Järjestelmän komponentit

Aurinkosähköakuston toimintaan liittyviä komponentteja on useita, yhteisenä tarkoituk-senaan mahdollistaa energiavaraston turvallinen käyttö ja mahdollisimman energiateho-kas hyödyntäminen. Aurinkosähköjärjestelmän yhteydessä olevan energiavaraston toi-mintaa voidaan kuvata yksinkertaistetusti kuvan 2 mukaisella tavalla.

Kuva 2. Aurinkosähköjärjestelmän periaatekaavio [25].

Kuvasta 2 käy ilmi aurinkosähköakuston periaatteellinen toiminta. Kuvassa termillä PV tarkoitetaan järjestelmän yhteydessä olevaa aurinkosähköjärjestelmää (engl. Photovol-taic), joka on energiavaraston vaatiman varausvirran pääasiallinen lähde. Pääsääntöi-sesti aurinkosähköjärjestelmä tuottaa energiaa käyttökohteen kulutuksen tarpeeseen,

jolloin energiavaraston varaustilassa ei tapahdu muutoksia. Ajanhetkinä, jolloin järjestel-män energiantuotanto on suurempi kuin itse käyttökohteen kulutus, käytetään ylimääräi-nen tuotanto energiavaraston varaamiseksi. Vastaavasti energiavaraston varausta pu-retaan kohteen kulutuksen käyttöön ajanhetkinä, jolloin kulutus on tuotantoa suurempi.

Tämä sillä oletuksella, että energiavarastossa on varausta jäljellä. Joissain aurinkosäh-köakusto -ratkaisuissa myös akun varaaminen ulkoisen sähköverkon välityksellä on mahdollista. Kuvassa 2 energian varastointielementillä tarkoitetaan tässä tapauksessa sähkökemiallista akkua, ja energian muunnos elementillä taas tasa- ja vaihtosuuntaajia.

Kuvassa 2 on myös esitettynä energiavaraston komponenttien epäideaalisuuksista ai-heutuvat energiahäviöt.

Sähkökemiallisen energiavaraston oman toiminnan ja turvallisuuden kannalta tärkein jär-jestelmäkomponentti on akun hallintajärjestelmä eli BMS (engl. Battery Management System). Akun hallintajärjestelmän pääasiallisena tehtävänä on seurata akun tilaa, ja reagoida sen toimintaan vaikuttavien suureiden muutoksiin vaadittavalla tavalla. Litiuma-kun operatiivisille ominaissuureille, kuten esimerkiksi kennolämpötilalle ja varaukselle, on asetettu tietyt turvallisen toiminnan rajat eli SOA (Safe Operating Area). Määritettyjen rajojen ylittymisen tai alittumisen seuraukset vaihtelevat aina kennon eliniän heikkene-misestä vakaviin paloturvallisuusriskeihin. Esimerkiksi kennon varaaminen yli tietyn raja-arvon tai varauksen päästäminen liian alhaiseksi voi vahingoittaa kennoa fyysisesti. Sa-moin kennon purkaminen tai varaaminen määritettyjen lämpötilarajojen ulkopuolella vai-kuttavat merkittävästi kennon elinikään. Myös kennon purkaminen tai varaaminen liian suurella virralla voi vahingoittaa kennoa ja heikentää sen elinikää. [24]

Litiumakun hallintajärjestelmän eri tehtäviä ja toimintoja voidaan havainnollistaa kuvassa 3 esitetyn yksinkertaisen kaavion avustuksella.

Kuva 3. Litiumakun hallintajärjestelmän toimintokaavio [24].

Kuvassa 3 laatikon sisäpuoli kuvaa akun hallintajärjestelmän toimintoja ja tehtäviä, ener-giavarastolla tarkoitetaan tässä tapauksessa sähkökemiallista akkua, ja ulkoinen järjes-telmä käsittää esimerkiksi akkua varaavaan aurinkosähköjärjesjärjes-telmän, sekä ulkoiset kuormat ja sähköverkon. [24]

Akun hallintajärjestelmän ensimmäisenä tehtävänä on kerätä mittausdataa suoraan energiavarastolta. Tyypillisesti dataa kerätään ainakin kennojännitteiden, yksittäisten kennojen lämpötilan, sekä koko energiavaraston virran osalta. Kennojännite mitataan jokaisen yksittäisen kennon osalta, joissain BMS ratkaisuissa mitataan myös kokonais-jännite, toisissa se vain lasketaan yksittäisten kennojännitteiden perusteella. Energiava-raston käyttökohteesta riippuen, mittausdataa voidaan kerätä esimerkiksi minuutin tai 10 sekunnin välein. Tällainen mittaustaajuus on riittävä esimerkiksi varaenergialähteenä toi-mivien akkujen yhteydessä, tai aurinkosähkön energiavarastoissa. Vähintään yksi mit-taus sekunnissa vaaditaan käyttökohteissa, joissa virran arvo vaihtelee nopeasti. Tällai-nen mittaustaajuus vaaditaan esimerkiksi ajoneuvojen yhteydessä. Energiavaraston lämpötilaa mitataan yleensä joko akkutasolla, tai sitten yksittäisten kennojen osalta. Ken-nokohtainen lämpötilan seuraaminen on akun turvallisuuden ja eliniän kannalta parempi vaihtoehto, mutta nostaa investointikustannuksia merkittävästi, sillä lämpötila-antureita tarvitaan useampia. Virran osalta mitataan tyypillisesti vain energiavaraston kokonaisvir-taa, jonka avulla pystytään määrittämään akun sisäinen resistanssi. Samalla varmiste-taan akun purkaus- ja latausvirran pysyminen määrättyjen raja-arvojen sisällä. Koska akun sisältämät kennot ovat sarjaan kytkettynä, on niiden läpi kulkeva virta myös sama, jolloin vain yksi mittauskohta on riittävä. Energiavaraston virtaa mitataan tyypillisesti joko

antureiden tai resistiivisyydeltään pienen shunttivastuksen avulla. Kennojen sisäisen im-pedanssin määrittämiseksi, tulee hallintajärjestelmän suorittamat virta- ja jännitemittauk-set suorittaa synkronisesti, jotta arvot vastaavat ajanhetkiltään toisiaan. [23, 24]

Sähkökemiallisen akun BMS -komponentti hallitsee energiavarastoa keräämänsä mit-tausdatan ja sille asetettujen turvallisen toiminnan rajojen puitteissa. Kerätyn mittausda-tan perusteella hallintajärjestelmä suojelee ja tasapainottaa akkua. Kennoille on asetettu raja-arvot jatkuvan purkamis- ja varausvirran osalta, sekä raja-arvot niiden huippuar-voille. Hallintajärjestelmä vertaa keräämäänsä mittausdataa kyseisiin arvoihin, ja tarvit-taessa rajoittaa virran kulkua tai katkaisee sen kokonaan. Myös kennojännitteet pidetään asetettujen rajojen sisällä virran arvoa säätelemällä. Osaltaan myös kennojen lämpötilaa voidaan säädellä purkamis- tai varausvirtaa rajoittamalla, mutta joissain sovelluksissa käytetään myös aktiivista lämmitystä ja viilennystä. Usein akuissa on passiivisia tasapai-notukseen tarkoitettuja kuormia, jotka alkavat lämmittää energiavarastoa kun niihin oh-jataan virtaa. Samoin energiavarastojen yhteydessä olevia tuulettimia voidaan tarvitta-essa säätää päälle ja pois viilennystarpeen perusteella. [23, 24]

Energiavaraston tasapainottaminen on yksi akun hallintajärjestelmän tärkeistä tehtä-vistä, jolla varmistetaan että jokaisen yksittäisen kennon varaustilanne on sama. Jos osassa akun kennoista on eri varaus kuin toisissa, jää osa kennojen täydestä potentiaa-lista hyödyntämättä. Tämä johtuu siitä, että kennojen varausta seurataan yksittäisen kennon tasolla, ja jos yhden kennon varaus pääsee sallitulle DOD -rajalle, alkaa hallin-tajärjestelmä rajaamaan ja lopulta katkaisemaan akun purkamisvirtaa, vaikka muissa kennoissa varausta olisikin vielä jäljellä. Akun katsotaan olevan tasapainossa, kun tie-tyllä ajanhetkellä kaikkien sen yksittäisten kennojen kennojännite on yhtä suuri. Tyypilli-sin lähestymistapa kennojen tasapainottamiseen on akun varaushetkellä. Kun suuri osa kennoista saavuttavat täyden varauksensa, mutta jotkin yksittäiset kennot eivät ole sitä vielä saavuttaneet, osa täysien kennojen varauksesta johdetaan kennon sisäisiin passii-visiin kuormiin, jossa se muuttuu lämmöksi. Tätä prosessia jatketaan kunnes kaikki ken-not ovat saavuttaneet täyden varauksensa, ja niiden keskinäiset kennojännitteet ovat yhtä suuret. [24]

Mittaamansa datan perusteella akun hallintajärjestelmä pystyy laskemaan ja arvioimaan tiettyjä energiavaraston tilan kannalta merkityksellisiä suureita. Nämä arvot ovat lähinnä olennaisia käyttäjän kannalta, eikä niitä suoraan käytetä itse energiavaraston toimintoi-hin. Kuva 4 havainnollistaa mitä parametrejä akun hallintajärjestelmä tyypillisesti kerätyn mittausdatan perusteella muodostaa.

Kerätyn jännite-, virta- ja lämpötiladatan lisäksi akun hallintajärjestelmä saa tiedon akun tilasta aktivointi- ja erotus-/liittämissignaalien välityksellä (engl. Interlock signal), joiden avulla hallintajärjestelmä tietää onko akku aktiivisena vai valmiustilassa, sekä jos akku on aktiivisena, niin puretaanko vai varataanko sitä. Tämä tieto välitetään edelleen eteen-päin myös käyttäjälle. Kerätty data muutetaan käyttäjäystävällisempään muotoon, ja esi-merkiksi akun varaustilanne eli SOC (engl. State Of Charge) ilmoitetaan prosentteina akun nimellisiin ominaisuuksiin verrattuna. [23, 24]

Akun hallintajärjestelmä vastaa myös kommunikoinnista energiavaraston ja ulkoisen jär-jestelmän välillä. Jotta energiavarasto pystyy suorittamaan sille tarkoitettua tehtävää, tu-lee ulkoisen järjestelmän tietää, milloin akussa on hyödynnettävissä olevaa varausta ja vastaavasti milloin akun varausta voidaan lisätä. Akun hallintajärjestelmän taas tulee tie-tää, milloin akusta on tarvetta purkaa energiaa, ja kuinka suurelle määrälle energiaa on kulloinkin tarvetta. Kaikki tämä kommunikointi järjestelmien välillä on jatkuva-aikaista, ja eri toimenpiteitä vaativat tehtävät tulisi tapahtua mahdollisimman pienellä viiveellä. Kom-munikointi tapahtuu tyypillisesti joko suoran datakaapelin välityksellä, tai langattomasti datalinkkien avulla. Kommunikointi voi tapahtua esimerkiksi Ethernetin kautta paikalli-sessa lähiverkossa eli LAN:issa (engl. Local Area Network) tai RS-232 kommunikaati-ostandardin mukaisessa suorassa ja pysyvässä datakaapeliyhteydessä. Aurinkosähkö-akuston tapauksessa akun hallintajärjestelmä kommunikoi itse aurinkosähköjärjestel-män kanssa tyypillisesti järjestelmään liitetyn vaihtosuuntaajan eli invertterin välityksellä, jolloin järjestelmät tietävät, milloin akkua voidaan aurinkosähkön avulla varata. Vastaa-vasti hallintajärjestelmä keskustelee itse käyttökohteen kanssa esimerkiksi AC-sensorin välityksellä, jolloin tiedetään, milloin akkua tulee purkaa tai varata. [23, 24]

Akun hallintajärjestelmän viimeisenä tehtävänä on kirjata keräämänsä mittausdata ja sen perusteella lasketut parametrit ulkoiseen muistiin. Ulkoisen muistin käyttäminen on huomattavasti kapasiteetiltaan kustannustehokkaampaa, kuin datan säilyttäminen itse Kuva 4. Litiumakun hallintajärjestelmän muodostamat parametrit [23].

hallintajärjestelmän muistissa. Tyypillisesti data kerätään joko fyysisesti järjestelmän lä-heisyydessä sijaitsevaan dataloggeriin, tai tallennetaan johonkin etäämpänä sijaitsevaan kohteeseen kuten esimerkiksi pilvipalveluun. Usein akkujärjestelmien toimittajilla on luo-tuna järjestelmän yhteyteen erilaisia käyttöliittymiä, joiden yhteydessä myös kerätty data säilytetään. [24]

Akun hallintajärjestelmän toteutustapoja on erilaisia käyttötarkoituksesta riippuen. Eri hallintajärjestelmiä voidaan jakaa kategorioihin niiden sisältämien toimintojen, käytetyn teknologian, topologian ja tasapainottamiseen liittyvien ominaisuuksien perusteella. Yk-sinkertaisimmillaan akun hallintajärjestelmä voi olla niin sanottu CCCV -laturi, jonka ly-henne tulee englanninkielisestä ilmaisusta constant current constant voltage, eli siis va-kiovirta vakiojännite. Laturi varaa akkua asetetulla vakiovirralla ja kun akun jännite saa-vuttaa asetetun vakioarvon, akun varaaminen tiedetään lopettaa. Tämän tyylinen hallin-tajärjestelmä ei kuitenkaan itsessään sisällä keinoja kennojen ylivaraamisen tai -purka-misen ehkäisemiseksi, eikä CCCV -laturi myöskään kykene kennojen tasapainottami-seen. Toiminnallisten puutteidensa takia, CCCV -laturi vaatisi siis tuekseen muita kom-ponentteja puuttuvia toimintoja suorittamaan. Yksinkertaisissa käyttökohteissa voidaan käyttää hallintajärjestelmänä säädintä (engl. Regulator), joka ei itsessään sisällä akun suojaustoimintoja ylivaraamisen tai -purkamisen osalta, mutta sen avulla akun kennoja pystytään tasapainottamaan. Valvoja -hallintajärjestelmätekniikka (engl. Monitor) lisää toimintoihin suojauksen, mutta ei tasapainottamista. Tasapainottaja -hallintatekniikka (engl. Balancer) sisältää jonkin verran suojausta, sekä kennojen tasapainottamisominai-suuden. Kattavin akun hallintajärjestelmätekniikoista on niin sanottu suojelija (engl. Pro-tector), joka kattaa kaikki aiemmin mainitut hallintajärjestelmän ominaistoiminnot. [24]

Akun hallintajärjestelmät voidaan jakaa myös analogisiin ja digitaalisiin toteutustekniikoi-hin. Analogisia järjestelmiä voidaan käyttää yksinkertaisimmissa sovelluksissa, joissa tarvittavan informaation määrä akun ja hallintajärjestelmän välillä on pieni. Monimutkai-semmissa ja kehittyneemmissä sovelluskohteissa käytettävät hallintajärjestelmät ovat ainakin osittain digitaalisia. Esimerkiksi kennojännitteet voidaan mitata analogisesti, mutta analogiset signaalit ohjataan multiplekserin kautta A/D -muuntimelle (engl. Analog-to-Digital), jonka avulla kerätty tieto saadaan digitaaliseen muotoon. Myös telmien topologioissa voi olla eroja käyttökohteesta riippuen. Keskitetyssä hallintajärjes-telmätyypissä yksi BMS seuraa kaikkien kennojen toimintoja, jolloin kokonaisuus on kompakti ja kustannustehokas. Modulaarisessa järjestelmässä akun kennojen valvonta on jaettu kahden tai useamman hallintajärjestelmäyksikön välille, jotka taas ovat

kom-munikaatioyhteydessä keskenään. Tämä hallintajärjestelmä -topologia on kustannuksil-taan suurempi kuin keskitetty, mutta realistisempi toteutustapa sovelluksissa, joissa ken-noja on esimerkiksi kymmeniä tai satoja. Master-Slave -hallintajärjestelmätyyppi jakaa modulaarisen topologian tapaan kennot eri BMS -yksiköiden välille, mutta toteutusta-vassa on vielä lisäksi erillinen yksikkö, joka kokoaa eri hallintajärjestelmien keräämän datan yhteen käsittelemistä varten. Hajautettu hallintajärjestelmä topologia (engl. distri-buted) eroaa merkittävästi muista tekniikoista. Siinä kennojen sisältämä elektroniikka, kuten mittarit ja sensorit ovat tuotuna kennokotelon ulkopuolelle erilliselle piirilevylle, joka on kuitenkin suoraan yhteydessä itse kennoon. Nyt hallintajärjestelmä pystyy lukemaan dataa suoraan piirilevyiltä yksinkertaisen datayhteyden avulla. Hajautettu topologia pa-rantaa kerätyn datan luotettavuutta, mutta samalla nostaa investointikustannuksia mer-kittävästi. [24]