V prvej časti tohto dlhého článku som písal o parametroch, ktoré sú viacmenej konštantné. Teraz sa pozriem na tie, ktoré svojím správaním voči batérii, môžte ovplyvniť tak, že vám poslúži lepšie a dlhšie (alebo horšie a kratšie ak ju nemáte “radi”).

V minulej časti som definoval nominálne napätie, prúd a kapacitu. Sú to “papierové” hodnoty, ktoré sa však v realite menia v závislosti od rôznych režimov práce: nabíjanie, vybíjanie, alebo aj stavom počas životnosti batérie: stav nezapojený do obvodu (záťaže), skladovanie a pod. ale aj od vonkajších okolností – najmä teploty.

Model batérie

Pre mnohých (vrátane mňa) si je ťažšie parametre batérií “predstaviť” vo fyzických, viditeľných pojmoch. Elektrinu nevidno a “chytať” rukou ju neradno. Pri nízkych hodnotách (napätia a/alebo prúdu) ju moc necítiť a pri vyšších hodnotách to môže byť posledná vec čo ucítite. Preto sa vymysleli voltmetre a ampérmetre. Preto si treba batériu treba predstaviť ako niečo iné. A tu sa hodí zrovnanie s iným druhom akumulátoru – nádrž na vodu (kvapalinu).

Batéria je v tomto prípade vlastne nádrž na vodu. Nabíjanie predstavuje otvor s pripojenou hadicou na vrchu nádrže, vybíjanie je otvor v spodku batérie. Oba majú samozrejme ventil, takže v prípade, že sa nenabíja (nevybíja) tak sú ventily zavreté. Aby mal model zmysel tak na nabíjanie a vybíjanie použijeme otvor predstavujúci 10 % výšky batérie. A potom napätie predstavuje tlak vody v batérii. čím viac je nádrž plná, tým väčší tlak (napätie) pôsobí na vybíjaci otvor. Prúd akým sa nabíja a vybíja je v našom prípade skutočný vodný prúd – rýchlosť s akou sa voda do nádrže voda leje. Jednoducho predstaviteľné – 1 l/h naplní 100 l nádrž za 100 hodín. Ak chceme nádrž naplniť rýchlejšie musíme zvýšiť rýchlosť vody – napr. 10 l/h. Čas naplnenia nádrže sa skráti na desatinu (10 hodín).

Batéria (nádrž) je uzavretá, takže sa z nej voda nevyleje, ani sa neodparuje. Na vrchu niektorých typov batérií je, tak ako v prípade našej nádrže. potreba mať ventil, lebo v procese nabíjania a vybíjania chemická reakcia zvyšuje tlak v batériách. V našom príklade je v čiastočne naplnenej nádrži vzduch. Pri vybíjaní sa musí zvyšná časť nádrže plniť vzduchom, pri nabíjaní sa zasa vzduch musí z nádrže vypustiť. Čím rýchlejšie sa nádrž napúšťa, tým lepší musí ventil byť.

Kapacita batérie

Kapacita batérie by sa mala správne udávať v (kilo)Watthodinách – [kWh (Wh)]. Často je však udávaná v [Ah] – Ampérhodinách, keď sa predpokladá, že sa vie (alebo sa napíše) pri akom nominálnom napätí. Po vynásobení Ah a napätia dostanete kapacitu v Watthodinách. V našom príklade má nádrž kapacitu v litroch – 100 l. To je nominálna kapacita batérie.

Nádrž má však tú necnosť, že sa na jej stenách usádza vodný kameň, na dne sa usádzajú nečistoty, ktoré prišli s vodou a steny postupne korodujú. Toto všetko zmenšuje nominálnu kapacitu a po niekoľkých rokoch už nádrž nemá svoju nominálnu kapacitu, ale postupne sa zmenšuje. Samozrejme niektoré usadeniny vieme z nádrže vypláchnuť rýchlym vypustením a opätovným napustením (vybitie a nabitie). Avšak na niektoré usadeniny to nebude mať vplyv.

Hĺbka vybitia – DoD

Toto je jeden zo “zákerných” parametrov, ktorý som si nevedel vysvetliť. Ale je vlastne jednoduchý. Niektoré nádrže sa prosto nesmú vypustiť úplne. Musí v nich niečo zostať tak, aby sa systém nezrútil a vedel fungovať. V závislosti od technológie batérie sa aj hĺbka možného a fyzicky maximálne možného vybitia značne líši.

Iným príkladom DoD v reálnom živote je minimálny zostatok na bankovom účte. Často to je okolo 20 €. A darmo že na účte máte napr. 100 € – bankomat vám dá iba 80 €. V tomto prípade je “hĺbka vybitia” iba 80 %.

Navyše u niektorých typov nemá DoD ostrú hranicu. Niektoré typy vieme vybiť opakovane na 100%. Iné potrebujú zostať nabité aspoň na 20 % aby vedeli ďalej fungovať. U niektorých sa životnosť predlžuje ak sa vybíjajú “len” trochu. Pri DoD si treba uvedomiť, že aj tento parameter má viac využití (vysvetlení). Môžme hovoriť o dosiahnuteľnej hĺbke vybitia, za touto hranicou hrozí nenávratné poškodenie batérie. Ale ešte je aj rozumne využiteľná hĺbka vybitia. To je parameter značne zviazaný so životnosťou batérie. A zasa – u rôznych technológií sú tieto parametre rôzne nastavené. U kyselino-olovenej (lead-acid, ďalej pre jednoduchosť prosto olovená) batérie je dosiahnuteľné DoD na úrovni 80 %. Avšak využiteľné DoD sa pohybuje v rozmedzí medzi 40 až 50 %. Pri hlbšom vybíjaní sa batéria nezničí, len sa prudko znižuje jej životnosť (viac v príslušnom parametri). U Li-ion a LiFePo4 sú tieto hranice v podstate rovnaké.

O to koľko v batérii (v našom modeli nádrži) zostane sa musí postarať obsluha – volá sa Battery Management System (BMS).

Battery Management System (BMS)

Viaceré “klasické” typy batérií sú vlastne len obyčajné nádrže a stráženie parametrov je ponechané na vonkajšiu “obsluhu”. Takéto batérie budem pre tento článok nazývať “hlúpe“. Do olovenej batérie sa musí nabíjačka (obsluha) rozhodnúť akým prúdom bude nabíjať, to isté platí aj o vybíjaní – vypúšťaní. Je to na vonkajšej obsluhe akou rýchlosťou vypúšťa vodu (vybíja) a koľko z nádrže vody vypustí. Obsluha má pri sebe návod s upozornením, že pokiaľ vypustí priveľa vody, nádrž môže prestať fungovať. Ale vonkajšia obsluha môže zaspať a potom sa nádrž sa vypustí úplne. Keď hlúpu batériu skratujete, ona sa prosto vybije maximálnym možným prúdom a vybije sa úplne – zničí sa. V našom prípade je skrat niečo ako keby sa jedna stena nádrže otvorila. Voda sa nenávratne stratí a stena sa už nezatvorí. Bez vonkajšej obsluhy to nádrž ale ani nevie, že je vybitá a zničená. To je prosto vec obsluhy. Medzi tieto typy patria všetky klasické batérie založené na kyseline a olove – autobatérie, AGM, gélové, ale aj napr. LiFePo4.

Iné druhy batérií sa dodávajú aj obsluhou (BMS) – ale je to len základná obsluha, ktorá nedovolí prekročiť medzné parametre. Takýto typ batérií si treba predstaviť ako nádrž ešte v jednom obale. Vo vzniknutom priestore je “obsluha”, ktorá kontroluje viaceré parametre. V prípade, že nádrži hrozí poškodenie – prekročenie medzných parametrov – batériu prosto odpojí od vonkajšieho sveta, tak aby ju chránilo. Prakticky všetky Li-ion batérie musia mať  nejaký BMS zabudovaný, nakoľko pri prekročení medzných parametrov hrozí nielen samotné poškodenie batérie, ale poškodenie s vonkajším (katastrofickým) efektom – výbuch, alebo oheň.

Využiteľná kapacita batérie

Ako vidno z predchádzajúceho odseku, tak skutočná využiteľná kapacita sa líši od typu batérie. Pri návrhu systému s batériou je toto ďaleko podstatnejší parameter ako nominálna kapacita. Nominálnu kapacitu potrebujete maximálne tak pre administratívne účely (udáva sa napr. pri podpore Zelená domácnostiam), ale pri plánovaní nasadenia vám je tento parameter nanič. Potrebujete vedieť koľko skutočne môžte energie využiť. Tomuto parametru sa hovorí “Využiteľná kapacita batérie“.

V niektorých údajových listoch takýto parameter aj nájdete. Najmä u takých, ktoré majú zabudované pokročilé BMS. Napr. väčšina Li-ion batérií majú povolenú a využiteľnú hĺbku vybitia 80 % a teda môžte rátať s tým, že skutočne aj tých 80 % z batérie zakaždým dostanete. Avšak pri olove je rozumné plánovať využiteľnú kapacitu menej ako 50 %. Pre dosiahnutie dobrej životnosti dokonca iba na 33 % nominálnej. Inými slovami, aby ste dosiahli 10 kWh uskladňovacej kapacity batérie potrebujete inštalovať  trikrát viac batérií – 30 kWh. A to už predstavuje značné zväčšenie priestoru a investícií.

Pokračovanie v ďalšom dieli

Článok sa akosi rozrastá do priveľmi veľkej dĺžky. Tak pre zachovanie čitateľnosti vám teraz nechám priestor na “vstrebanie” napísaného. V ďalšom pokračovaní si povieme viac o parametroch: Počet nabíjacích cyklov, Nabíjací cyklus, Rýchlosť nabíjania a vybíjania – C-rate, Stav nabitia – SoC, Pracovná a uskladňovacia teplota, Možnosť a dĺžka byť v nenabitom stave a Samovybíjanie.

A v závere dodám niektoré praktické rady pre návrh systému s batériami.

Malé upozornenie na záver aj tejto časti: pokúsim sa o “laické” vysvetlenie. To samozrejme prináša mierne zjednodušenia a nie vždy úplne presne vysvetľuje niektoré detaily. Dôležitejšie je pochopiť celok a jednotlivosti rôznych druhov si potom už ľahšie pohľadáte.

Pripomienky a dotazy sú vítané v komentároch pod týmto textom.