Скачки тока в батарее

Диагно­стика и поиск причины

Роман Рубанович

Давно соби­рался про­ве­рить реаль­ную ёмкость бата­реи SS4160 от ком­па­нии Solar MD. Некото­рые потен­ци­аль­ные поку­па­тели, глядя на её ком­пакт­ные раз­меры, сомне­ва­ются в том, что заяв­лен­ный в доку­мен­та­ции запас энер­гии 16 kW·h соот­вет­ствует дей­стви­тель­но­сти.

В бата­рее исполь­зу­ются литий-железо-фос­фат­ные (LiFePO₄ или LFP) ячейки круп­ней­шего в мире про­из­во­ди­теля — фирмы CATL. Всё осталь­ное — от Solar MD: инжи­ни­ринг, элек­тро­ника, софт, дизайн кор­пуса и сборка. Производ­ствен­ные мощ­но­сти рас­по­ло­жены в Южной Африке и Болгарии.

Докумен­та­ция

Удобный случай для про­верки предо­ста­вился после сборки оче­ред­ной системы в нашей мастер­ской, поскольку до её отправки на объект заказ­чика оста­ва­лось доста­точно вре­мени.

Тестовая система в мастер­ской

При под­го­товке к тесту я уста­но­вил между бата­реей и инвер­то­ром неза­ви­си­мый изме­ри­тель­ный SmartShunt от Victron и раз­ря­жал бата­рею рав­но­мер­ным током около 55 A на DC сто­роне.

Victron Energy SmartShunt

В этот момент я заме­тил кое-что стран­ное. Три разных источ­ника — SmartShunt, инвер­тор и токо­из­ме­ри­тель­ные клещи — пока­зы­вали ста­биль­ные и почти оди­на­ко­вые зна­че­ния тока, в то время как система управ­ле­ния бата­реей (BMS) пере­да­вала по CAN-шине ска­чу­щие пока­за­ния: 52, 68, 43, 65 ампер...

Данные BMS скачут, SmartShunt ста­би­лен

Аналогич­ная ситу­а­ция была и во время зарядки бата­реи рав­но­мер­ным током (инвер­тор MultiPlus-II имеет встро­ен­ное заряд­ное устрой­ство). Система при этом рабо­тала нор­мально, ника­ких ошибок, но данные по току (и, соот­вет­ственно, по мощ­но­сти) от BMS выгля­дели в системе мони­то­ринга так, будто нагрузка посто­янно меня­ется:

Зарядка бата­реи током ~32 A

Пришлось отло­жить про­верку ёмко­сти бата­реи и заняться поис­ком причин такого стран­ного пове­де­ния.

Диагно­стика

Моей первой вер­сией была про­блема с платой BMS. Если она некор­ректно обра­ба­ты­вает сигнал от изме­ри­тель­ного шунта бата­реи, то и данные по CAN-шине будут непра­виль­ными.

В пят­ницу вече­ром я сооб­щил об этом Камену из службы под­держки Solar MD и уже в суб­боту утром курьер доста­вил мне новую BMS. Я сразу же заме­нил плату, а Камен дистан­ци­онно акти­ви­ро­вал её через логгер Solar MD. Батарея зара­бо­тала, но скачки тока оста­лись.

Второй вер­сией была про­блема с изме­ри­тель­ным шунтом внутри бата­реи или с про­во­дом от него к плате BMS. Я снял защит­ную панель, про­ве­рил шунт, провод и кон­такты — всё выгля­дело нор­мально.

Измери­тель­ный шунт бата­реи Solar MD

Измерил муль­ти­мет­ром паде­ние напря­же­ния как на самом шунте (оно должно быть про­пор­цио­нально про­те­ка­ю­щему через шунт току), так и между кон­так­тами разъ­ёма «Shunt» на BMS. Показа­ния были оди­на­ко­выми и ста­биль­ными, в то время как данные о токе, пере­да­ва­е­мые по CAN-шине, посто­янно меня­лись.

Я обра­тил вни­ма­ние, что на плате, сразу после гнезда для шунта, рас­по­ло­жен RC-фильтр. Вероятно, он пред­на­зна­чен для подав­ле­ния помех, а не для усред­не­ния таких пуль­са­ций.

RC-фильтр на плате BMS

На всякий случай я закру­тил провод между шунтом и платой в витую пару и про­ло­жил его отдельно от осталь­ных про­вод­ни­ков, чтобы исклю­чить помехи. Ничего не изме­ни­лось.

Провод между шунтом бата­реи и платой BMS

Прежде чем перейти к сле­ду­ю­щему этапу, я сделал ещё несколько про­ве­рок и внёс изме­не­ния в сило­вую про­водку, чтобы исклю­чить воз­мож­ное вли­я­ние спе­ци­фики тесто­вой уста­новки.

Пульса­ции тока на DC сто­роне

Затем я под­клю­чил осцил­ло­граф в DC-режиме к шунту бата­реи и увидел пуль­си­ру­ю­щий сигнал с часто­той 100 Hz, близ­кий по форме к сину­со­иде, что выгля­дит вполне логично, когда бата­рея питает одно­фаз­ный инвер­тор. При этом сред­нее зна­че­ние паде­ния напря­же­ния на шунте при фак­ти­че­ском токе около 55 A состав­ляло при­мерно 10 mV, а мгно­вен­ные зна­че­ния коле­ба­лись от 0 до ~20 mV. Это озна­чает, что фак­ти­че­ский ток на DC сто­роне менялся от 0 до ~110 A сто раз в секунду.

Пульси­ру­ю­щий ток на DC сто­роне

В прин­ципе, это нор­мально. Инвертор пре­об­ра­зует посто­ян­ный ток (DC) в пере­мен­ный (AC) с часто­той 50 Hz. В каждом пери­оде пере­мен­ного тока есть два полу­пе­ри­ода — поло­жи­тель­ный и отри­ца­тель­ный, а между ними напря­же­ние и ток про­хо­дят через ноль, хотя и не всегда одновре­менно, что зави­сит от харак­тера нагрузки. Мгновен­ная мощ­ность равна про­из­ве­де­нию напря­же­ния и тока, поэтому в одно­фаз­ной системе она пуль­си­рует с удво­ен­ной часто­той.

Инвертор пере­даёт эту пуль­си­ру­ю­щую мощ­ность между AC сто­ро­ной и бата­реей. При этом напря­же­ние бата­реи оста­ётся отно­си­тельно ста­биль­ным, а ток меня­ется вол­нами с той же часто­той — 100 Hz. Получа­ется пуль­си­ру­ю­щий посто­ян­ный ток.

❗Важно не путать пуль­са­цию тока с пуль­са­цией напря­же­ния на DC-шине. Пульси­ру­ю­щий ток на DC сто­роне одно­фаз­ного инвер­тора сам по себе нор­ма­лен, в то время как замет­ные коле­ба­ния DC напря­же­ния под нагруз­кой — это уже про­блема, кото­рую Victron назы­вает «High DC ripple». Обычно она ука­зы­вает на недо­ста­точ­ное сече­ние про­вод­ни­ков, плохой кон­такт или другое слабое место в сило­вой цепи.

Аналогич­ную кар­тину осцил­ло­граф пока­зал и на шунте Victron. Похоже на то, что инвер­тор и SmartShunt кор­ректно усред­няют данные, тогда как BMS пере­даёт по CAN-шине зна­че­ния, близ­кие к мгно­вен­ным, каждый раз попа­дая в разные точки сину­со­иды.

Возникает вопрос: почему в других наших систе­мах с бата­ре­ями Solar MD такой про­блемы нет?

Сравне­ние с дру­гими систе­мами

ⓘ Все наши инстал­ля­ции, кроме тесто­вой, я про­ве­рял через уда­лён­ное управ­ле­ние Victron (VRM), не имея воз­мож­но­сти под­клю­чить тестер, токо­вые клещи или осцил­ло­граф.

Сначала я задал рав­но­мер­ный заряд­ный ток в одно­фаз­ной системе с одной бата­реей SS4160 и инвер­то­ром MultiPlus-II 5 kV·A. Похожие коле­ба­ния тока в данных BMS, пере­да­ва­е­мых по CAN-шине, там тоже при­сут­ство­вали, но были выра­жены слабее:

Оранже­вые линии — данные BMS

Сравне­ние полез­ное, но не пол­но­стью кор­рект­ное: в тесто­вой системе инвер­тор в два раза мощнее — 10 kV·A. Кроме того, на объ­екте была соб­ствен­ная нагрузка, харак­тер кото­рой мог влиять на ампли­туду пуль­са­ций. Прошивка BMS в обеих бата­реях была оди­на­ко­вая — v214.

После этого я провёл ана­ло­гич­ные тесты в трёх­фаз­ных инстал­ля­циях с кон­фи­гу­ра­ци­ями «две бата­реи + три инвер­тора по 8 kV·A» и «три бата­реи + три инвер­тора по 10 kV·A». В этих систе­мах данные по току от BMS ока­за­лись зна­чи­тельно более ста­биль­ными.

Это выгля­дит логично, поскольку трёх­фаз­ные инвер­тор­ные системы мягче рабо­тают с шиной посто­ян­ного тока. Пульса­ции мгно­вен­ной мощ­но­сти по фазам частично ком­пен­си­ру­ются, и ток на DC сто­роне полу­ча­ется зна­чи­тельно ровнее. При сим­мет­рич­ной нагрузке ком­пен­са­ция ста­но­вится почти полной.

В общем, срав­не­ние снова не совсем кор­рект­ное. Я начал искать среди наших систем кон­фи­гу­ра­цию, подоб­ную тесто­вой: «одна бата­рея SS4160 + один инвер­тор MultiPlus-II 10 kV·A». Оказалось, что у нас есть именно такая. Я про­ве­рил её и выяс­нил, что ника­ких про­блем со скач­ками тока по данным BMS в этой инстал­ля­ции нет. При этом един­ствен­ная её прин­ци­пи­аль­ная раз­ница по срав­не­нию с тесто­вой систе­мой — более старая про­шивка платы BMS — v208.

Предва­ри­тельно можно сде­лать вывод, что про­шивка v214 недо­ста­точно усред­няет зна­че­ния пуль­си­ру­ю­щего тока на DC сто­роне, пере­да­вая по CAN-шине мгно­вен­ные зна­че­ния. В трёх­фаз­ных систе­мах эта про­блема мас­ки­ру­ется есте­ствен­ным обра­зом.

Резуль­тат

Я отпра­вил имейл инже­не­рам Solar MD с опи­са­нием моего теста и прось­бой срав­нить алго­ритмы усред­не­ния изме­рен­ного паде­ния напря­же­ния на шунте в про­шив­ках v208 и v214. В ответе они под­твер­дили, что при­чи­ной такого пове­де­ния дей­стви­тельно явля­ется новая про­шивка BMS, и пообе­щали рас­смот­реть воз­мож­ность изме­не­ния алго­ритма.

Для меня этот случай инте­ре­сен тем, что стран­ные пока­за­ния в мони­то­ринге не всегда озна­чают неис­прав­ность обо­ру­до­ва­ния. Иногда при­чина ока­зы­ва­ется в том, как данные изме­ря­ются, обра­ба­ты­ва­ются и пере­да­ются дальше. Батарея уже несколько меся­цев рабо­тает у кли­ента без каких-либо про­блем.

Тестирую систему на объекте