Скокове на тока в бате­рията

Диагно­стика и тър­сене на при­чината

Роман Рубанович

Отдавна се канех да про­веря реал­ния капа­ци­тет на бате­ри­ята SS4160 от ком­па­ни­ята Solar MD. Някои потен­ци­ални купу­вачи, виждайки ком­пакт­ните ѝ раз­мери, се съм­ня­ват, че декла­ри­ра­ният в доку­мен­та­ци­ята енер­гиен запас 16 kW·h отго­варя на дей­стви­тел­но­стта.

В бате­ри­ята се използ­ват лити­ево-желязо-фос­фатни (LiFePO₄ или LFP) клетки на най-голе­мия про­из­во­ди­тел в света — ком­па­ни­ята CATL. Всичко оста­нало е от Solar MD: инже­не­ринг, елек­тро­ника, соф­туер, дизайн на кор­пуса и сгло­бя­ване. Производ­стве­ните мощ­но­сти са раз­по­ло­жени в Южна Африка и България.

Докумен­та­ция

Удобен случай за про­верка се появи след сгло­бя­ва­нето на поред­ната система в нашата рабо­тил­ница, тъй като до изпра­ща­нето ѝ към обекта на въз­ло­жи­теля оста­ваше достатъчно време.

Тестова система в рабо­тил­ни­цата

При под­го­тов­ката за теста мон­ти­рах между бате­ри­ята и инвер­тора неза­ви­сим измер­ва­те­лен SmartShunt от Victron и раз­ре­ждах бате­ри­ята с рав­но­ме­рен ток около 55 A на DC стра­ната.

Victron Energy SmartShunt

В този момент забе­ля­зах нещо странно. Три раз­лични източ­ника — SmartShunt, инвер­торът и токо­из­мер­ва­тел­ните клещи — показ­ваха ста­билни и почти една­кви стой­но­сти на тока, докато систе­мата за управ­ле­ние на бате­ри­ята (BMS) пре­да­ваше по CAN-шината ска­чащи пока­за­ния: 52, 68, 43, 65 ампера...

Данните от BMS скачат, SmartShunt е ста­би­лен

Подобна ситу­а­ция имаше и при заре­ждане на бате­ри­ята с рав­но­ме­рен ток (инвер­торът MultiPlus-II има вгра­дено зарядно устрой­ство). Системата при това рабо­теше нор­мално, без ника­кви грешки, но дан­ните за тока (и съо­т­ветно за мощ­но­стта) от BMS изглеж­даха в систе­мата за мони­то­ринг така, сякаш товарът посто­янно се про­меня:

Зареждане на бате­ри­ята с ток ~32 A

Наложи се да отложа про­вер­ката на капа­ци­тета на бате­ри­ята и да се заема с тър­сене на при­чи­ните за това странно пове­де­ние.

Диагно­стика

Първата ми версия беше про­блем с плат­ката BMS. Ако тя обра­ботва неко­ректно сиг­нала от измер­ва­тел­ния шунт на бате­ри­ята, тогава и дан­ните по CAN-шината ще бъдат непра­вилни.

В петък вечерта съоб­щих за това на Камен от под­дръж­ката на Solar MD и още в събота сут­ринта куриер ми достави нова BMS. Веднага смених плат­ката, а Камен я акти­вира дистан­ци­онно чрез логера на Solar MD. Батери­ята зара­боти, но ско­ко­вете на тока оста­наха.

Втората ми версия беше про­блем с измер­ва­тел­ния шунт вътре в бате­ри­ята или с про­вод­ника от него към плат­ката BMS. Свалих защит­ния панел, про­ве­рих шунта, про­вод­ника и кон­так­тите — всичко изглеж­даше нор­мално.

Измерва­те­лен шунт на бате­ри­ята Solar MD

Измерих с мул­ти­метър пада на напре­же­ние както върху самия шунт (той трябва да е про­пор­цио­на­лен на тока, който про­тича през шунта), така и между кон­так­тите на конек­тора «Shunt» на BMS. Показа­ни­ята бяха една­кви и ста­билни, докато дан­ните за тока, пре­да­вани по CAN-шината, посто­янно се про­ме­няха.

Обърнах вни­ма­ние, че на плат­ката, вед­нага след гнез­дото за шунта, е раз­по­ло­жен RC-филтър. Вероятно той е пред­на­зна­чен за потис­кане на сму­ще­ния, а не за усред­ня­ване на такива пул­са­ции.

RC-филтър на BMS плат­ката

За всеки случай напра­вих про­вод­ника между шунта и плат­ката като усу­кана двойка и го пре­ка­рах отделно от оста­на­лите про­вод­ници, за да изключа сму­ще­ния. Нищо не се про­мени.

Провод­ник между шунта на бате­ри­ята и BMS плат­ката

Преди да пре­мина към след­ва­щия етап, напра­вих още няколко про­верки и внесох про­мени в сило­вото ока­бе­ля­ване, за да изключа въз­мож­ното вли­я­ние на спе­ци­фи­ката на тесто­вата уста­новка.

Пулсации на тока на DC стра­ната

След това вклю­чих осци­ло­скоп в DC режим към шунта на бате­ри­ята и видях пул­си­ращ сигнал с честота 100 Hz, близък по форма до сину­со­ида, което изглежда напълно логично, когато бате­ри­ята захранва едно­фа­зен инвер­тор. При това сред­ната стой­ност на пада на напре­же­ние върху шунта при фак­ти­че­ски ток около 55 A беше при­бли­зи­телно 10 mV, а момент­ните стой­но­сти се коле­ба­еха от 0 до ~20 mV. Това озна­чава, че фак­ти­че­ският ток на DC стра­ната се про­ме­няше от 0 до ~110 A сто пъти в секунда.

Пулсиращ ток на DC стра­ната

По прин­цип това е нор­мално. Инверторът пре­об­ра­зува посто­я­нен ток (DC) в про­мен­лив (AC) с честота 50 Hz. Във всеки период на про­мен­ли­вия ток има два полу­пе­ри­ода — поло­жи­те­лен и отри­ца­те­лен, а между тях напре­же­ни­ето и токът пре­ми­на­ват през нула, макар и не винаги едновре­менно, което зависи от харак­тера на товара. Момент­ната мощ­ност е равна на про­из­ве­де­ни­ето на напре­же­ни­ето и тока, затова в едно­фазна система тя пул­сира с удво­ена честота.

Инверторът пре­дава тази пул­си­раща мощ­ност между AC стра­ната и бате­ри­ята. При това напре­же­ни­ето на бате­ри­ята остава отно­си­телно ста­билно, а токът се про­меня на вълни със същата честота — 100 Hz. Получава се пул­си­ращ посто­я­нен ток.

❗Важно е да не се бърка пул­са­ци­ята на тока с пул­са­ци­ята на напре­же­ни­ето на DC шината. Пулсира­щият ток на DC стра­ната на едно­фа­зен инвер­тор сам по себе си е нор­ма­лен, докато забе­ле­жи­мите коле­ба­ния на DC напре­же­ни­ето под товар — това вече е про­блем, който Victron нарича «High DC ripple». Обикно­вено той показва недо­статъчно сече­ние на про­вод­ни­ците, лош кон­такт или друго слабо място в сило­вата верига.

Аналогична кар­тина осци­ло­ско­път показа и върху шунта Victron. Изглежда, че инвер­торът и SmartShunt коректно усред­ня­ват дан­ните, докато BMS пре­дава по CAN-шината стой­но­сти, близки до момент­ните, като всеки път попада в раз­лични точки на сину­со­и­дата.

Възниква въпро­сът: защо в дру­гите ни системи с бате­рии Solar MD няма такъв про­блем?

Сравне­ние с други системи

ⓘ Всички наши инста­ла­ции, освен тесто­вата, про­ве­ря­вах чрез дистан­ци­он­ното управ­ле­ние Victron (VRM), без да имам въз­мож­ност да свържа мул­ти­цет, токови клещи или осци­ло­скоп.

Първо зада­дох рав­но­ме­рен заря­ден ток в едно­фазна система с една бате­рия SS4160 и инвер­тор MultiPlus-II 5 kV·A. Подобни коле­ба­ния на тока в дан­ните от BMS, пре­да­вани по CAN-шината, имаше и там, но бяха по-слабо изра­зени:

Оранже­вите линии са данни от BMS

Сравне­ни­ето е полезно, но не напълно коректно: в тесто­вата система инвер­торът е два пъти по-мощен — 10 kV·A. Освен това на обекта имаше соб­ствен товар, чийто харак­тер можеше да влияе върху ампли­ту­дата на пул­са­ци­ите. Фърмуерът на BMS в двете бате­рии беше една­къв — v214.

След това про­ведох ана­ло­гични тестове в три­фазни инста­ла­ции с кон­фи­гу­ра­ции «две бате­рии + три инвер­тора по 8 kV·A» и «три бате­рии + три инвер­тора по 10 kV·A». В тези системи дан­ните за тока от BMS се ока­заха зна­чи­телно по-ста­билни.

Това изглежда логично, тъй като три­фаз­ните инвер­торни системи рабо­тят по-меко с шината за посто­я­нен ток. Пулсаци­ите на момент­ната мощ­ност по фазите частично се ком­пен­си­рат и токът на DC стра­ната се полу­чава зна­чи­телно по-рав­но­ме­рен. При симет­ри­чен товар ком­пен­са­ци­ята става почти пълна.

Като цяло, срав­не­ни­ето отново не беше напълно коректно. Започнах да търся сред нашите системи кон­фи­гу­ра­ция, подобна на тесто­вата: «една бате­рия SS4160 + един инвер­тор MultiPlus-II 10 kV·A». Оказа се, че имаме точно такава. Проверих я и уста­но­вих, че в тази инста­ла­ция няма ника­кви про­блеми със ско­кове на тока по дан­ните от BMS. При това един­стве­ната ѝ прин­ципна раз­лика спрямо тесто­вата система е по-ста­рият фър­муер на BMS плат­ката — v208.

Предва­ри­телно може да се направи извод, че фър­му­ерът v214 не усред­нява достатъчно стой­но­стите на пул­си­ра­щия ток на DC стра­ната, пре­да­вайки по CAN-шината стой­но­сти, близки до момент­ните. В три­фаз­ните системи този про­блем се мас­кира по есте­ствен начин.

Резултат

Изпратих имейл до инже­не­рите на Solar MD с опи­са­ние на моя тест и с молба да срав­нят алго­рит­мите за усред­ня­ване на изме­ре­ния пад на напре­же­ние върху шунта във фър­му­е­рите v208 и v214. В отго­вора си те потвър­диха, че при­чи­ната за това пове­де­ние наи­стина е новият фър­муер на BMS, и обе­щаха да раз­гле­дат въз­мож­но­стта за про­мяна на алго­ритъма.

За мен този случай е инте­ре­сен с това, че стран­ните пока­за­ния в мони­то­ринга неви­наги озна­ча­ват неиз­прав­ност на обо­рудва­нето. Понякога при­чи­ната се оказва в начина, по който дан­ните се измер­ват, обра­бот­ват и пре­да­ват нататък. Батери­ята вече няколко месеца работи при кли­ента без ника­кви про­блеми.

Тествам системата на обекта