1 Uvod Evropska unija sprejema vedno strožje predpise o oddanih emisijah in hrupu tako cestnih vozil kot tudi letal [1-2]. Letališča so pogosto v neposredni bližini mest, kjer lahko lokalne oblasti vsilijo še hujše omejitve, predvsem glede oddanega hrupa, saj tudi motorji z notranjim zgorevanjem z najboljšimi izpušnimi sistemi pogosto ne izpolnijo zahtev. Poleg ekološke čistosti je zahteva po nizkem oddanem hrupu glavna motivacija pri razvoju električnega pogona za letala. Zgradba pogonskega dela električnega sistema v letalu na električni pogon je enaka kot v cestnih vozilih, ki se uporabljajo že več let. Električni motor, največkrat enosmerni krtačni ali novejši sinhronski, s trajnimi magneti, se napaja iz akumulatorskega paketa. Ustrezni elektronski krmilnik skrbi za regulacijo hitrosti vrtenja Prejet 22. februar, 2010 Odobren 30. marec, 2010 Napetostno izena motorja. Vozila imajo navadno vgrajen tudi polnilnik akumulatorjev, ki odvzema tok ali trifaznega omrežja. Slika 1: Zgradba pogonskega sistema Image 1: Structure of the electric propulsion system Glavno vodilo pri razvoju ultralahkih letal električni pogon je majhna teža sestavnih delov celice svinčevih ali metal - hibridnih akumulatorjev neprimerne, ker so težke. Šele komercialna dosegljivost litijevih in litij - polimer akumulatorjev je omogo razvoj ultralahkih letal na električni pogon akumulatorji že dosegajo energijsko gostoto kWh/kg, to so trenutno edina primerna rešitev za uporabo v ultralahkih letalih. Akumulatorski paketi v električnih vozilih in letalih so sestavljeni iz velikega števila zaporedno vezanih celic, kar je potrebno za doseganje visokih napetosti (tipične napetosti se gibljejo med 80 odvisno od moči pogonskega motorja število zaporedno vezanih akumulatorjev povzro dva večja/glavna problema: 1. Verjetnost odpovedi akumulatorskega paketa je N-krat večja, kot je verjetnost odpovedi ene njegove celice. Pri odpovedi ene celice v paketu zamenjati celoten paket, kar je povezano z visokimi stroški, saj problema ni mogoče rešiti samo z zamenjavo slabe celice, ker bo nova zaradi toleranc in staranja imela drugačne karakteristike kot ostale 2. Ob povečani verjetnosti odpovedi posledica razmeroma visokih toleranc pri izdelavi, neekanomerne porazdelitve temperature in različnih hitrosti staranja celic nastane napetostne neizenačenosti celic, ki vedno zaporedni vezavi celic; vzporedni sistemi se izena samodejno. Pri svinčevih in NiMH celicah izena napetosti ni problematično, saj prenašajo prenapolnjenost brez trajnih posledic izenačuje samodejno prek podaljšanja prenapolnjene celice oddajajo odvečno energijo v obliki toplote. Litijevi akumulatorji so bolj izpostavljeni problemu napetostne neizenačenosti, saj celice ne prenašajo prenapolnjenosti in zato takšen pristop ni mogoč. V nadaljevanju članka so predstavljene razli metode napetostnega izenačevanja in merjenja napetosti celic v akumulatorskih paketih visokih napetosti članka je predstavitev pasivnega napeto izenačevalnika in sistema za nadzorovanje akumulatorjev, ki je bil preizkušen jadralnem letalu z električnim pogonom za dviganje, Pipistrel Taurus Electro. Napetostno izenačevanje akumulatorjev v ultralahkih letalih na elektri vgrajen tudi polnilnik ali iz eno- ali iz : Structure of the electric propulsion system lavno vodilo pri razvoju ultralahkih letal na teža sestavnih delov, zato so nih akumulatorjev omercialna dosegljivost polimer akumulatorjev je omogočila pogon, saj tovrstni mulatorji že dosegajo energijsko gostoto do 200 so trenutno edina primerna rešitev za čnih vozilih in letalih so sestavljeni iz velikega števila zaporedno vezanih ar je potrebno za doseganje visokih napetosti ne napetosti se gibljejo med 80 V in 400 V, i pogonskega motorja), toda veliko število zaporedno vezanih akumulatorjev povzroča vsaj latorskega paketa je ja, kot je verjetnost odpovedi ene njegove Pri odpovedi ene celice v paketu je treba povezano z visokimi e rešiti samo z zamenjavo a zaradi toleranc in staranja kot ostale v paketu. verjetnosti odpovedi ene celice, ki je posledica razmeroma visokih toleranc pri njihovi izdelavi, neekanomerne porazdelitve temperature in nastane še problem vedno nastane pri zaporedni vezavi celic; vzporedni sistemi se izenačujejo celicah izenačevanje no, saj prenašajo brez trajnih posledic, napetost se jim podaljšanja časa polnjenja; čno energijo v obliki toplote. Litijevi akumulatorji so bolj izpostavljeni enosti, saj celice ne ašajo prenapolnjenosti in zato takšen pristop ni lanka so predstavljene različne in merjenja napetosti visokih napetosti. Jedro predstavitev pasivnega napetostnega evalnika in sistema za nadzorovanje ki je bil preizkušen v ultralahkem nim pogonom za dviganje, Slika 2: Pogonski del letala Taurus Electro Image 2: Propulsion system of the Pipistrel Taurus Electro ultralight aircraft 2 Upravljanje akumulatorskih paketov Visokonapetostni akumulatorski paketi so sestavljeni iz večjega števila zaporedno vezanih celic. Napetost, ki jo izmeri polnilnik ali porabnik energije takega paketa �� � � ��� � �� , kjer se UC lahko nahaja med: ��� �� ��� , kjer sta UCL in UCH spodnja in zgornja napetostna meja delovanja ene celice. Polnilnik ali porabnik lahko meri samo skupno napetost vseh celic. Tako se bodo pri praznjenju celice z nižjo relativno kapaciteto v paketu, prekomerno izpraznile: ��� ��� . Pri polnjenju pa se bodo prenapolnile ��� � ��� . Iz tega sledi, da je treba vezanimi celicami njihove napetosti izena samega izenačevanja je treba nadzirati, da ne presežejo skrajnih mej temperaturo samih celic in s tem zaznati morebitno pregrevanje [3]. Naprava, ki izvaja vse te naloge, se imenuje upravljalnik akumulatorjev (angl. BMS evanje akumulatorjev v ultralahkih letalih na električni pogon 189 2: Pogonski del letala Taurus Electro the Pipistrel Taurus Electro Upravljanje akumulatorskih paketov Visokonapetostni akumulatorski paketi so sestavljeni iz jega števila zaporedno vezanih celic. Napetost, ki jo polnilnik ali porabnik energije takega paketa, je: , (2.1) (2.2) spodnja in zgornja napetostna meja delovanja ene celice. Polnilnik ali porabnik lahko meri samo skupno napetost vseh celic. Tako se bodo pri praznjenju celice z nižjo relativno kapaciteto v paketu, (2.3) jenju pa se bodo prenapolnile (2.4) treba v paketih s serijsko njihove napetosti izenačevati. Poleg napetosti akumulatorjev nadzirati, da ne presežejo skrajnih mej, ter meriti temperaturo samih celic in s tem zaznati morebitno pregrevanje [3]. Naprava, ki izvaja vse te naloge, se imenuje upravljalnik akumulatorjev (angl. BMS – 190 Tomažič, Tomažič, Žemva Battery Management System). Za doseganje obeh ciljev morata biti v upravljalniku dva sklopa merjenje napetosti in za izenačevanje napetosti oziroma pretakanja naboja. Obema sklopoma je skupen problem premostitve potencialnih razlik. Metode napetostnega izenačevanja delimo na aktivne in pasivne. Razlikujejo se po na odvečne energije [4]. Pri aktivnih metodah, ki imajo visok izkoristek, a hkrati zahtevajo zapleteno zgradbo vezij, se energija v prenapolnjenih celicah porabi za polnjenje bolj praznih. Pri pasivnih metodah, ki imajo ničelni izkoristek, omogočajo pa enostav njihovo realizacijo, pa se odvečna energija porabi obliki toplote na ohmskih uporih. Metoda preklopnega kondenzatorja je aktivna metoda izenačevanja napetosti celic. Pri tej metodi se naboj prek preklapljanja kondenzatorja s polprevodniškimi stikali (MOSFET) manj napolnjeno celico, realizacija te metode pa zahteva obsežno mrežo polprevodniških stikal in ustreznih gonilnikov, ki mora biti sposobna preklapljanja kondenzatorja med poljubnima celicama [5]. Poleg tega pri tej metodi nastane problem upo izenačevanja, saj se, ko sta si napetosti celic dokaj blizu, pretoči le malo naboja iz ene celice na drugo, kar upočasnjuje proces izenačevanja. Slika 3: Izenačevanje s preklopnim kondenzatorjem Image 3: Switching-capacitor cell-balancing method Pri aktivni induktivni metodi napetostnega izenačevanja uporabljamo za premostitev potencialnih razlik transformator z več sekundarnimi navitji [6]. Prek stikal je vsaka celica vezana na svoje sekundarno navitje, medtem ko je primarno navitje vezano na celotni akumulatorski paket, katerega energija se pri prenapolnjeni celici, uporabi za polnjenje šibkejše celice v celotnem paketu. Slika 4: Induktivna metoda izenačevanja Image 4: Inductive cell-balancing method Sklenitev stikala na sekundarnem navitju povzro magnetenje jedra, čemur sledi sklenitev stikala na primarnem navitju, pri čemer se jedro razmag Battery Management System). Za doseganje obeh ciljev dva sklopa, in sicer za evanje napetosti oziroma pretakanja naboja. Obema sklopoma je skupen problem čevanja delimo na aktivne in pasivne. Razlikujejo se po načinu odvajanja ne energije [4]. Pri aktivnih metodah, ki imajo visok izkoristek, a hkrati zahtevajo zapleteno zgradbo se energija v prenapolnjenih celicah porabi za polnjenje bolj praznih. Pri pasivnih metodah, ki imajo ajo pa enostavna vezja za čna energija porabi v Metoda preklopnega kondenzatorja je aktivna celic. Pri tej metodi se preklapljanja kondenzatorja s pretaka iz bolj na manj napolnjeno celico, realizacija te metode pa zahteva obsežno mrežo polprevodniških stikal in ustreznih gonilnikov, ki mora biti sposobna preklapljanja licama [5]. Poleg tega problem upočasnjenega evanja, saj se, ko sta si napetosti celic dokaj blizu, i le malo naboja iz ene celice na drugo, kar evanje s preklopnim kondenzatorjem balancing method Pri aktivni induktivni metodi napetostnega evanja uporabljamo za premostitev potencialnih sekundarnimi navitji [6]. Prek stikal je vsaka celica vezana na svoje sekundarno primarno navitje vezano na , katerega energija se pri , uporabi za polnjenje šibkejše celice ikala na sekundarnem navitju povzroči emur sledi sklenitev stikala na emer se jedro razmagneti in energija steče v celoten akumulatorski paket. premalo napolnjeni celici se energija celotnega paketa uporabi za njeno polnjenje po nasprotju z metodo preklopnega kondenzatorja opisana metoda ne trpi za problemom upo izenačevanja, ko so si napetosti celic blizu [7]. Z uporabo pasivne metode se vsa odve celic pretvori v toploto. Uporabljata se dve metodi sicer metoda premostitve polnilnega toka polnjenja metoda praznjenja celic. Obe zgradbo močnostnega dela in se razlikujeta zgolj po njunem krmiljenju. Pri prvi metodi premostimo celoten polnilni tok celice skozi upor, ko se slednja napolni na nazivno napetost. Prednost te metode je, da vezje ne potrebuje centralnega krmiljenja. Metoda praznjenja celic uporablja upore za praznjeje bolj napolnjenih celic in s tem uravnava manj napolnjene. prejšnjo metodo poteka proces izena času polnjenja in ne samo pri koncu [8]. Slika 5: Pasivni balanserji, vgrajeni v letalo Image 5: Passive BMS mounted directly on the battery pack at the back of the aircraft Izenačevalniki z aktivnimi metodami izena so zaradi svoje fizične velikosti neprimerni za uporabo v ultralahkih letalih. Izenačevalniki s premostitvijo polnilnega toka zahtevajo veliko površino za odvajanje generirane toplote, saj se pri koncu proce izenačevanja na njih porabi vsa mo Pasivni izenačevalniki z metodo praznjenja celic se pokažejo kot dobra rešitev; kljub manjšemu izkoristku sistema v primerjavi z aktivnim izena njihova uporaba za letalske aplikacije zl Realizirati jih je moč z razmeroma vzamejo malo prostora, imajo majhno težo in so hkrati robustna, kar je pri letenju, kjer nastopajo tako turbulence kot vibracije iz samega ključnega pomena. Merjenje napetosti individualnih celic je prav tako izpostavljeno problemu premoš razlik, razen pri uporabi pasivne metode premostitve polnilnega toka, pri kateri se napetost celice zgolj omeji akumulatorski paket. Pri se energija celotnega paketa njeno polnjenje po nasprotnem postopku. V preklopnega kondenzatorja opisana metoda ne trpi za problemom upočasnjenega evanja, ko so si napetosti celic blizu [7]. Z uporabo pasivne metode se vsa odvečna energija toploto. Uporabljata se dve metodi, in sicer metoda premostitve polnilnega toka polnjenja in metoda praznjenja celic. Obe predvidevata enako nostnega dela in se razlikujeta zgolj po njunem krmiljenju. Pri prvi metodi premostimo celoten tok celice skozi upor, ko se slednja napolni na nazivno napetost. Prednost te metode je, da vezje ne potrebuje centralnega krmiljenja. Metoda praznjenja celic uporablja upore za praznjeje bolj napolnjenih celic in s tem uravnava manj napolnjene. V nasprotju s poteka proces izenačevanja v celotnem asu polnjenja in ne samo pri koncu [8]. vgrajeni v letalo : Passive BMS mounted directly on the battery pack at evalniki z aktivnimi metodami izenačevanja ne velikosti neprimerni za uporabo v čevalniki s premostitvijo polnilnega toka zahtevajo veliko površino za odvajanje generirane toplote, saj se pri koncu procesa vsa moč iz polnilnika [9]. evalniki z metodo praznjenja celic se pokažejo kot dobra rešitev; kljub manjšemu izkoristku sistema v primerjavi z aktivnim izenačevalnikom se njihova uporaba za letalske aplikacije zlahka upraviči. z razmeroma preprostimi vezji, ki vzamejo malo prostora, imajo majhno težo in so hkrati robustna, kar je pri letenju, kjer nastopajo tako samega pogonskega motorja, Merjenje napetosti individualnih celic je prav tako izpostavljeno problemu premoščanja potencialnih razlik, razen pri uporabi pasivne metode premostitve polnilnega toka, pri kateri se napetost celice zgolj omeji Napetostno izena in zato ne potrebuje centralnega zbiranja po napetosti individualnih celic. Pri uporabi induktivnega izenačevalnika se lahko transformator sam uporabi za premostitev potencialne razlike z dodatnim sekundarnim navitjem [6]. Pri metodah ni mogoče uporabiti dela izena premoščanje potencialnih razlik; uporabiti je bodisi optosklopnike ali analogne multiplekserja. Uporaba optosklopnikov zahteva, da ima vsaka celica svoj analogno-digitalni pretvornik in pripadajo precizno napetostno referenco. Metoda ima prednost v sposobnosti premoščanja visokih potencialnih razlik, a je potrebno vezje preveliko in tudi cena vezja za takšno merjenje je previsoka. (a) (b) Sliki 6 a) in b): Premoščanje potencialnih razlik Images 6 a) and b): Methods for copping with barriers Analogni multiplekserji omogočajo uporabo zgolj enega analogno-digitalnega pretvornika in napetostne reference, s čimer se realizacija vezja za meritev napetosti celic močno poenostavi, saj napetosti celic meri isti pretvornik in je zato relativna napaka meritve med celicami odvisna zgolj od neidealnosti multiplekserja. 3 Pasivno izenačevanje (metoda praznjenja celic) Med polnjenjem je treba celice, katerim na raste kot drugim, prazniti oziroma zmanjšati tok polnjenja, kar dosežemo z uporabo zaporedne vezave polprevodniškega (MOSFET) stikala in ohm upora, na katerem se porabi odvečna energija polnilnika [9]. Slika 7: Pasivna metoda izenačevanja napetosti Image 7: Passive method of cell balancing Krmilni signali stikal MOSFET ustrezne napetostne nivoje; za N-to celico mora biti Napetostno izenačevanje akumulatorjev v ultralahkih letalih na elektri in zato ne potrebuje centralnega zbiranja podatkov o Pri uporabi induktivnega izenačevalnika se lahko transformator sam uporabi za premostitev potencialne razlike z dodatnim sekundarnim navitjem [6]. Pri drugih uporabiti dela izenačevalnika za anje potencialnih razlik; uporabiti je treba bodisi optosklopnike ali analogne multiplekserja. Uporaba optosklopnikov zahteva, da ima vsaka digitalni pretvornik in pripadajočo precizno napetostno referenco. Metoda ima prednost v anja visokih potencialnih razlik, a je potrebno vezje preveliko in tudi cena vezja za takšno anje potencialnih razlik for copping with large potencial čajo uporabo zgolj digitalnega pretvornika in napetostne imer se realizacija vezja za meritev saj napetosti celic relativna napaka meritve med celicami odvisna zgolj od neidealnosti celice, katerim napetost hitreje , prazniti oziroma zmanjšati tok osežemo z uporabo zaporedne vezave polprevodniškega (MOSFET) stikala in ohmskega čna energija polnilnika evanja napetosti : Passive method of cell balancing stikal MOSFET morajo imeti to celico mora biti tranzistor v neprevodnem stanju krmiljen s signalom napetosti � · �� , v prevodnem stanju pa s signalom napetosti � · �� � ���� . Generiranje takih signalov predstavlja problem premostitve potencialov. Ponudijo se tri možnosti in sicer uporaba signalnega transformatorja, optosklopnika ali visoko napetostnega analognega multiplekserja. Signalni transformatorji se uporabljajo za premoščanje visokih potencialnih razlik izmeničnih ali digitalnih signalov. Z detektorjem na izhodu je moč doseči ustrezni krmilni signal MOSFET tranzistorja. Zahteva po majhni parazitni induktivnosti navitij signalnega transformatorja omejuje debelino izolacijske plasti žic, zaradi transformatorji primerni za premoš razlik le do napetosti 1 kV. Slika 8: Uporaba transformatorja za premostitev potencialne razlike in poganjanje MOSFET tranzistorja Image 8: Using a signal transformer to drive a MOSFET transistor Optosklopniki z izhodnim tranzistorjem tipa PNP imajo za prednost enostavno vezavo in majhne fizi velikosti, ob tem pa dajejo izolacijsko trdnost do nekaj kV, zato so primerni za gradnjo izena akumulatorskih sistemov zelo visokih napetosti. Analogni demultiplekserji v obliki integriranih vezij dajejo fizično najmanjšo in najbolj robustno rešitev, njihovo območje delovanja pa je zaradi CMOS tehnologije izdelave omejeno na okvirno 100 V. Kljub razmeroma majhnemu napetostnemu obmo jih je z uporabo dodatnih premostitvenih vezij mogo vgraditi v sisteme za napetosti reda kV. Največja slabost pasivnih izena da z njimi lahko prenapolnjene celice le praznimo. polnjenju krmilnik identificira celice z višjo napetostjo in vključi izenačevalnike in s tem njihovo praznjenje. Iz dejstva sledi, da je uporaba takšnega izena praznilnem ciklu akumulatorja nezaželena, saj bi se celice z več shranjenega naboja prilagajale tistim z manj naboja. Učinkovitost sistema s pasi v praznilnem ciklu izenačevanja bi bila zelo odvisna od karakteristike celic v akumulatorskem paketu in bi bila pri manjšem številu celic z relativno zelo nizka. 4 Gradnja prototipa Najprej je bil zgrajen upravljalnik ( temeljil na pasivni metodi izena akumulatorjev LiPO kot prototip. Pri dimenzioniranju aktuatorske stopnje je velikost izena ključnega pomena, ker je odvisna od: evanje akumulatorjev v ultralahkih letalih na električni pogon 191 tranzistor v neprevodnem stanju krmiljen s signalom , v prevodnem stanju pa s signalom . Generiranje takih signalov blem premostitve potencialov. Ponudijo se tri možnosti in sicer uporaba signalnega transformatorja, optosklopnika ali visoko napetostnega analognega multiplekserja. Signalni transformatorji se anje visokih potencialnih razlik ih ali digitalnih signalov. Z detektorjem na i ustrezni krmilni signal MOSFET tranzistorja. Zahteva po majhni parazitni induktivnosti navitij signalnega transformatorja omejuje debelino izolacijske plasti žic, zaradi česar so signalni ansformatorji primerni za premoščanje potencialnih : Uporaba transformatorja za premostitev potencialne razlike in poganjanje MOSFET tranzistorja Using a signal transformer to drive a MOSFET klopniki z izhodnim tranzistorjem tipa PNP imajo za prednost enostavno vezavo in majhne fizične izolacijsko trdnost do nekaj so primerni za gradnjo izenačevalnikov akumulatorskih sistemov zelo visokih napetosti. i demultiplekserji v obliki integriranih vezij no najmanjšo in najbolj robustno rešitev, je delovanja pa je zaradi CMOS tehnologije izdelave omejeno na okvirno 100 V. Kljub napetostnemu območju delovanja uporabo dodatnih premostitvenih vezij mogoče vgraditi v sisteme za napetosti reda kV. ja slabost pasivnih izenačevalnikov je v tem, da z njimi lahko prenapolnjene celice le praznimo. Pri krmilnik identificira celice z višjo napetostjo evalnike in s tem njihovo praznjenje. Iz dejstva sledi, da je uporaba takšnega izenačevalnika v praznilnem ciklu akumulatorja nezaželena, saj bi se shranjenega naboja prilagajale tistim z manj inkovitost sistema s pasivnim izenačevanjem evanja bi bila zelo odvisna od karakteristike celic v akumulatorskem paketu in bi bila celic z relativno manjšo kapaciteto Najprej je bil zgrajen upravljalnik (izenačevalnik je temeljil na pasivni metodi izenačevanja) za 24 celic kot prototip. Pri dimenzioniranju aktuatorske stopnje je velikost izenačevalnega toka nega pomena, ker je odvisna od: 192 Tomažič, Tomažič, Žemva 1. pričakovane tolerance kapacitete celic določen naboj, ki ga mora izenačevalnik kompenzirati in 2. velikosti polnilnega toka, s katero je dolo polnjenja oziroma čas, ki ga ima izenač za kompenzacijo. Za izbrane celice podaja proizvajalec toleranco 2 uporabljen pa je bil polnilnik akumulatorjev s polnilnim tokom 6 A. Pri danih podatkih je najnižji srednji tok izenačevanja: �� � 2 · ����� · �� ������� � 266 !" Z razmeroma visokim varnostnim faktorjem je bil izbran srednji tok izenačevanja 400 mA, kar zadostuje za kompenzacijo 6,5-odstotne razlike naboja med celicami v enem polnilnem ciklu. Za uporabo v letalski aplikaciji so bili uporabljeni trije zaporedno vezani 3,3 Ω SMD upori mo kanalni tranzistorji MOSFET SI235 pozornost je bila namenjena razporeditvi uporov; nameščeni so na obeh straneh tiskanega vezja ¼ zamika od aktuatorja do aktuatorja, kar omogo enakomerno razporeditev temperature tiskanega vezja in hkrati optimalno odvajanje izgub. Uporabljeno je bilo tudi prisilno hlajenje v obliki 40 mm ventilatorja nameščenega naposredno za tiskanino. Za zaščito tranzistorja in analogno pretvornika pred morebitno napačno priklju pred napačnim zaporedjem priključitve celi vezje dodane tudi zenerjeve diode. Dodaten RC časovno konstanto # � 10&'s filtrira visokof motnje pred vhodom AD-pretvornika. (a) (b) Sliki 9 a) in b): Razporeditev uporov na tiskanem vezju Images 9 a) and b): Placement of balancing resistor the PCB Problem premostitve potencialnih razlik je bil rešen z uporabo integriranega vezja LTC6802 Linear Technology, ki vsebuje visoko analogne multiplekserje, tako za krmiljenje aktuatorskih tranzistorjev MOSFET, kot tudi za analogno pretvornik. LTC6802-1 omogoča tudi kaskadno vezavo akovane tolerance kapacitete celic, s katero je čevalnik kompenzirati, 2. velikosti polnilnega toka, s katero je določen čas as, ki ga ima izenačevalnik na voljo Za izbrane celice podaja proizvajalec toleranco 2 %, uporabljen pa je bil polnilnik akumulatorjev s polnilnim tokom 6 A. Pri danih podatkih je najnižji srednji tok !" . (4.1) Z razmeroma visokim varnostnim faktorjem je bil evanja 400 mA, kar zadostuje razlike naboja med Za uporabo v letalski aplikaciji so bili uporabljeni SMD upori moči 1W in P- SI2351DS. Posebna razporeditvi uporov; eni so na obeh straneh tiskanega vezja, in sicer z ¼ zamika od aktuatorja do aktuatorja, kar omogoča enakomerno razporeditev temperature tiskanega vezja in . Uporabljeno je bilo tudi prisilno hlajenje v obliki 40 mm ventilatorja, enega naposredno za tiskanino. ito tranzistorja in analogno-digitalnega čno priključitvijo ali čitve celic so bile v udi zenerjeve diode. Dodaten RC-člen s s filtrira visokofrekvenčne pretvornika. : Razporeditev uporov na tiskanem vezju Placement of balancing resistors on Problem premostitve potencialnih razlik je bil rešen z uporabo integriranega vezja LTC6802-1 proizvajalca r Technology, ki vsebuje visoko napetostne analogne multiplekserje, tako za krmiljenje aktuatorskih , kot tudi za analogno-digitalni a tudi kaskadno vezavo večih stopenj, kar omogoča gradnjo akumulatorskih paketov višjih napetosti. Za mikrokrmilnik je bil izbran 16 mikroprocesor Microchip DSPIC30F2 programski del vsebuje vse potrebne rutine za izenačevanje napetosti, zašč izpraznjenjem in določanje preostale koli shranjenega naboja (state-of-charge). Pri izbiranju celic, ki se bodo praznile, upošteva program 5 mV histerezo napetosti celic. Mikrokrmilnik se nahaja na ločenemu tiskanemu vezju in uporablja kompatibilen vmesnik CAN in RS-232 za komunikacijo z zunanjim svetom. 5 Rezultati Izenačevalnik je bil uporabljen na akumulato paketu iz 22 celic SLPB100216216H Kokam. Celice imajo kapaciteto 40 Ah in območje delovanja 3,40– 4,15 V, iz varnostnih razlogov pa na začetku polnilnega cikla niso bile popolnoma prazne, temveč so bile napolnjene na okoli 20 nazivnega naboja. Pred začetkom polnjenj relativno odstopanje napetosti celic znotraj intervala 50 mV; celica z najmanjšo napetostjo je imela napetost 3,511 V, celica z najvišjo napetostjo pa 3,558 V. Celice so bile priklopljene na upravljalnik akumulator zaporedju naraščajočih napetosti. Med polnilnim ciklom je bila opazovana aktivnost aktuatorjev. Slika 5.1 prikazuje aktivnost aktuatorja 14. celice v paketu, ki se je pokazala kot celica, ki je zahtevala največji tok izenačevanja. Slika 10: Aktivnost aktuatorja 14. celice Image 10: Activity of the balancer of the 14th cell in the battery pack Iz aktivnosti najbolj (IM) in najmanj (I aktuatorja je mogoče oceniti relativno odstopanje kapacitete celic: ča gradnjo akumulatorskih Za mikrokrmilnik je bil izbran 16-bitni mikroprocesor Microchip DSPIC30F2020, katerega programski del vsebuje vse potrebne rutine za evanje napetosti, zaščito pred čezmernim čanje preostale količine charge). Pri izbiranju celic, ki se bodo praznile, upošteva program 5 mV histerezo napetosti celic. Mikrokrmilnik se nahaja na enemu tiskanemu vezju in uporablja kompatibilen za komunikacijo z zunanjim evalnik je bil uporabljen na akumulatorskem celic SLPB100216216H proizvajalca Kokam. Celice imajo kapaciteto 40 Ah in nazivno 4,15 V, iz varnostnih razlogov etku polnilnega cikla niso bile popolnoma so bile napolnjene na okoli 20 % četkom polnjenja je bilo relativno odstopanje napetosti celic znotraj intervala 50 mV; celica z najmanjšo napetostjo je imela napetost 3,511 V, celica z najvišjo napetostjo pa 3,558 V. Celice so bile priklopljene na upravljalnik akumulatorjev po petosti. Med polnilnim ciklom je bila opazovana aktivnost aktuatorjev. Slika 5.1 prikazuje aktivnost aktuatorja 14. celice v paketu, ki se je pokazala kot celica, ki je čevanja. : Aktivnost aktuatorja 14. celice : Activity of the balancer of the 14th cell in the ) in najmanj (IL) aktivnega e oceniti relativno odstopanje Napetostno izenačevanje akumulatorjev v ultralahkih letalih na električni pogon 193 ( � �)�* − ��,∆. = 1,18 "ℎ �12 3 , (5.1) kar pomeni 2,75 % nazivne kapacitete celice. Iz aktivnosti samih aktuatorjev je moč sklepati o relativni kapaciteti posamezne celice v paketu; celice z manjšo kapaciteto potrebujejo več izenačevalnega naboja. Energija, ki se je porabila na najbolj aktivnem aktuatorju izenačevalnika, je bila: " = � �*��∆. = 4,13 �12 3 6ℎ . (5.2) Med samim preizkusom je bila nadzorovana temperatura posameznih aktuatorjev izenačevalnika. Izkazalo se je, da je bila temperatura po plošči tiskanega vezja razmeroma enakomerno porazdeljena; najvišja izmerjena temperatura ja znašala 73°C z 8°C najvišjim relativnim odstopanjem med posameznimi aktuatorji. 6 Sklep Kljub opisanim prednostim aktivnih metod izenačevanja napetosti je uporaba pasivnih metod v aviacijskih aplikacijah nujna predvsem zaradi majhne teže in majhne fizične velikosti. V članku je predstavljen princip delovanja upravljalnika akumulatorjev s pasivno metodo izenačevanja napetosti, ki se je izkazala za uspešno; zgrajen je bil prototip upravljalnika napetosti, dimenzioniran za uporabo na akumulatorskih paketih s 24 celicami kapacitete 40 Ah. Tok izenačevanja celic je odvisen od relativne tolerance kapacitete celic in od njihovega polnilnega časa. Z upoštevanjem 2-odstotne tolerance je izračunani 400 mA izenačevalni tok zadoščal za izravnavo napetosti na 22-celičnem akumulatorskem paketu v času polnjenja 4,5 h. Nadzorovana je bila aktivnost aktuatorjev izenačevalnika in pokazalo se je, da bi za uporabljene akumulatorje zadoščal že za 30 % manjši tok izenačevanja, torej 280 mA. Zaradi razmeroma velike moči, ki se porabi na uporih, je bila potrebna termalna optimizacija sistema; upori so bili porazdeljeni na tiskanem vezju v razmikih po ¼ njihove dolžine, uporabljeno pa je bilo tudi prisilno hlajenje. Temperatura najbolj aktivnega aktuatorskega dela v izenačevalniku ni presegla 75°C, kar je s stališča odpornosti in staranja komponent popolnoma sprejemljivo. Literatura [1] EASA regulation [EC] No 216/2008, Article 6 [2] DFS, Bekanntmachung von Lufttüchtigkeitsforderungen für aerodynamisch gesteuerte Ultraleichtflugzeuge, Nachrichten für Luftfahrer Teil II , 51. Jahrgang, NfL II 17/03, 30. Januar 2003, [3] A. Jossen, V. Späth, H. Döring, J. Garche, Reliable battery operation – a challange for the battery management system, Journal of Power Sources, Volume 84, Issue 2, December 2008, pp. 283–286. [4] J. Cao, N. Schofield, A. Emadi, Battery Balancing Methods: A Comprehensive Review, IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, September 3-5 2008, pp. 1–6. [5] A. Baughman, M. Ferdowsi, Analysis of the Double- Tiered Three-Battery Switched Capacitor Battery Balancing System, Vehicle Power and Propulsion Conference, September 6-8 2006, pp. 1–6. [6] W. Rissler, Boost battery performance with active charge- balancing, EE Times-India, July 2008, pp. 1–5. [7] J. Jang, J. Nam, J. Yoo, Cell Balancing Circuits Implementation with DC/DC Converters Using Cuper Capacitor Equivalent Circuit Parameters, Vehicle Power and Propulsion Conference, September 9-12 2007, pp. 646–653. [8] S. Wen, Cell balansing buys extra run time and battery life, Analog applications journal, 1Q 2009, pp. 14–18. [9] A. Mills, S, Al-Hallaj, Simulation of passive thermal management system for lithium-ion battery packs, Journal of Power Sources, Volume 141, Issue 2, March 2005, pp. 307–315. Jure Tomažič je diplomiral leta 2009 na Fakulteti za elektrotehniko Univerze v Ljubljani. Trenutno je zaposlen kot mladi raziskovalec v gospodarstvu v podjetju Pipistrel. Ukvarja se z električnimi sistemi s področja električnih in hibridnih pogonskih sistemov Tine Tomažič je diplomiral leta 2007 na Fakulteti za elektrotehniko Univerze v Ljubljani. Trenutno je zaposlen kot mladi raziskovalec v gospodarstvu v podjetju Pipistrel. Ukvarja se z modeliranjem, vodenjem in simulacijo s področja aviacije. Andrej Žemva je diplomiral, magistriral in doktoriral na Fakulteti za elektrotehniko Univerze v Ljubljani v letih 189, 1993 in 1996. Njegova raziskovalna in razvojna dejavnost obsega avtomatsko načrtovanje digitalnih elektronskih vezij in sistemov, vgrajene sisteme ter sočasno načrtovanje strojne in programske opreme.