriale la catod

(Borne negative)(Borne pozitive)

Cele mai negativeCele mai pozitive

LitiuFerai

MagneziuOxid fier

AluminiuOxid cupru

ZincIoduri

CromOxid cupric

FierOxid mercuric

NichelOxid cobalt

PlumbDioxid de plumb

HidrogenOxid de argint

CupruOxigen

ArgintOxihidroxid de nichel

PaladiuDioxid de nichel

MercurPeroxid de argint

PlatinaPermanganat

AurBromat

Mai puin negativeMai puin pozitive

Relaia ce definete mrimea potenialului de electrod este dat de expresia matematic urmtoare [ ]:

(4.1)

unde:

: potentialul de electrod al metalului n soluia dat, [V]; : potenialul normal al metalului dat, [V]; F : numrul lui Faraday 96500, [C];

: concentraia ionilor metalului, [g-ion/l]; n: valena ionului considerat; - R: constanta universal a gazelor;

T : temperatura, [oK].Din relaia anterioar, rezult c potenialul de electrod al metalului depinde strict de concentraia ionilor i de natura materialului.4.2.2.1. Tensiunea electricTensiunea electric msurat la bornele celulei are dou componente:tensiunea de lucru (cnd bateria funcioneaz) i o tensiune de mers n gol (cnd bateria nu furnizeaz curent). Tensiunea Ubdesc la bornele bateriei, n regim de descrcare, difer de cea la mersul n gol datorit cderii de tensiune pe rezistena intern i a pierderilor de polarizare[4.1]:

, (4.2)unde:

U0: tensiunea la funcionarea n gol, [V]; ep: tensiunea contraelectromotoare datorat fenomenelor de polarizare, [V]; Ib : curentul electric furnizat de baterie, [A];

ri: rezistena intern a celulei, [];Tensiunea Ubnc msurat la bornele celulei, n regim de ncrcare este:

, (4.3)

Tensiunea electric depinde de starea de ncrcare a bateriei i de momentul msurrii ei. Atingerea punctului de echilibru, de ctre tensiune, la ncrcarea/descrcarea bateriei poate dura cteva ore. Tensiunea la bornele bateriei nu rmne constant n timp, depinde de starea de ncrcare a acesteia i scade datorit proceselor ce au loc n celule.

n figura 4.4 se prezint variaia tensiunii pentru diverse celule electrochimice n funcie de starea de descrcare a acestora [ ]. Se observ variaii reduse ale tensiunii pentru variaii mari ale strii de descrcare. Scderea de tensiune este mai rapid mai la valori reduse ale descrcrii. n vederea obinerii unor caracteristici de funcionare performante, n aplicaiile de traciune, bateriile se realizeaz grupnd mai multe celule ntr-un pachet prin legarea lor n serie i n paralel dup un anumit algoritm.

Fig. 4.4. Variaia tensiunii pentru diverse celule electrochimice.

O alt dependen a tensiunii electrice este cea fa de temperatur. Astfel, la temperaturi reduse, la care electrolitul poate nghea, se impune limitarea temperaturii minime pn la care bateria poate fi utilizat. La temperaturi ridicate, la care reaciile chimice devin mai rapide se produce deteriorarea materiilor active, bateria fiind n pericolul distrugerii. Pentru obinerea unor tensiuni de alimentare ridicate i implicit a unor cureni de sarcin de valori reduse, trebuie ales un sistem electrochimic constituit din materiale care dau reacii generatoare de curent cu efect termic maxim. n conformitate cu tabelele 4.1. i 4.2., alegerea tipului electrozilor se face avnd n vedere c metalele alcaline au potenialele negative n timp ce metalele nobile au potenialele pozitive. Potrivit celor enunate, rezult c realizarea unei baterii pune probleme mari datorit reaciilor energice cu apa (la electrodul negativ) i datorit unor preuri ridicate ale electrodului negativ (confecionat din materiale nobile).

4.2.2.2. Capacitatea bateriei

Capacitatea (C) este cantitatea de electricitate pe care o poate furniza bateria n curs de descrcare, reprezentnd sarcina ce poate fi preluat de la baterie n anumite condiii [4.1]. Capacitatea depinde de temperatur i de modul n care a fost folosit bateria n timp, fiind exprimat n [Ah] i dat de urmtoarea relaie:

, (4.4)

unde:

Ibdesc : curentul de descrcare, [A]; tdesc: timpul de descrcare, [h].Capacitatea bateriei la un curent constant depinde de valoarea curentului la care se face descrcarea (Ibdesc = I = ct. ), fiind calculat cu ajutorul relaiei:

. (4.5)

De asemenea, pe durata descrcrii, capacitatea bateriei depinde de cantitatea de mas activ care particip la reacii, fiind calculat teoretic cu relaia:

, (4.6)

unde:

I: curentul, [A]; tdesc: timpul de descrcare, [s]; M : masa molecular, [kg] ; : echivalentul electrochimic, [mg/C] sau [g/Ah].Capacitatea maxim a bateriei este preluat de la baterie n condiiile n care tensiunea la borne nu scade sub valoarea minim. Cantitatea de mas activ introdus n baterie influeneaz capacitatea acesteia i este mult mai mare dect cea teoretic, deoarece nu toat masa activ particip la reaciile electrochimice. n acest sens, se definete coeficientul de utilizare a masei active drept raportul dintre greutatea teoretic a masei active i greutatea real a acesteia, fiind indicat n procente. Pentru a se estima eficiena bateriilor n funcie de mas sau de volumul lor se folosesc capacitile specifice:

capacitatea specific de mas [Ah/kg],

capacitatea specific de volum [Ah/dm3].

Graficul din figura 4.5 prezint faptul c vrsta bateriei infuleneaz capacitatea celulei, atunci cnd aceasta se afl la temperatura camerei. Capacitatea bateriei scade odat cu mbtrnirea acesteia [4.26].

Fig. 4.5. Variaia capacitii unei celule n funcie de durata de via a bateriei.

4.2.2.3. Rata de descrcare

Capacitatea se poate, de asemenea, exprima n funcie de rata de descrcare. Astfel, pentru o rat de descrcare nominal de 1C, o baterie de 100Ah va furniza timp de o or un curent de 100A. Aceeai baterie, pentru o rat de descrcare de 0,5 C furnizeaz 50A timp de dou ore, iar la rata de descrcare de 2C va furniza 200A timp de 30 minute. Unele baterii, care au o rezisten intern redus i o structur intern bun conductoare de curent, pot furniza curent pn la 20A. Majoritatea bateriilor pot furniza un vrf de curent de 5A [ ].

4.2.2.4. Rezistena intern

Rezistena intern caracterizeaz proprietatea bateriei de a se opune trecerii curentului electric continuu. Rezistena intern ri se compune din rezistena ohmic r a electrolitului i electrozilor i din rezistena de polarizare, rp=ep/Ib, ce depinde de tensiunea i de curentul de polarizare avnd valori diferite la ncrcare i descrcare (deoarece ep este diferit). Orientativ valoarea rezistenei interne a unei celule este de ordinul miliohmilor. n mod evident, o rezisten intern mic va permite generarea de cureni mari i pierderile interne vor fi reduse (deci tensiunea la borne va fi mai mare). Rezistena intern depinde invers-proporional de temperatur datorit creterii mobilitii electronilor i tinde s creasc semnificativ ctre finalul ciclului de descrcare. Faptul c materialele active trec n starea de descrcare, determin scderea rapid a tensiunii furnizate. De asemenea, creterea rezistenei interne determin creterea pierderilor interne prin efect Joule-Lenz i implicit creterea important a temperaturii bateriei. Rezistena bateriei crete i cu vrsta acesteia.

4.2.2.5. Puterea i energia specificen aplicaiile privind propulsia auto, baterie electric, prin masa ei, constituie un factor ce influeneaz mult consumul de energie i implicit raza de aciune a vehiculului. n acest sens, se impune ca bateria s furnizeze o energie ct mai mare la o mas i gabarit ct mai mici. Exprimarea acestor dependene se realizeaz cu ajutorul unor mrimi numite energie specific (exprimat n Wh/kg sau Wh/l), respectiv putere specific (exprimat n W/kg sau W/l). Densitatea de energie depinde de calitatea materialelor active ale cror impuriti limiteaz energia furnizat i de forma bateriei. Deoarece combustibilii pe baz de hidrocarburi conin toate elementele necesare reaciilor de combustie, aerul fiind luat direct din atmosfer, bateriile, care includ toi reactanii solizi, lichizi sau gazoi utilizai de reaciile electrochimice, ofer o energie specific sub 1% din cea a benzinei. Densitatea relativ de energie, pentru cteva tipuri uzuale de baterii secundare, este prezentat n figura 4.6 [ ].

Fig. 4.6. Densitatea relativ de energie pentru tipuri de baterii secundare.

Dup cum se observ din figur, cele mai eficiente surse electrochimice sunt pe baz de litiu, iar cele mai puin eficiente pe baz de plumb.

4.2.2.6. AutodescrcareaAutodescrcarea este dat pierderea de energie datorat reaciilor interne ce au loc n perioada de neutilizare a bateriei, cnd circuitul exterior al acesteia este deschis.

Rata de autodescrcare depinde de tipul bateriei, de temperatur i de vechimea bateriei. Proporionalitatea autodescrcrii cu temperatura, se manifest prin creterea ratei reaciilor chimice nedorite la creterea temperaturii fapt ce cauzeaz apariia curentului de pierderi ntre electrozi. De exemplu, o baterie NiCd mai veche se poate descrca n circa dou sptmni, n timp ce o baterie cu Pb nou se poate descrca n mai puin de ase luni, dac este pstrat la temperatura de 25oC. Estimativ, cele mai multe baterii se descarc ntre limitele de 0,01-1% din capacitatea total n 24 ore [ ].

4.2.2.7. Durata de via (numrul de cicluri)

Durata de via este exprimat n numrul de ncrcri-descrcri complete, adic cicluri de funcionare pn la tensiunea final admis sau pn cnd capacitatea scade sub 80% din capacitatea iniial, pe care le poate suporta bateria.

Numrul de cicluri depinde de tipul bateriei, de gradul de descrcare al acesteia n timpul funcionrii, de temperatur, de modul i viteza de ncrcare. Numrul de cicluri variaz n general pn la sute de mii, putnd fi i mai mic (sub 50). Dac nu sunt respectate recomandrile de exploatare, practic numrul de cicluri se poate reduce cu 80%.

Durata de via depinde fundamental de strategia de control a modului de funcionare selectat pe durata unui anumit traseu parcurs.

4.2.2.8. Temperatura

Creterea temperaturii influeneaz n mod direct funcionarea bateriei, deoarece determin accelerarea i creterea ratei reaciilor.

Se estimeaz c pentru o cretere a temperaturii cu 10oC rata reaciilor crete de circa dou ori. Astfel, o descrcare timp de dou ore la 25oC poate fi echivalent cu acelai proces timp de o or la 35oC.

4.2.2.9. Gradul de ncrcare al bateriei Gradul de ncrcare al bateriei (n literatura anglo-saxon State of Charge - SOC) reprezint capacitatea disponibil a acesteia exprimat n procente [%] sau n [Ah] din capacitatea nominal.

Pe o scar de la 0 la 1, cazului bateriei descrcate corespunde valorii 0 iar cazul bateriei ncrcate valorii 1. SOC crete cnd bateria se ncarc i scade pe msur ce bateria se descarc alimentnd o sarcin.

Se estimeaz c SOC reprezint un indicator de stare al bateriei, nereferindu-se la capacitatea maxim la care a fost ncrcat ultima dat bateria, ci la capacitatea iniial a acesteia.

n tabelul 4.3 este reprezentat gradul de ncrcare al bateriei pentru o baterie de 12 V. Pentru o durat de via ct mai lung, bateriile ar trebui s oscileze ntre valorile prezentate n tabel cu culoarea verde. Valorile cu galben, dac apar ocazitional nu sunt duntoare bateriei, ns descrcrile continue la aceste nivele vor scurta cu mult durata de via a acesteia.

Este foarte important determinarea tensiunii, cea mai bun determinare fcndu-se prin msurarea greutii specifice. La multe baterii acest lucru este foarte dificil, n unele cazuri chiar imposibil. Dup cum se poate vedea din tabel, cderea de tensiune cea mai mare se relizeaz la gradul de ncrcare de 10% [4.25].

Tabelul 4.3. Variaia tensiunii bateriei n funcie de gradul de ncrcare.

Determinarea ct mai precis a SOC pentru baterie este foarte important i se realizeaz prin urmtoarele metode [ ]:

1. Metoda msurrii directe reprezint metoda cea mai simpl, fiind valabil dac bateria este descrcat la curent constant. Teoretic, SOC este determinat prin multiplicarea curentului debitat cu timpul de descrcare. n practic ns, n timpul deplasrii vehiculelor electrice/hibride, curentul de descrcare nu este constant, ceea ce presupune utilizarea unui dispozitiv de msurare care s poat integra variaia curentului n timp.

Chiar i n acest caz, metoda impune descrcarea bateriei pentru a ti ct energie a coninut. n practic trebuie s se cunoasc SOC far descrcarea celulelor. Practic, nu se poate msura direct energia din baterie prin monitorizarea energiei nmagazinate la ncrcare.

2. Metoda msurrii concentraiei electrolitului reprezint metoda uzual de determinare a SOC doar pentru bateriile de plumb i const n msurarea concentraiei electrolitului. Un indicator al gradului de ncrcare a bateriei este concentraia acidului sulfuric care scade pe msur ce bateria se descarc, adic pe msur ce acidul sulfuric se consum. Starea de ncrcare a bateriei este indicat de un senzor electronic ncorporat direct n celulele acesteia.

3. Metoda estimrii SOC pe baza tensiunii bateriei n acest caz, pentru estimarea SOC se folosete tensiunea electric regsit pe celul. Rezultatul poate varia semnificativ (cu temperatura, vrsta bateriei i rata de descrcare), fiind necesare corecii n funcie de aceti factori pentru a obine o acuratee rezonabil.

Pentru bateriile la care tensiunea pe celul variaz puin cu gradul de ncrcare dar scade rapid la finalul ciclului, aceast metod nu permite estimarea corect a SOC, dar permite avertizarea din timp asupra descrcrii complete a bateriei.

4. Alte metode de estimare SOC

Pentru estimarea gradului de ncrcare a bateriei se poate utiliza msurarea impedanei interne a acesteia. n acest caz, dificultatea const tocmai n estimarea impedanei interne, fapt ce necesit utilizarea unor metode complexe.

O alta metod const n integrarea ntr-un software a unui model matematic al bateriei care, pe baza unor algoritmi ce iau n calcul factori de corecie, s estimeze ct mai corect gradul actual de ncrcare. Metoda necesit folosirea unor senzori care s furnizeze date msurate n timp real, un microprocesor i o memorie pentru stocarea informaiilor [4.26].

4.2.2.10. Gradul de descrcareGradul de descrcare (Depth of Discharge - DOD) se definete pe fiecare ciclu drept procentul de energie descrcat/scos din baterie la fiecare descrcare. Acesta influeneaz n mod direct durata de via a bateriei, pentru majoritatea surselor electrochimice numrul de cicluri crescnd exponenial cu scderea DOD. Totui unele baterii (NiCd, NiMH) necesit periodic o descrcare complet, pentru a elimina efectul de memorie.

Relaia dintre durata de via i gradul de descrcare (DOD) este logaritmic, aa cum se arat n figura 4.7. Acest factor este foarte important att pentru productorii de baterii de acumulatoare ct i pentru utilizatorii lor [4.22].

Prin limitarea gradului de descrcare al bateriilor n aplicaii, proiectantul poate mbunti semnificativ durata de via, de asemenea i utilizatorul poate prelungi durata de via a bateriei, folosind celule cu o capacitate puin mai mare dect cea necesar.

Fig. 4.7. Variaia duratei de via a bateriilor n funcie de gradul lor de descrcare.

4.2.2.11. Efectul de memorieEfectul de memorie const n pierderea progresiv a capacitii de rencarcare datorit modificrii structurii cristaline a electrozilor bateriei prin trecerea de la o structur fin la una de dimensiuni mai mari [ ].

Acest lucru se ntmpl atunci cnd bateria este rencrcat fr s fi fost complet descrcat dup un anumit numr de cicluri de funcionare, caz n care doar o parte din materialul activ poate fi reciclat. Pentru a evita acest efect se recomand descrcarea complet periodic a bateriei (o dat la o lun pentru baterii NiCd i o dat la trei luni pentru baterii NiMH).

4.2.2.12. Durata de rencrcareDurata de rencrcare reprezint timpul n care bateria este rencarcat la parametri apropiai de cei iniiali. n funcie de tipul bateriei, rencarcarea se poate realiza n 1 pn la 8 ore (sau chiar 16) [ ]. Pentru ca bateriile s fie rencarcate la 80% din capacitate n mai puin de o or, se utilizeaz un sistem de ncrcare controlat automat denumit Battery Management System BMS . Acest sistem este capabil s monitorizeze tensiunea, curentul i temperatura. Rencrcarea poate fi realizat la curent constant, la tensiune constant, la putere constant, sau n combinaii ale acestora conform unor algoritmi. Una din problemele rencarcarii este dat de gradul diferit de ncrcare al celulelor, unele fiind suprancrcate iar altele subncarcate, ceea ce necesit egalizarea celulelor prin diverse metode.

4.2.2.13. Costul bateriilorn evaluarea bateriilor este utilizat costul specific obinut prin raportarea preului de cost la o energie nmagazinat de 1 kWh. Autonomia unui vehicul pe distane cuprinse ntre110-160 km la o singur ncrcare, poate fi asigurat cu ajutorul bateriilor cu hidruri metalice. n acest caz, se pot anticipa costuri specifice de 350 [/kWh], 300 [/kWh] i 225-250 [/kWh] pentru volume de producie anual de 15.000, 30.000 i 1.000.000 de baterii. Dac se estimeaz o valoare de producie de 2400 pentru o baterie de traciune de 6 kWh, cel puin 1200 se vor mai adauga datorit sistemului de monitorizare i control al bateriei, sistemului de protecie i control termic, respectiv al sistemului de ncrcare[ ] . Preul acestor accesorii este mai sczut n cazul vehiculelor electrice hibride de tip paralel, dar crete pentru vehiculele electrice hibride de tip serie i mai ales n cazul vehiculelor electrice pure. Bateria care va avea un impact important n viitor este reprezentat de tipul Li-polimer cu un cost de 200 [$/kWh] sau chiar mai puin n condiiile unor producii de mas i cu durate de funcionare de cel puin 10 ani [ ]. Deoarece acest tip de baterii se afl n stadiul de prototip, se estimeaz un timp de 5-6ani pentru punerea la punct a tehnologiei de fabricaie i rezolvarea unor probleme de marketing.

n tabelul 4.4 sunt comparate costurile raportate la 1kWh pentru diferite tipuri de baterii de acumulatoare. Costul bateriilor este influenat de numrul de cicluri ncrcare/descrcare, nefiind inclus i cantitatea de energie electric necesar ncrcrii acestora [4.23].

Tabelul 4.4. Parametrii diferitelor baterii de acumulatoare.

NiCdNiMHBaterii cu plumbLi-ion

Capacitatea (mAh) 600100020001200

Tensiunea bateriei (V) 7,57,5127,2

Energia / ciclu de funcionare (Wh) 4.57,5248,6

Durata de viata1500500250500

Cost $50$70$50$100

Cost / kWh$7,50$18,50$8.50$24,00

4.2.2.14. Randamentul bateriei

Acest parametru este de obicei menionat de firmele productoare de baterii n fiele tehnice de produs i este definit prin urmtoarea relaie:

, (4.7)

unde:

ECdesc: energia consumat prin descrcarea bateriei, [kWh]; Erenc: energia de rencrcare furnizat dintr-o surs auxiliar, [kWh].n continuare se vor prezenta cteva medii de stocare utilizate pe scara larg, n sistemele energetice, cu scopul stocrii energiei electrice sau mecanice, pe termen scurt sau lung. Pentru implementarea ntr-un sistem a unui element de stocare acesta trebuie interfaat prin intermediul unui dispozitiv de transformare a energiei (convertor electronic de putere), sau main electric, sau combinaii de mai multe dispozitive electromecanice.

4.2.3. Bateriile cu plumb

Bateria cu plumb este poate cel mai utilizat mediu electric de stocare, avnd avantajul preului mult mai redus dect al altor elemente similare. n urmtoarele rnduri se va face o scurt descriere a funcionrii bateriei cu plumb, i a regimurilor utilizate pentru ncrcare i descrcare.

Cnd bateria cu plumb este ncrcat, tensiunea la bornele sale crete. Cnd curentul de ncrcare crete de la zero spre o anumit valoare, rezistena intern a bateriei rezist curentului, i tensiunea crete imediat peste valoarea de funcionare n gol. Dup acest salt iniial, tensiunea continu s creasc, dar mai gradat, n timp ce bateria se ncarc. Spre sfritul ncrcrii, tensiunea crete brusc, i bateria ncepe s emit un gaz, care este rezultatul descompunerii apei n hidrogen i oxigen. Dac acest proces este lsat s continue pentru o perioad lung de timp, bateria este suprancrcat, rezultnd o accelerare a coroziunii plcilor bateriei, pierderi de electrolit, i deteriorri fizice ale plcilor. De aceea suprancrcarea trebuie limitat. Pentru a termina ncrcarea, bateria trebuie lsat s gazeze pentru o perioad scurt de timp, timp n care o parte din curentul de ncrcare continu s ncarce bateria iar o alt parte cauzeaz efectul de gazare. n bateriile umplute cu electrolit (contrar celor n care electrolitul este imobilizat ntr-un gel sau ntr-o sticl absorbant), procesul de gazare agit electrolitul, asigurnd astfel acelai nivel de aciditate n toat masa [4.27]. Cnd un acumulator cu plumb este descrcat, tensiunea sa scade. Descrcarea nu poate continua la nesfrit, deoarece s-ar putea s nu mai existe material care s reacioneze chimic i bateria se deterioreaz n acest caz. De aceea, descrcarea complet trebuie evitat. O baterie cu plumb se compune din celule electrochimice care conin polul pozitiv, polul negativ i electrolitul, toate dispuse ntr-un vas corespunztor (dintr-un material ce nu poate fi atacat de acidul sulfuric). Materia activ de la polul pozitiv este bioxidul de plumb (PbO2) iar materia activ de la polul negativ este plumbul spongios. La descrcare att bioxidul de plumb cat i plumbul spongios se transform n sulfat de plumb, iar la rencrcare, materiile active revin la starea iniial. n general electrozii au forme de grtar, sac sau tubulare. Electrolitul este o soluie de acid sulfuric H2SO4 de concentraie 20-30% cu densitatea cuprins ntre 1,08-1,30 g/cm3. Plcile pozitive sunt legate ntre ele, formnd electrodul pozitiv, iar plcile negative sunt i ele legate ntre ele, formnd electrodul negativ. Pentru ca rezistena intern s fie ct mai mic, plcile trebuie s fie ct mai apropiate, dar fr riscul de scurtcircuit. n acest sens, ntre plci se monteaz piese separatoare poroase din materiale izolante (lemn, cauciuc, plastic, ebonit etc.), care au rolul de a mpiedica atingerea acestora. n acest fel se obine un volum ct mai mic i o structur rigid ce prentmpin deformarea plcilor. Tensiunea dat de o celul este de aproximativ 2 V. Rezistena intern a unei baterii de acumulatoare cu plumb depinde foarte mult de temperatur, aceasta scznd odat cu creterea temperaturii, dup cum se poate observa n figura 4.8.

Fig. 4.8. Variaia rezistenei interne a bateriei n funcie de temperatur.

Dup cum se poate observa, bateria poate deveni foarte ineficient la temperaturi joase, eficiena acesteia crescnd cu creterea temperaturii, caz n care impedana intern a bateriei trebuie s fie sczut [4.26].

4.2.3.1. Tensiunea celulei

Tensiunea celulei se calculeaz prin diferena potenialelor celor doi electrozi fa de electrolit. n cazul bateriilor cu plumb, potenialul dominant este cel al electrodului pozitiv (Pb), potenial care crete cu densitatea electrolitului, tensiunea electromotoare crescnd astfel liniar cu densitatea.

Calculul tensiunii elctromotoare a celulei se realizeaz aproximativ i empiric cu ajutorul urmtoarei relaii:

, (4.8)

unde reprezint densitatea exprimat n [g/cm3].

Datorit faptului c reaciile electrochimice sunt mai puternice la temperaturi ridicate, este evident faptul c tensiunea electromotoare variaz cu temperatura,. Tensiunea Ub utilizat n circuitul exterior al celulei este dat de relaiile 4.2 la descrcare i 4.3 la ncrcare.4.2.3.2. Caracteristicile Ub = f(t) la ncrcare i descrcare

La descrcare, tensiunea la bornele bateriei, variaz n funcie de curent i timp. n figura 4.9 s-a reprezentat variaia n timp a tensiunii la borne pentru o celul care se descrc n 5 ore. Se poate observa c, n timp, tensiunea scade tot mai mult, iar dup valoarea de 1,85 V scade destul de repede ctre zero. Acest lucru se datoreaz sulfatrii, care reduce continuu porozitatea materiei active mpiedicnd difuziunea, iar densitatea electrolitului devine i ea tot mai mic [ ].

La descrcri lente cu cureni mici (curba de descrcare pentru 5 ore), difuziunea poate s aduc acidul necesar descrcrii, adnc i uniform n toat materia activ. n acest caz, cantitatea de acid este mare, densitatea electrolitului scade lent iar tensiunea scade i ea lent [4.1].

Fig. 4.9. Caracteristicile de descrcare pentru bateria cu plumb.

La descrcri rapide (curba de descrcare pentru 1 h), difuzia asigur acidul sulfuric necesar doar la suprafaa plcilor unde are loc o sulfatare intens, ceea ce provoac micorarea porozitii materiei active i implicit a difuziei, scznd concentraia electrolitului i deci tensiunea electromotoare. Din acest motiv, curba de variaie a tensiunii are o pant mult mai mare, iar tensiunea limit la care trebuie oprit descrcarea este atins mai repede.

La descrcri lente (de peste 8 ore), tensiunea pe element nu trebuie s coboare sub 1,8 V, iar la descrcri rapide de ordinul minutelor (cazul vehiculelor electrice hibride) tensiunea pe element poate fi acceptat pn la 1,33 V. Nu se recomand utilizarea unor cicluri de descrcare mari, deoarece fiecare ciclu duce la pierderea unei pri din capacitatea bateriei. De asemenea, nu se recomand nici descrcarea aproape total a bateriei, deoarece apar suprasolicitri ale acesteia. Descrcarea bateriei poate fi normal, controlat i parial.

Descrcarea normal este o descrcare complet la regimul nominal al bateriei, efectuat la curent nominal constant i care pote dura cteva ore. Aceast situaie nu se ntlnete n cazul vehiculelor, unde sarcinile pot varia mult ntr-un timp scurt.

Descrcarea controlat se realizeaz n condiii de laborator pentru determinri de capacitate i de randament. Descrcarea parial este un proces oprit la 0,75-0,8 din capacitatea nominal, urmat de o ncrcare parial, fiind regimul de lucru specific autovehiculelor. Ea prezint avantajul c nu determin solicitarea profund i repetat a materiei active. La ncrcare, tensiunea pe celul crete repede n primul interval, apoi n timpul fazei principale tensiunea crete lent. Dup depirea tensiunii de circa 2,2 V ncepe degajarea de gaze pe electrozi i tensiunea crete relativ repede pn la 2,6-2,8 V devenind staionar. La depirea tensiunii de 2,4 V are loc electroliza a apei. Aceasta apare deoarece tensiunea la borne se nsumeaz cu tensiunea electromotoare de polarizare, iar gazele degajate agit electrolitul n mod asemntor unei fierberi ce se manifesta nti la plcile negative i apoi la cele pozitive. Spre finalul ncrcrii, materia activ este desulfatat, curentul ne mai fiind utilizat de placi. Se realizeaz doar electroliza apei, tensiunea fiind stabilizat la circa 2,7-2,8 V. n figura 4.10 este prezentat ncrcarea lent (timp de 10 ore) i ncrcarea rapid (timp de 3 ore) [4.1].

Fig. 4.10. Caracteristicile de ncrcare pentru o baterie cu plumb.

Temperatura influeneaz semnificativ procesele de ncrcare i descrcare. Astfel, o temperatur mai mare duce la tensiuni mari i la durate mai mari de descrcare, sulfatarea fiind mai pronunat iar cantitatea de energie debitat fiind mai mare (figura 4.11). La ncrcare, o temperatur ridicat limiteaz ns tensiunea pe celul i durata ncrcrii este mai mare (figura 4.12), [4.1].

Fig. 4.11. Variaia tensiunii la descrcare. Fig. 4.12. Variaia tensiunii la ncrcare.

4.2.3.3. Capacitatea bateriilor cu plumb

Capacitatea este influenat de toi factorii care intervin n funcionarea bateriei, dup cum urmeaz:

a) cantitatea de materie activ,

b) porozitatea i grosimea plcilor (materiei active),

c) concentraia i temperatura electrolitului,

d) difuzia,

e) intensitatea curentului,

f) tensiunea la borne.

n cele ce urmeaz vor fi analizai principalii factori ce influeneaz esenial capacitatea de funcionare a bateriei.

Cantitatea de materie activTeoretic, pentru 1 Ah sunt necesare 3,866 g de plumb [4.1]. Tot pentru 1 Ah sunt necesare 4,463 g de mas activ pozitiv (bioxid de plumb). n realitate, cantitile necesare sunt de dou ori mai mari deoarece practic bateria trebuie s asigure capacitatea nominal i la 50% grad de uzur. Rezult deci c sunt necesare 24,987 g de plumb n plci pentru 1 Ah. Tot pentru 1 Ah sunt necesare circa 15-20 cm3 de electrolit pentru fiecare celul, din care cel puin 1/3 se afl mbibat n plci i separatoare.

Grosimea i porozitatea plcilor

Pentru plcile subiri, suprafaa de contact a materiei active cu electrolitul este mai mare dect pentru plcile groase. n plus, plcile subiri dau o rezisten intern mai mic i permit cureni mai mari. Cu ct plcile sunt mai poroase cu att suprafaa de contact a electrolitului crete, crescnd de asemenea i masa de materie activ care intr n reacie.

Concentraia i temperatura electrolituluiCu ct densitatea electrolitului este mai mic, cu att capacitatea bateriei este mai redus. Cu ct temperatura electrolitului este mai mare, rezistena intern scade, difuzia este mai bun, electrolitul ptrunde mai bine n plac i capacitatea bateriei crete. Randamentul bateriilor cu plumb este dat de raportul dintre energia restituit i energia primit sau de raportul Ah descrcare/Ah ncrcare. Valorile uzuale de randament pentru bateriile cu plumb sunt de 0,65-0,75, dar pot ajunge i la 0,84. Valoarea invers a randamentului se numete factor de ncrcare i reprezint pierderile din baterie.

4.2.3.4. Durata de via a bateriilor cu plumb

Durata de via poate fi exprimat n cicluri de ncrcare/descrcare dar i n ani de serviciu, caz n care se are n vedere i timpul de pstrare a bateriei. n funcie de tipul i modul de utilizare a bateriei, numrul de cicluri de funcionare poate varia de la 200 pn la circa 700.

Numrul de ncrcri-descrcri este de circa 200-300 (cnd descrcarea este de pn la 80%) sau de circa 400-500 (cnd descrcarea este de pn la 50%), numrul fiind mai mic la temperaturi de lucru mai mari. Temperatura medie optim de lucru este de 25oC, o cretere a temperaturii cu 8oC reducnd viaa bateriei la jumtate. n figura 4.13 este prezentat variaia capacitii unei baterii cu Plumb n funcie de durata de via la diferite temperaturi de funcionare. De notat este faptul c bateria cu plumb care functioneaz la temperatura de 35oC, debiteaz mai mult energie dect capacitatea ei evaluat, ns durata ei de via este relativ scurt. O durat de via extins este posibil dac bateria este meninut la o temperatur de funcionare de 15oC, [4.26].

Fig. 4.13. Variaia capacitii unei baterii cu plumb n funcie de durata de via, pentru diferite valori ale temperaturii.

4.2.3.5. Autodescarcarea bateriilor cu plumb

Gradul de autodescrcare al bateriilor cu plumb este redus fa de al altor baterii cu circa 40% pe an. n acest sens, bateria trebuie stocat ntotdeauna n stare ncrcat, n caz contrar aprnd fenomenul de sulfatare, ceea ce face dificil sau chiar imposibil rencrcarea i deci utilizarea sa [ ]. Autodescrcarea se datoreaz n principal urmtorilor factori: prezena impuritilor metalice i reaciei secundare dintre electrolit i plumbul spongios al plcii negative (reacie proporional cu temperatura i densitatea electrolitului). n cazul perioadelor mai lungi de repaus, i dac bateria nu este ncrcat, apare procesul de sulfatare. Astfel, sulfatul de plumb format la descrcare sufer un proces de recristalizare i trece n stare de cristale mari, inactive, care obtureaz porii i mpiedic reactivarea straturilor mai adnci ale plcii, sulfatul ne mai putnd fi readus n bioxid de plumb i plumb spongios.

4.2.3.6. Avantajele i dezavantajele bateriilor cu plumb

Avantajele i dezavantajele bateriilor cu plumb vor fi enumerate n cele ce urmeaz.

Avantajele bateriilor cu plumb

Avantajele sunt urmtoarele: pot fi realizate la puteri mari, sunt ieftine, simplu de realizat, sigure i fiabile. De asemenea, tehnologia producerii lor este bine stpnit, iar utilizarea lor corect asigur un serviciu durabil i eficient. Au o mare capacitate de descrcare.

Dezavantajele bateriilor cu plumb

Dezavantajele sunt urmtoarele: au energia specific redus (circa 40 W/kg), eficien redus la temperaturi mici, o durat mare de rencrcare (de pn la 6-8 ore) i numrul de cicluri de funcionare relativ redus. Toate acestea reprezint impedimente n utilizarea lor pe vehiculele electrice i hibride. De asemenea, aceste baterii nu pot fi stocate n starea de descrcare. n acest caz se recomand ca tensiunea pe celul s nu scad sub 2 V. Caracteristicile de ncrcare i descrcare depind semnificativ de variaiile de temperatur, iar bateria nu pote susine un curent mare sau o tensiune de ncrcare pentru o durat mare de timp, nclzindu-se repede i rcindu-se lent [ ]. Masa bateriilor cu plumb folosite pentru vehiculele electrice sau hibride este mare i pote ajunge pn la 24% din masa vehiculului. Din punct de vedere al proteciei mediului, bateriile cu plumb sunt poluante att datorit plumbului ct i a electrolitului. Producerea lor implic existena unui mediu toxic cu efecte negative pentru personal i pentru mediu. Transportul lor trebuie realizat cu grij pentru a se evita scurgerile de acid.

4.2.4. Bateriile nichel-cadmiu

Bateriile nichel-cadmiu sunt elemente secundare alcaline la care componentele de baz sunt electrodul pozitiv din hidroxid de nichel Ni(OH)2, electrodul negativ din cadmiu (Cd) i electrolitul din hidroxid de potasiu KOH (cu densitate de 1,21 g/cm3). Electrolitul acioneaz ca un conductor ionic i intervine puin n reacii. Procesele electrochimice reversibile din timpul ncrcrii i descrcrii sunt date de reacia total [4.1]. Potenialul electrodului pozitiv este de circa 0,45-0,5 V, iar al celui negativ este de circa 1,2-1,3 V. Din punct de vedere constructiv (figura 4.14), bateria NiCd este compus din electrodul pozitiv izolat de electrodul negativ printr-un separator, elementele fiind dispuse n straturi i rulate sub form de spiral. Aceste elemente, mpreun cu electrolitul, sunt asamblate ntr-o carcas metalic [4.14]. Bateria dispune de o supap de siguran care asigur evacuarea gazelor ce pot fi eliberate n timpul funcionrii. Se impune o descrcare complet i periodic pentru a evita apariia efectului de memorie. Aceste baterii se comport bine la ncrcri rapide.

Fig. 4.14. Structura unei baterii NiCd.

Bateriile NiCd prezint o serie de avantaje, respectiv dezavantaje, enumerate dup cum urmeaz: Avantaje au durat mare de via (ntre 500-1000 cicluri);

pot fi rencrcate la temperaturi reduse;

sunt simplu de stocat i transportat;

lucreaz bine i la temperaturi reduse;

pot lucra la o rat de descrcare mare (pn la 10 C);

ncrcarea se face rapid, n cel mult dou ore sau chiar n 15 minute;

sunt reciclabile.

Dezavantaje au densitate de energie redus (45-80 W/kg, cu valoare medie de 55 W/kg);

au grad de autodescrcare ridicat (circa 10% la 24-48 ore, 20-25% pe lun i se descarc aproape complet n 6 luni);

cadmiul este toxic, prezentnd efectul de memorie;

sunt de 2-4 ori mai scumpe dect bateriile cu plumb, dar au durata de via mai mare.

Bateriile NiCd au rezistena intern redus, ceea ce le face utile pentru echipamentele n care sunt solicitate valori mari de curent (pn la 20 A/celul. Exist unele opinii legate de efectul de memorie, care prezint tendina bateriei de a nu genera tensiunea nominal dac este conectat la sarcin nainte de descrcarea total (pn la 1 V/celul). Acest efect const n apariia unor granule datorate cadmiului nefolosit, ceea ce reduce suprafaa activ a cadmiului. Astfel, electrodul de cadmiu va avea dou suprafee cu rugozitate diferit. La sarcini mari, suprafaa mai fin se va consuma rapid, ceea ce duce la scderea tensiunii, dei bateria nu este descrcat. Cataloagele firmelor nu menioneaz acest efect, iar unii utilizatori consider c descrcarea reduce durata de via a bateriei. Din acest motiv se recomand ca periodic bateria s fie descrcat total. Densitatea de stocare a energiei este de 45-80 Wh/kg, iar densitatea de putere este de 150-160 W/kg. Randamentul referitor la Ah al bateriilor NiCd este 75-80% iar randamentul referitor la Wh este de 60-65%. Din punct de vedere al polurii, bateriile NiCd sunt poluante, dar n acelai timp reciclabile [ ]. Caracteristicile de ncrcare depind de curent, temperatur i timp. Astfel, un curent de ncrcare ridicat i o temperatura redus determin creterea tensiunii bateriei. n figura 4.15 sunt prezentate caracteristicile de autodescrcare n funcie de temperatur pentru bateriile NiCd.

Fig. 4.15. Caracteristicile de autodescrcare pentru bateriile NiCd.

4.2.5. Bateriile nichel metal hidrid (NiMH)Cercetrile privind acest nou tip de baterii au nceput n anii '70 dup progresele remarcabile privind modalitile de stocare a hidrogenului. n perioada respectiv s-a observat c aliajele metalice NiFe i MgNi au capacitatea de a captura i elibera un volum de hidrogen de pn la 1000 de ori mai mare dect volumul lor. Prin alegerea corespunztoare a materialelor constituente, procesele electrochimice pot fi controlate la temperaturile mediului ambiant.

Ca structur, sunt n general similare bateriilor NiCd, cu diferena c n loc de cadmiu se folosete ca element activ hidrogenul. Anodul este realizat dintr-un metal hidrid, care are capacitatea de a stoca hidrogen. Tensiunea unei celule este de 1,2 V. Din punct de vedere constructiv, structura unei celule de baterie NiMH este clasic, fiind compus din doi electrozi i un electrolit (figura 4.16) [ ].

Fig. 4.16. Structura bateriei NiMH.

Dup cum se poate observa, electrodul pozitiv este hidroxidul de nichel Ni(OH)2, el fiind insolubil n electrolit i putnd fi realizat cu suprafee mari, ceea ce determin capaciti ridicate i densiti mari de curent ale bateriei.

Electrodul negativ este realizat dintr-un metal hidrid, care n structura sa, stocheaz hidrogen. Metalul hidrid poate conine teoretic ntre 1 % i 7 % hidrogen din masa sa, spre deosebire de materialele actuale utilizate ce conin 1 2 % hidrogen. Substratul metalic poros utilizat este de tip grtar, reea, folie, sau plac i se realizeaz din nichel, cupru, cupru placat cu nichel, sau aliaj de cupru-nichel.

Utilizarea cuprului n aliaj, cu excelente caliti de conductibilitate electric, reduce considerabil rezistena intern a electrodului i micoreaz pierderile de putere prin disipare termic, crescnd astfel puterea disponibil a bateriei.

n plus, cuprul este un metal maleabil, caracteristic important dac se ia n consideraie faptul c, ntr-un ciclu de ncrcare - descrcare electrodul se dilat, respectiv contract (dar nu termic). Electrodul negativ rezult prin presarea materialului activ, aflat sub form de pulbere, n masa stratului metalic poros dup ce se sinterizeaz. Materialul activ este de regul un aliaj din titan-vanadiu-nichel la care se adaug paladiul (Pd) cu rolul de a crete semnificativ capacitatea de descrcare la rate mari.

Astfel, rata de descrcare de 1C, se mbuntete cu 20% comparativ cu cea a aceluiai metal activ fr adaus de paladiu [ ]. mbuntirea semnificativ pe care un procent infim de paladiu o aduce capacitii de descrcare a bateriei NiMH reiese mai bine n eviden din figura 4.17, n care sunt reprezentate caracteristicile de descrcare (curentul de descrcare raportat la capacitatea bateriei) pentru patru tipuri sugestive de aliaje. Astfel, se poate observa comportamentul a doua aliaje, Z212, respectiv Z151 ce difer doar prin adausul de 1% Pd la primul aliaj i care face ca, la o descrcare de 1C, capacitatea acesteia s scad cu doar 10% (curba a) n timp ce lipsa paladiului produce o scdere cu 7% a capacitatii celuilalt aliaj (curba b) pentru acelai curent de descrcare.

Fig. 4.17. Influena paladiului asupra reelei de descrcare a unor aliaje utilizate la fabricaia electrozilor negativi pentru bateriile NiMH.

Electrolitul este o soluie apoas de hidroxid de potasiu KOH, are o conductivitate electric ridicat i nu intr n reacie cu vreun material. Concentraia electrolitului rmne constant pe toat durata ncrcrii sau descrcrii, ceea ce duce la puteri mari i o lung durat de via. n plus, masa electrolitului rmne constant, i nu este necesar refacerea ei in timp.

Procesele electrochimice din bateriile NiMH sunt reversibile i decurg astfel:

la ncrcare, energia chimic este stocat ntr-o legtur oxigen-hidrogen din electrodul de hidroxid de nichel Ni(OH)2, iar energia electric este folosit pentru a rupe legtura oxigen-hidrogen din hidroxid (vezi figura 4.18).

La electrodul pozitiv, cu ajutorul unui ion OH- din electrolit, se formeaz oxihidroxidul de nichel NiOOH i o molecul de ap eliberndu-se un electron [4.1]. La electrodul negativ molecula de ap este rupt ntr-un ion OH- i hidrogen, acesta din urm fiind intercalat n reeaua metalului, formnd astfel metalul hidrid. Deoarece transportul electronilor este foarte rapid iar cel al ionilor mai lent, este necesar o rezerv de ioni OH-, aceasta fiind furnizat de ctre electrolitul constituit din hidroxid de potasiu KOH. Astfel, la ncrcare, hidrogenul se deplaseaz de la electrodul pozitiv la cel negativ. Reacia chimic are un potenial electric de circa 0,5 V i este dat de [ ]:

. (4.9)

Fig. 4.18. Reaciile electrochimice la ncrcarea bateriilor NiMH.

Reacia chimic la electrodul negativ are un potenial electric de circa 0,8 V i este urmtoarea [ ]:

, (4.10)unde:

: metalul hidrid; : hidrogenul absorbit;

M : aliajul de metal folosit pentru electrodul negativ.Din diferena algebric a celor dou poteniale rezult c tensiunea electric pentru o celul este de circa 1,3 V.

la descrcare, reaciile sunt inversate iar energia chimic stocat este eliberat sub forma de energie electric. La electrodul negativ, hidrogenul stocat n metalul hidrid este eliberat i intr n reacie cu un ion OH- formnd o molecul de ap i elibernd un electron n circuitul exterior (vezi figura 4.19).

Fig. 4.19. Reaciile electrochimice la descrcarea bateriilor NiMH.

La electrodul pozitiv este primit electronul din circuitul exterior, iar molecula de ap este rupt ntr-un ion OH- i hidrogen, acesta din urm fiind intercalat n electrod. Se formeaz astfel hidroxidul de nichel Ni(OH)2. Reacia total este [ ]:

. (4.11)Din punct de vedere constructiv o celul tipic cilindric (figura 4.20) este realizat astfel:

Fig. 4.20. Baterie cilindric NiMH.

Materialul electrodului activ este realizat sub form de foi subiri sub 1 mm pe un substrat metalic conductor [4.8]. Electrozii sunt realizai sub form de straturi izolate cu un separator, ansamblul fiind spiralat i introdus ntr-o carcas standardizat. Electrodul negativ este legat electric la carcas, iar cel pozitiv este izolat electric de carcas. n mod similar sunt realizate i bateriile prismatice. Bateriile cilindrice au avantajul ca rezist mai bine la presiunea intern.

Datorit posibilitii de cretere a presiunii interne datorat gazelor, bateria are o valv de gaz. Bateriile NiMH prezint urmtoarele avantaje [ ]:

conductivitatea nalt a electrolitului permite utilizarea n aplicaiile de putere mare;

bateria poate fi nchis, minimiznd costurile de ntreinere i pierderile; funcioneaz ntr-o plaj larg de temperatur; durata de via este mare i compenseaz costul mai mare fa de alte tehnologii; densitatea de energie este mare iar costul pe watt sau pe watt-or este redus.Materialele hidride au devenit practice dup realizarea compuilor metalici care combin materialele hidride puternice i slabe.

Ajustnd raportul dintre componente, se obine un metal hidrid cu proprietile necesare (rezisten la coroziune, stabilitate mecanic, reversibilitate, capacitate de stocare a hidrogenului) i cu capacitatea de a absorbi hidrogen echivalent cu circa 1000 ori volumul lor i de a-l elibera ulterior.

Materialele sunt mprite n grupuri clasificate AxBy pe baza compoziiei i a structurii lor cristaline [4.1].

Aliajele combin metalul (A) ai crui hidrizi genereaz exotermic cldura, cu metalul (B) ai crui hidrizi genereaz endotermic cldura, pentru a produce energia necesar absorbiei i eliberrii hidrogenului la temperaturi i presiuni normale.

n tabelul 4.5 se prezint unele dintre cele mai uzuale metale hidride folosite pentru baterii [4.8].

Tabelul 4.5. Tipuri de metale hidride.Clasa AxByComponenteObservaiiCapacitate de stocare [mA/g]

AB5 (LaNi5)A: Mn (Mischmetal amestec pamanturi rare), La (Lanton), Ce (Ceriu)

B: Ni, Co, Mn, AlGrupul de aliaje cel mai folosit pentru bateriile NiMH.300

AB2 (TiNi2)A: V, Ti

B: Zr, Ni (+Cr, Co, Fe, Mn)Materiale de baza pentru aliaje complexe400

Caracteristicile de ncrcare i descrcare ale acestor baterii (figura 4.21) evideniaz o rezisten care variaz liniar pentru aproape orice SOC al bateriei, permind o modelare relativ simpl referitoare la vehiculele electrice. ncrcarea acestor baterii se poate face rapid, n circa o or [ ].

Fig. 4.21. Caracteristicile de ncrcare i descrcare pentru bateriile NiMH.

Caracteristicile de ncrcare depind de curent, timp i temperatur. Tensiunea bateriei crete cu creterea curentului de ncrcare, la temperaturi mai mici. Eficiena ncrcrii este mai mare pentru intervalul de temperatur 10-30oC.

n figura 4.22 se prezint caracteristicile de descrcare pentru o baterie NiMH de 12 V i 100 Ah pentru diverse rate de descrcare [ ].

Fig. 4.22. Caracteristicile de descrcare pentru o baterie NiMH.

Capacitatea de rencrcare a bateriilor NiMH este ridicat i permite utilizarea valorilor relativ mari de cureni i tensiuni ce pot aduce bateria la o capacitate de la 20 % la 80 % n circa 20 minute. Timpul mediu de ncrcare este de circa 1 or.

Prezint efectul de memorie, ceea ce necesit descrcarea complet o dat pe lun. Bateria nu trebuie s rmn conectat la sistemul de ncrcare dup ce s-a ncrcat [ ].

Numrul de cicluri n care se face o descrcare de pn la 80% poate s ajung la 1000, valoarea medie fiind de 500 [ ].

Unii productori afirm c pe vehiculele hibride electrice, unde variaia ncrcare - descrcare este mai mic, se poate ajunge la 200.000 cicluri. Bateriile NiMH au un anumit nivel de autodescrcare. Aceasta are loc n perioada de neutilizare, fiind mai redus cnd bateria este ncrcat sub 70% din capacitate. Autodescrcarea depinde mult de temperatur, fiind mai mare la temperaturi mai mari.

S-a constatat c, dac bateria este pstrat la temperatura de aproape 40oC, dup 10 zile, capacitatea bateriei scade la circa 60%. Deoarece tensiunea pe o celul este de 1,2 V, se impune utilizarea unui numr mare de celule pentru a rezulta o baterie de tensiune mare. Bateria poate fi recondiionat i nu este poluant.

4.2.6. Bateriile cu litiu

Litiul este un metal foarte reactiv, cu cel mai mare potenial electrochimic i cel mai uor dintre metale (plutete pe ap). Bateriile cu litiu (figura 4.23) sunt alctuite dintr-un electrod negativ, realizat din carbon nalt cristalizat, un electrolit compus din solveni organici, sruri de litiu i separatori [4.6].

Deoarece electrolitul este solid, exist avantajul lipsei scurgerilor din baterie. ncrcarea i descrcarea se realizeaz prin intermediul ionilor de litiu, proces care nu implic reacii chimice duntoare.

Fig. 4.23. Principiul de funcionare al bateriei cu litiu.

Litiul are cel mai cobort potenial electric dintre toate elementele, fapt ce permite bateriei s aib cea mai mare tensiune de lucru, cea mai mare densitate de energie i putere fa de bateriile cu Pb i NiMH. n tabelul 4.6 se prezint caracteristicile bateriilor cu litiu realizate de firma Hitachi Group.

Tabelul 4.6. Caracteristicile bateriilor cu litiu.

HEVEV

Dimensiuni [mm]260 x 541 x 160290 x 440 x 186

Mas [kg]20,229,3

Tensiune [V]17330

Capacitate [Ah]3,690

Densitate de energie [Wh/kg]-93

Densitate de putere [W/Kg]1350350

Fig. 4.24. Structura bateriei cu litiu.

Deoarece bateriile litiu-ion au cea mai mare tensiune pe celul (3,6V) i capacitatea ridicat pentru un volum dat, densitatea lor de energie este de circa 4 ori mai mare dect la bateriile cu plumb. Aceste baterii sunt uzual folosite n telefonia mobil i tehnica de calcul deoarece au energie i putere specifice mari, un randament energetic ridicat, un comportament bun la temperaturi relativ ridicate i un grad de autodescarcare redus. Au costuri ridicate i rate de descrcare de pn la 40C. Pot fi construite la capaciti diferite, de la 0,5 Ah pn la 1000 Ah. Rata de autodescrcare este redus i nu exist efectul de memorie. Din punct de vedere constructiv (figura 4.24), bateria are trei straturi constituite din cei doi electrozi i un separator toate realizate sub form spiralat. Bateria poate avea i o valv antiexploziv care elibereaz gazul din baterie cnd presiunea intern depaete o anumita valoare [4.11]. Litiul din electrodul pozitiv este ionizat n timpul ncrcrii i se deplaseaz spre electrodul negativ. La descrcare, ionii se deplaseaz spre electrodul pozitiv revenind la structura original. La descrcare, tensiunea bateriilor litiu-ion are o valoare aproximativ constant. Capacitatea de descrcare este redus, dac bateria este pstrat la temperaturi relativ sczute. Necesit condiii mai stricte de transport n comparaie cu alte baterii.

4.2.7. Alegerea tipului de baterie Alegerea tipului de baterie se face n funcie parametrii acesteia i de domeniul de aplicaie dorit, de ctre furnizorul de echipament.

n acest sens, consumatorul trebuie s fie informat asupra modului de utilizare a bateriei recomandate i implicit a regulilor de ntreinere a acesteia. Principalele tipuri de baterii i proprietile lor de baz sunt date n tabelul 4.7.

Tabelul 4.7. Tipurile principale de baterii i caracteristicile lor.

PbNiCdNiMHLi-ion

CostRedusMediuRidicatFoarte mare

Densitate de energie [Wh/kg]305075100

Tensiunea pe element [V]2.271.251.253.6

Circuitul de sarcinaRedusFoarte mareModeratMare

Numrul ciclurilor de ncrcare / descrcare200-20001500500300-500

AutodescarcareRedusModeratRidicatRedus

Timp minim de reincarcare [ore]8-161.52-33-6

Impact asupra mediuluiRidicatRidicatRedusRidicat

4.2.8. Modelarea matematic a bateriilor

Pentru o estimare ct mai corect a performanelor diferitelor tipuri de baterii i a factorilor ce le pot influena, se impune modelarea matematic a acestora.

n acest sens, trebuie considerai urmtorii factorii principali care influeneaz performanele bateriilor:

starea de ncrcare;

capacitatea de stocare;

rata de ncrcare/descrcare;

temperatura;

durata de via.

Pentru simplificare, dar cu suficient precizie, modelarea matematic a bateriilor poate ignora efectele termodinamice i cuantice, innd cont totui de capacitatea de stocare a energiei electrice.

n cele ce urmeaz vor fi descrise mai multe modele matematice pentru baterii, cu considerarea principalilor factori mai sus amintii ce influeneaz performanele acestora.

4.2.8.1. Relaiile Peukert

Relaiile Peukert arat c, pentru o baterie, curentul de descrcare scade o dat cu creterea timpului de descrcare, produsul acestor mrimi fiind constant. Se consider urmtoarea relaie [ ]:

, (4.12)

unde:

Ibdesc: curentul de descrcare al bateriei, [A];

n: constanta bateriei, (n = 1,35 pentru bateriile obinuite cu Pb); - tdesc : timpul de descrcare la curentul Ibdesc, [s].

Aceste relaii pot fi scrise pentru a se face legtura ntre un curent I1 i o rat de descrcare C1 cu o alt combinaie de valori ale curentului I2 i ratei de descrcare C2.

, (4.13)unde C este rata de descrcare.

Gradul de ncrcare actual al bateriei (State of Charge - SOC) se calculeaz, pentru o rat de descrcare constant (Ibdesc = I = ct. i tdesc = t ), astfel:

. (4.14)Pentru rate de descrcare variabile ecuaia de mai sus trebuie calculat la intervale mici de timp t, astfel:

, (4.15)

unde s-a presupus cunoscut o combinaie de valori ntre curent i rata de descrcare (I1, C1).

4.2.8.2 Modelul Shepherd

Modelul Shepherd este cel mai cunoscut i utilizat model de baterie, n special n cazul vehiculelor cu propulsie hibrid Acest model descrie comportamentul electrochimic al bateriei direct n termeni de tensiune i curent. Este des folosit n combinaie cu relaiile Peukert pentru a se obine tensiunea bateriei, starea de ncrcare fiind dat de graficul variaiei puterii [ ]. Tensiunea la borne este exprimat cu ajutorul relaiei:

, (4.16)

unde:

Ub : tensiunea la bornele bateriei, [V];

U0C : tensiunea de mers n gol pe celula bateriei ncrcat la maximum, [V];

ri : rezistena intern a bateriei, [];

rp : rezistena de polarizare, [];

Q : capacitatea bateriei, [Ah];

I : curentul instantaneu prin baterie, [A],

. (4.17)Starea de ncrcare instantanee este ulterior obinut utiliznd relaia Peukert. Modificrile aduse modelului Shepherd constau n adugarea unor termeni pentru descrierea anumitor efecte ale performanelor bateriei.

4.2.8.3. Modelul general Unnewehr

Shepherd i-a bazat cercetrile pe descrcarea constant a bateriei la valori mici ale curentului. Ecuaia sa ncearc s determine punctul limit dup care tensiunea la borne scade foarte rapid. La vehiculele electrice, bateriile nu sunt folosite de obicei n aceste condiii extreme ale accenturii descrcrii. Unnewehr i Nasar propun simplificarea ecuaiei Shepherd astfel:

. (4.18)

Pentru acest model, tensiunea la borne la funcionarea n gol a bateriei, este:

. (4.19)

Funcia matematic pentru rezistena intern echivalent (riech) a fost definit de Unnewehr i Nasar, astfel:

, (4.20)

unde:

ritot : rezistena intern total a bateriei complet ncrcate, [];

KE : constant experimental.

Ecuaia precedent contribuie la modelarea variaiei rezistenei interne echivalente n funcie de starea de ncrcare a bateriei. Asociind acestei ecuaii, relaia general de putere , se poate scrie urmtoarea expresie pentru calculul curentului, n timpul descrcrii bateriei:

. (4.21)

n timpul ncrcrii bateriei, relaia (4.21) devine:

. (4.22)

Valoarea maxim a puterii P poate fi calculat cu ajutorul relaiei:

.

(4.23)

4.2.8.4. Modelele circuitelor echivalente pentru baterii

n conformitate cu relaiile (4.18, 4.19), modelul de baterie cel mai simplu i utilizat n mod obinuit este dat n figura 4.25.

El const dintr-o baterie ideal cu circuitul de tensiune deschis avnd la borne tensiunea Uo (de funcionare n gol), nseriat cu rezistena intern ri considerat constant i cu tensiunea Ub la bornele bateriei. Acest model neglijeaz comportamentul electrochimic specific dinamicii intern a bateriei (nu include efectul difuziei elementelor chimice ale electrolitului ntre electrozii bateriei).

Fig. 4.25. Circuitul echivalent al bateriei.

Deoarece s-a constatat c n timpul proceselor de ncrcare/descrcare, rezistena intern a bateriei are valori diferite, modelul echivalent anterior prezentat poate fi modificat. Acest nou model cu dou tipuri de rezistene interne, rinc i respectiv ridesc asociate proceselor de ncrcare/descrcare ale bateriei este prezentat n figura 4.26.

Fig. 4.26. Modelul bateriei cu rezistene interne de ncrcare/descrcare.

Considernd cele dou tipuri de rezistene, se pot modela toate formele de pierderi de energie, care includ att pierderile electrice i pe cele neelectrice. Diodele Dnc i Ddesc arat faptul c n timpul proceselor de ncrcare/descrcare numai una dintre rezistenele rinc i ridesc va putea fi utilizat, deoarece atunci cnd o diod conduce cealalt este blocat. Neavnd o semnificaie fizic n construcia bateriei, diodele sunt utilizate numai n scopul modelrii.

Modelul cu condensator, prezentat n figura 4.27, este adoptat pentru estimarea strii de ncrcare.

Figura 4.27: Modelul cu condensator.

Cu ajutorul acestui model sunt modelate procesul de difuzie a alectrolitului i efectele acestui proces ce genereaz cureni tranzitorii n baterie. n cadrul acestui model, capacitatea C este polarizat, modeleaz procesul de difuzie chimic din baterie i valoarea ei depinde n principal de temperatur i de starea dencrcare. Curentul prin baterie Ib este pozitiv cnd aceasta se descarc. Capacitatea condensatorului C depinde de temperatur i starea de ncrcare a bateriei, este polarizat i modeleaz difuzia chimic din baterie. Acest model msoar pierderile de energie electrice i neelectrice (pe timpul ncrcrii/descrcrii bateriei) prin alegerea parametrilor de circuit ridesc i rinc, modelnd regimul tranzitoriu al bateriei prin includerea capacitii polarizate C. Deoarece parametrii nu sunt anterior cunoscui i tensiunea Ub nu este msurabil, se procedeaz la estimarea tensiunii U0. Starea de ncrcare este stabilit doar prin msurarea curentului i a tensiunii la bornele bateriei.

4.2.8.5. Modelul matematic al circuitului echivalent al bateriei

Considernd cazul descrcrii bateriei, ecuaiile pentru modelul din figura 4.27 sunt urmtoarele: , (4.24)

. (4.25)Pentru a ine cont de faptul c parametrii circuitului sunt necunoscui, ecuaiile dinamice ale modelului au fost extinse prin utilizarea unui model n spaiul strilor, avnd urmtoarele variabile de stare:

.

(4.26)

n relaiile (4.24 - 4.26) au fost fcute urmtoarele reprezentri: tensiunea la funcionarea n gol U0, tensiunea capacitiv intern UC, tensiunea la bornele bateriei Ub, rezistena intern la ncrcare rinc, rezistena intern la descrcare ridesc, rezistena intern ri, capacitatea polarizat a bateriei C i curentul prin baterie Ib care este pozitiv la descrcare i negativ la ncrcare. n acest caz, modelul de stare spaial neliniar, variabil n timp, este urmtorul:

,

, (4.27)

,unde nu este cunoscut.

n continuare, se pune problema, dac tensiunea la funcionarea n gol U0 = x30/x20 poate fi sau nu determinat cu ajutorul mrimilor de la bornele bateriei (tensiunea Ub i curentul Ib). Pentru rezolvarea acestei probleme se realizeaz un model determinist liniar, variabil in timp, cu parametrul x20 necunoscut, capabil s realizeze estimarea tensiunii U0. n acest sens, se consider z1 = x1; z2 = x3; z3 = x4; z4 = x5, astfel nct sistemul devine:

(4.28)

n modelul matematic al sistemului considerat, curentul prin baterie, Ib este constant, fapt pentru care sistemul liniar rezultat, variabil n timp, nu este observabil. Pentru ca sistemul s devin observabil, variaia n timp a curentului Ib(t) din baterie trebuie s aib expresia , (4.29)

n care s fie ndeplinit condiia c 0.

Modelarea bateriei cu plumb n timpul procesului de descrcare poate fi realizat cu ajutorul unui model n care sunt nseriate o surs de tensiune i o rezisten variabile, dup cum rezult din figura 4.28.

Fig. 4.28. Modelul bateriei cu surs de tensiune i rezisten variabile.

n acest caz, tensiunea bateriei n timpul descrcrii, Ubdesc, este dat de urmtoarea relaie: . (4.30)Att tensiunea de mers n gol, U0, ct i rezistena ri variaz pe parcursul descrcrii. n acest caz, rezistena intern este suma urmtoarelor componente [ ]:

rezistena riG datorat grilei, care este constant ( riG = A1; (4.31)

rezistena riE datorat electrolitului, care variaz n funcie de capacitatea remanent a bateriei C ( riE = A2 / C;

(4.32)

rezistena riS datorat acoperirii cu sulf a suprafeei plane, care variaz n funcie de capacitatea remanent a bateriei C ( riS = A3(1-C).

(4.33)

Pentru a obine variaia tensiunii de mers n gol U0 n funcie de capacitatea remanent C, va fi utilizat relaia Nernstian, dup cum urmeaz [ ]:

U0 = A4 + A5 logC.

(4.34)

Capacitatea remanent a bateriei variaz n funcie de curentul Ibdesc de descrcare fiind descris de relaiile Peukert, astfel:

C = A6 IbdescA7. (4.35)

Pentru o baterie care funcioneaz la valori ridicate ale curentului i pe o lunga durat de timp, sunt ateptate variaii dinamice pentru mrimile ri i U0.

4.2.8.6. Modelul de descrcare fracionar a bateriei

Acest model msoar starea incremental a ncrcrii bateriei, exprimat n urmtorii termeni ai energiei [ ]:

, (4.36)

unde:

Pdi : densitatea de putere incremental descrcat de baterie;

Edi : densitatea de energie a bateriei corespunztoare densitii de putere Pdi;

- tdi : timpul n care grupul de baterii descarc nivelul densitii de putere Pdi.Relaia dintre densitatea de putere i densitatea de energie se obine pe cale experimental, prin teste de descrcare a bateriei la putere constant. Relaia dintre densitatea de putere i timpul tdi, este o curb definit de relaiile

, (4.37)

unde A, B si C sunt determinate de pe curba msurtorilor [ ].

4.2.8.7. Modelul global al parametrilor dinamici ai bateriei

Modelul global are la baz modelul static al bateriei care descrie tensiunea instantanee la borne drept o funcie constant a curentului de ncrcare/descrcare. Acestui model i se asociaz tensiunea tranzitorie pentru curentul de descrcare constant i efectul polarizrii capacitive. Cele trei ecuaii ale acestui model sunt urmtoarele:

, (4.38)

unde:

ri : rezistena intern a bateriei;

C : capacitatea de polarizare;

UC : cderea de tensiune datorat capacitii de polarizare; U0 : tensiunea de mers n gol;

Rb : rezistena la bornele bateriei;

Ub : tensiunea la bornele bateriei;

Cb : capacitatea la bornei bateriei;

Ibdesc : curentul de descrcare al bateriei;

Kb : constanta bateriei; SOC starea de ncrcare a bateriei.

4.2.9. Acumulatoarele secundare utilizate n sistemele electronice UPS

Acumulatoarele secundare sunt utilizate n sistemele electronice UPS i n unitile independente (iluminatul de siguran, echipamentul de salvare, calculatoare i echipamentele de telecomunicaii), ce funcioneaz la tensiune continu sau alternativ. Acumulatoarele folosite pentru alimentarea sarcinilor ce funcioneaz la tensiune alternativ sunt echipate cu convertoare cc/ca. Unitile de acumulatoare de mare capacitate sunt folosite pentru a acoperi vrful de sarcin n reelele de medie tensiune [4.28]. Exist dou soluii de baz a acumulrii n baterii:

prima soluie, n care sarcina este alimentat de la un redresor pn la defectarea acestuia, dup care este conectat la baterie (figura 4.29a).

a doua soluie, n care sarcina este alimentat permanent de la o baterie, ncrcat de un redresor (fig. 4.29b). Att timp ct sursa principal (redresorul) este disponibil, ea este folosit pentru alimentarea sarcinii i ncrcarea bateriei.

Atunci cnd redresorul nu mai poate debita necesarul de energie, bateria este cea care alimenteaz sarcina [4.28]. Aceast structur este de asemenea, frecvent utilizat pentru raiuni de funcionalitate i de comoditate n echipamentele de pstrare n funciune a cronometrului din video- nregistratoare sau din ceasurile de alarmare. Timpul nul de transfer este un avantaj evident al acestei soluii. Fiabilitatea structurii prezentate n figura 4.29a este mai bun dect a celei prezentate n figura 4.29b deoarece, n primul caz, bateria este alimentat printr-un redresor independent. Randamentul dispozitivelor secundare de ncrcare a bateriilor este estimat la 90 97 %.

a. sistem cu ntreruptor S

1 alimentare de la reea

b. alimentare continu

2 alimentare de la baterie

Fig. 4.29. Surse de rezerv pentru sarcini alimentate cu tensiune continu folosind convertoare ca/cc i baterii de acumulatoare.

n general, durata de ncrcare a bateriei este mult mai mare dect cea de descrcare, astfel nct durata de utilizare a acestor sisteme este relativ redus. Sistemul trebuie s fie astfel dimensionat nct s asigure ncrcarea unei baterii complet descrcate n maxim 6 ore.

4.2.10. Consideraii privind costurile i durata de via, pentru baterii

Prezena bateriilor este o soluie tehnic frecvent utilizat n cazul vehiculelor electrice cu pil de combustie. n acest caz, prezena bateriei are un efect benefic din cel puin dou considerente:

ofer posibilitatea unui demaraj imediat al vehiculului, n timp ce ansamblul pilei de combustie se nclzete n vederea funcionrii;

ofer, prin legarea n paralel cu pila de combustie, posibilitatea depirii suprasarcinilor tranzitorii, far supradimensionarea costisitoare a pilei de combustie.

Pentru ultimul considerent se mai au n vedere urmtoarele soluii alternative: utilizarea de supracondensatoare i/sau utilizarea de sisteme ineriale (de tip roat volant). Bateriile reprezint punctul slab al vehiculelor electrice. Prima baterie care a echipat un vehicul, a fost conceput n Frana, la Paris n anul 1888. De atunci bateriile au suferit schimbri majore, care nu au reuit s rezolve integral problemele de portabilitate, volum, durat de via, etc. Din acest motiv pn n anul 1998 s-au vndut numai cteva sute de automobile electrice utiliznd bateriile ca surs de energie. Pn recent autovehiculele electrice erau echipate cu baterii de tip acid-lichid. Bateriile moderne au n plus o densitate a energiei mult mai bun. Cu toate acestea energia specific (stocat pe unitatea de mas) este sczut, fapt ce limiteaz durata de utilitate a sursei ( pn la 150 Km). Bateriile Ni-Fe furnizeaz mai multa energie, fr ca densitatea acesteia s fie prea ridicat. Bateriile Ni-Cd, dei au un nivel ridicat de toxicitate din cauza cadmiului, sunt totui folosite la echiparea unor modele de Peugeot i Renault. Sunt studiate bateriile cu litiu sau combinaii litiu-polimeri n ciuda costurilor ridicate i a problemelor legate de sigurana n funcionare ale acestora.

La sfritul anilor 90 a luat fiin US Advanced Battery Consortium (USABC) organism tiinific destinat dezvoltrii i implementrii noilor surse de energie pentru vehiculele electrice. Aceast organizaie cuprinde colective de cercetare de le firme importante cum ar fi: Ford, Chrysler i General Motors.

Astfel, a fost iniiat un proiect important al crui scop este dezvoltarea unor baterii de nou generaie pentru autovehiculele elctrice i hibride. n acest sens, au fost stabilite urmtoarele principale caracteristici ale bateriilor electrice: costul;

densitatea de energie;

durata de via;

capacitatea de rencrcare;

volumul;

costul nlocuirii bateriei uzate.n construcia de autovehicule electrice, una dintre principalele probleme tehnologice este reprezentat de sursa de energie i implicit cantitatea de energie stocat de aceasta. n acest sens, bateria trebuie s aib o greutate ct mai mic, un volum ct mai redus (raportul greutate/gabarit ct mai mic) i bineneles o durat de via ct mai lung. Desigur apar i unele probleme secundare, a cror importan nu trebuie neglijat, cum ar fi: momentul, durata i locul de ncrcare/rencrcare ale bateriei.

Energia coninut de 44 de MJ/kg de benzin este echivalent cu 12 kW/kg. Bateriile convenionale pot stoca cca. 30 Wh/kg, adic de cca. 400 de ori mai puin dect dac am utiliza benzin. Din acest punct de vedere, chiar lund n calcul randamentul sczut al motoarelor cu ardere intern, exist o discrepan uria ntre motorul cu ardere intern i cel electric. Cu toate acestea, din motive ecologice, se investete deosebit de mult la nivel mondial n cercetrile privind vehiculele hibride i electrice, cu prioritate n sursele de energie i stocarea acesteia.

n acest sens, putem meniona experiena american sintetizat n studiul efectuat de Argon National Laboratory, potrivit cruia costul unei baterii depinde n principal de tipul acesteia i de puterea instalat pe vehicul.

O sintez, n acest sens, este indicat n tabelul 4.8, unde sunt prezentate cele mai importante 10 soluii tehnice pentru bateriile existente la ora actual.

Tabelul 4.8. Caracteristicile de cost pentru baterii. a,bTip Baterie AnMas (kg)Energie (Wh)Cost Iniial ($)Distan indep.(km)Durat de via (km)

Plumb acid200051020,3303,76012035,900

200552021,6903,94013042,400

201052023,0604,13013049,400

202051024,4604,51014062,800

Litiu Fier Disulfit200048046,1903,39027061,500

200548050,4903,89030071,600

201047054,7903,39033081,800

202040055,4303,46035010,300

Litiu Polimer200058064,3203,07035084,800

200559074,9203,400410106,300

201059085,5103,730470127,700

202056096,4502,510550145,000

Nichel Cadmiu200042023,8901,75015093,200

200546026,8701,590160108,800

201050029,8401,430180116,900

202052032,4701,980190138,800

Nichel Fier200064032,5101,19017090,800

200567035,7201,980180108,600

201071038,9301,770200127,900

202071041,0701,390210161,600

Nichel Metal hidrid200048035,1301,99021082,000

200551039,9701,54023094,000

201054044,8101,090260106,100

202053047,7001,250280117,700

Nichel Zinc200047028,2501,48017036,200

200549031,6201,51019046,500

201052035,0002,54020058,000

202051037,2802,43022078,600

Sodiu Sulf200055052,5602,58030074,800

200560059,3702,53032084,900

201065066,19022,47035094,900

202068072,62023,12038093,100

Zinc aer200087010,57049,08046066,500

200590011,61048,83051076,800

201092012,66048,59056087,200

202089013,23044,17059094,300

Zinc bromura200084058,16038,79027056,500

200587062,51038,64029065,500

201090066,87038,49030074,600

202087069,42036,30032087,800

a Pentru puteri crescnde de 79,6 kW n 2000, 89,4 kW n 2005, 99,1 kW n 2010 i 108,6 kW n 2020.b Valorile sunt rotunjite la suta sau zecele cel mai apropiat.

n privina densitii de energie, aceasta poate fi luat n considerare sub aspectul energetic (vezi tabelul 4.9), dar i sub forma puterii disponibile (vezi tabelul 4.10), foarte important din punctul de vedere al cerinelor de suprasarcin a vehiculului hibrid.

Tabelul 4.9. Energia specific (Wh/kg) pentru zece tipuri de baterii

Tip BaterieAnMediuEstimare modic

Plumb acid20004040

20054240

201