Rekuperacja w wciągniku linowym: dlaczego akumulator nigdy nie może być pełny

Co fizycznie zachodzi podczas opuszczania ładunku

Podczas opuszczania ładunku grawitacja napędza bęben linowy: silnik napędowy staje się generatorem i oddaje prąd z powrotem do obwodu pośredniego. Energia możliwa do odzysku wynika bezpośrednio z E = m · g · h: 500 kg na 200 m to około 0,27 kWh mechanicznych, a przy realistycznych sprawnościach przekładni, generatora i przetwornicy do akumulatora trafia około 60–75 % tej energii.

To brzmi niewiele — dopóki nie pomnoży się tego przez dziesiątki cykli dziennie. Każda odzyskana kilowatogodzina to kilowatogodzina, której silnik diesla nie musi dostarczyć.

Decydująca jest moc, nie ilość energii. Pień hamowany w kontrolowany sposób w ciągu kilku sekund chwilowo generuje około 6–12 kW mocy zwrotnej. Dla paka o pojemności 2–4 kWh odpowiada to chwilowym prądom ładowania rzędu 2C–4C — w impulsach, nieregularnie, w trakcie pracy. Właśnie te krótkie impulsy ładowania muszą być absorbowane przez dobór ogniw i system zarządzania akumulatorem (BMS) bez załamania akceptacji ładowania.

Dlaczego okno SoC nie może wynosić 100 %

Akumulator przy 100 % SoC nie ma wolnej pojemności ładowania. Napięcie ogniwa jest na górnej granicy (dla LFP około 3,65 V); BMS musi otworzyć ścieżkę ładowania, inaczej najsłabsze ogniwo zostanie przeładowane. Jeśli ją otworzy, przetwornica ma zablokowaną energię zwrotną i przełącza się na rezystor hamowania — rekuperacja jest anulowana. Dlatego pak nie jest celowo ładowany do pełna: okno pracy wynosi typowo 20–80 % SoC, start odbywa się przy około 75–80 %, tak aby pierwsza operacja opuszczania mogła natychmiast przyjąć energię.

Ponadto akceptacja ładowania i tak maleje wraz ze wzrostem SoC. Powyżej około 90 % SoC BMS wchodzi w ograniczenie napięcia i wyraźnie redukuje dopuszczalny prąd ładowania. Akumulator przy 60 % w pełni przyjmuje impuls rekuperacji; ten sam akumulator przy 92 % przyjmuje tylko ułamek. Zredukowane okno nie jest zatem kompromisem, lecz warunkiem koniecznym niezawodnego działania rekuperacji — a przy okazji chroni ogniwa, ponieważ wysokie wartości SoC są najsilniejszym pojedynczym czynnikiem starzenia się pojemności.

Dlaczego kwasowo-ołowiowe odpada i LFP pasuje

Akumulatory kwasowo-ołowiowe słabo przyjmują wysokie prądy ładowania. Ich akceptacja ładowania gwałtownie spada przy rosnącym SoC, a ładowanie impulsowe 1C–2C prowadzi do gazowania i przyspieszonego zużycia — impulsowy profil rekuperacji niszczy je w ciągu miesięcy. Ogniwa LFP natomiast tolerują trwały prąd ładowania 1C–2C, a w krótkich impulsach — więcej, w zależności od typu ogniwa, i prawie nie starzeją się przy częściowym cyklowaniu w środkowym oknie SoC. Płaskie plateau napięcia sprawia ponadto, że regulacja prądu ładowania jest przewidywalna, a próg thermal runaway wynoszący około 250 °C jest istotny w stromym terenie, gdzie usterka ogniwa nie jest ani szybko dostępna, ani możliwa do ugaszenia.

Projekt z MM Forsttechnik

W projekcie wciągnika linowego z MM Forsttechnik profil obciążenia był punktem wyjścia każdego doboru parametrów: zmienne ładunki, alpejski stromy teren, wiele operacji unoszenia i opuszczania w ciągu dnia roboczego. Parametrem krytycznym nie była pojemność, lecz zdolność do obsługi wysokich prądów w obu kierunkach w szybkiej kolejności — mocne uniesienie, a chwilę później pochłonięcie impulsu rekuperacji.

Hellpower Energy wybrała do tego projektu ogniwa LFP z wystarczającym trwałym prądem ładowania i zaprojektowała własny system zarządzania akumulatorem (BMS) z reakcją w milisekundach na przetężenie. Okno SoC jest celowo utrzymywane poniżej 100 %, tak aby zawsze był margines buforowy na kolejny impuls rekuperacji. BMS na bieżąco raportuje przetwornicy przez CAN, ile mocy ładowania pak może w danej chwili przyjąć; przetwornica odpowiednio reguluje swój prąd zasilania. Gdy nie ma dostępnego marginesu, rezystor hamowania przejmuje pracę — bezpieczeństwo przed sprawnością, w tej kolejności.