يدمج نظام تخزين البطارية الممتد النطاق بنك البطارية الأساسي مع مولد مساعد يقوم بإعادة شحن البطارية أثناء التشغيل. يختلف هذا التكوين عن تخزين البطارية التقليدي لأن البطارية لا يتم تفريغها بالكامل أبدًا. يحافظ المولد على البطارية ضمن نطاق حالة الشحن المتوسط، عادةً من ثلاثين إلى سبعين بالمائة. قامت Injet HanCang بتطوير نظام أساسي ممتد لنظام تخزين البطاريات يعمل على تحسين التفاعل بين كيمياء البطارية والتحكم في المولد وإدارة الأحمال. تعرض هذه المقالة اعتبارات التصميم الخاصة بالبطارية، وبيانات دورة الحياة، وأمثلة للتطبيق.
البطارية هي المكون الأساسي لأي نظام تخزين بطارية ممتد النطاق. تختار شركة Injet HanCang كيمياء فوسفات حديد الليثيوم لجميع الأنظمة نظرًا لأربع خصائص. السمة الأولى هي دورة الحياة. عادةً ما تحقق خلايا فوسفات الحديد الليثيوم ما بين أربعة آلاف إلى ستة آلاف دورة للاحتفاظ بقدرتها بنسبة ثمانين بالمائة، مقارنة بألفين إلى ثلاثة آلاف دورة لخلايا كوبالت النيكل والمنغنيز. السمة الثانية هي الاستقرار الحراري. ولا تخضع خلايا فوسفات الحديد الليثيوم للهروب الحراري حتى تتجاوز درجات الحرارة مائتين وسبعين درجة مئوية، مما يوفر هامش أمان أوسع. السمة الثالثة هي منحنى الجهد المسطح. يتغير الجهد ببطء مع حالة شحن تتراوح بين عشرين وثمانين بالمائة، مما يبسط خوارزمية الشحن. الخاصية الرابعة هي التركيبة الخالية من الكوبالت، مما يقلل من مخاطر سلسلة التوريد وتكلفة المواد. يقارن الجدول أدناه كيمياء البطارية لتطبيقات نظام تخزين البطارية الممتد. المعلمة ليثيوم فوسفات الحديد النيكل المنغنيز الكوبالت حمض الرصاص عمر الدورة إلى 80 بالمائة 4000 إلى 6000 دورة 2000 إلى 3000 دورة 500 إلى 1000 دورة كفاءة ذهابًا وإيابًا 92 إلى 95 بالمائة 90 إلى 93 بالمائة 75 إلى 85 بالمائة نطاق درجة حرارة التشغيل ناقص 20 إلى 60 درجة مئوية ناقص 10 إلى 55 درجة مئوية ناقص 40 إلى 50 مئوية كثافة الطاقة 120 إلى 160 واط ساعة لكل كيلوغرام 200 إلى 250 واط ساعة لكل كيلوغرام 30 إلى 40 واط ساعة لكل كيلوغرام التكلفة لكل كيلو واط ساعة 100 إلى 130 دولارًا 110 إلى 140 دولارًا 50 إلى 80 دولارًا نافذة حالة الشحن الموصى بها 20 إلى 80 بالمائة 30 إلى 70 بالمائة 50 إلى 80 بالمائة للنطاق الممتد تطبيقات نظام تخزين البطارية، يوفر فوسفات حديد الليثيوم أفضل توازن بين عمر الدورة والسلامة على الرغم من انخفاض كثافة الطاقة مقارنة بكوبالت النيكل والمنغنيز.
يتطلب تحديد حجم البطارية في نطاق نظام تخزين البطارية الممتد حسابات مختلفة عن تخزين البطارية المستقل. والفرق الرئيسي هو أن البطارية غير مطلوبة لتوفير الطاقة اليومية الكاملة. وبدلا من ذلك، توفر البطارية الطاقة بين عمليات تشغيل المولد. يستخدم Injet HanCang منهجية تحديد الحجم من خمس خطوات. تحدد الخطوة الأولى متوسط طاقة الحمل بالكيلووات. تحدد الخطوة الثانية الوقت المطلوب بين تشغيل المولد بالساعات. الخطوة الثالثة تضاعف طاقة التحميل في وقت التشغيل المطلوب للحصول على طاقة البطارية. تضيف الخطوة الرابعة مخزنًا مؤقتًا بنسبة ثلاثين بالمائة لقيود نافذة حالة الشحن. قم بالخطوة الخمس للوصول إلى أقرب حجم قياسي لوحدة البطارية. على سبيل المثال، يتطلب الموقع الذي يبلغ متوسط حمله مائة كيلووات وفترة تشغيل المولد المرغوبة البالغة أربع ساعات طاقة بطارية تبلغ أربعمائة كيلووات ساعة قبل المخزن المؤقت. إضافة ثلاثين بالمائة يعطي خمسمائة وعشرين كيلووات ساعة. أقرب حجم قياسي لوحدة Injet HanCang هو ستمائة كيلووات في الساعة. سيعمل المولد كل أربع ساعات تحت الحمل المتوسط، وسيعمل لمدة ساعة تقريبًا، وسيعيد شحن البطارية من ثلاثين إلى سبعين بالمائة في حالة الشحن.
يعمل نظام تخزين البطارية الممتد على إطالة عمر دورة البطارية عن طريق تجنب التفريغ العميق وحالة الشحن العالية. أجرت شركة Injet HanCang اختبار دورة الحياة بمقارنة ثلاثة أنظمة تشغيل. قام النظام الأول بتدوير البطاريات من حالة الشحن من عشرة بالمائة إلى تسعين بالمائة، مما يمثل تشغيل البطارية المستقل. تم تدوير النظام الثاني من ثلاثين بالمائة إلى سبعين بالمائة، وهو ما يمثل عملية ممتدة النطاق. تم تدوير النظام الثالث من أربعين بالمائة إلى ستين بالمائة، وهو ما يمثل عملية عدوانية ممتدة المدى. استخدمت جميع الاختبارات نفس خلايا فوسفات الحديد الليثيوم عند درجة حرارة محيطة تبلغ خمس وعشرين درجة مئوية. وأظهرت النتائج أن نظام العشرة إلى التسعين بالمائة وصل إلى ثمانين بالمائة من القدرة على الاحتفاظ بعد ثلاثة آلاف ومائتي دورة. ووصل نظام الثلاثين إلى السبعين بالمائة إلى ثمانين بالمائة بعد خمسة آلاف وأربعمائة دورة، أي بزيادة تسعة وستين بالمائة. نظام الأربعين إلى الستين بالمائة وصل إلى ثمانين بالمائة بعد ستة آلاف وثمانمائة دورة، أي أكثر من ضعف النظام المستقل. وبالتالي، يعمل نظام تخزين البطارية الممتد على مضاعفة عمر البطارية أو مضاعفته ثلاث مرات بشكل فعال مقارنة بالتشغيل المستقل. فحص اختبار إضافي تأثير معدل الشحن على دورة الحياة. عادةً ما يتم شحن نظام تخزين البطارية الممتد بمعدل C من خمسة إلى واحد. قارن الاختبار بين شحن النقطة الخامسة C وشحن C واحد خلال نافذة تتراوح من ثلاثين إلى سبعين بالمائة. حققت مجموعة الشحن ذات النقطة الخامسة C خمسة آلاف وستمائة دورة. حققت مجموعة الشحن C الواحدة خمسة آلاف دورة. يوفر الشحن الأبطأ فائدة دورة الحياة بنسبة اثني عشر بالمائة.
يتطلب تشغيل نظام تخزين البطارية الممتد النطاق إعدادات محددة لإدارة البطارية. الفكرة الأولى هي أن خوارزمية تقدير حالة الشحن يجب أن تأخذ في الاعتبار تموج تيار شحن المولد. تنتج مقومات المولدات مكونًا صغيرًا للتيار المتردد في ناقل التيار المستمر. يتسبب هذا التموج في حدوث أخطاء في القياس الحالي تصل إلى اثنين بالمائة. أضاف Injet HanCang مرشح تمرير منخفض إلى دائرة القياس الحالية، مما أدى إلى تقليل الخطأ إلى صفر فاصل ثلاثة بالمائة. الفكرة الثانية هي أن دائرة موازنة البطارية تعمل بشكل أقل تكرارًا في الأنظمة الممتدة المدى لأن البطارية تظل في منطقة الحالة المتوسطة للشحن حيث تكون جهود الخلية أكثر تجانسًا. يمكن جدولة الموازنة أسبوعيًا وليس بشكل مستمر، مما يقلل من استهلاك الطاقة من مقاومات الموازنة. الفكرة التقنية الثالثة لتصميم نظام تخزين البطارية الممتد هي أن الطلب على تبريد البطارية أقل مما هو عليه في الأنظمة المستقلة. تولد التفريغ العميق مزيدًا من الحرارة بسبب المقاومة الداخلية العالية عند حالة الشحن المنخفضة. ومن خلال تجنب التفريغ العميق، يؤدي التشغيل الموسع إلى تقليل متوسط درجة حرارة الخلية بمقدار ثلاث إلى أربع درجات مئوية. تقلل درجة الحرارة المنخفضة بشكل مباشر من معدل نمو واجهة الإلكتروليت الصلبة، مما يطيل عمر التقويم. قام Injet HanCang بقياس عمر التقويم عند خمس وأربعين درجة مئوية وأربعين درجة مئوية. أدى التخفيض بمقدار خمس درجات إلى تقليل القدرة على التلاشي بنسبة ثلاثين بالمائة على مدى ثمانية عشر شهرًا.
يمكن دمج نظام تخزين البطارية الممتد مع الطاقة الشمسية الكهروضوئية أو توليد طاقة الرياح. يضيف التكامل التعقيد لأن توليد الطاقة المتجددة متغير. قامت Injet HanCang بتطوير خوارزمية تحكم تعطي الأولوية للشحن المتجدد على شحن المولدات. عندما تتجاوز الطاقة الشمسية الطلب على الحمل، فإن الفائض يشحن البطارية. يبقى المولد متوقفا. عندما تكون الطاقة الشمسية غير كافية، تقوم البطارية بتعويض العجز. يبدأ تشغيل المولد فقط عندما تنخفض حالة شحن البطارية إلى أقل من ثلاثين بالمائة ومن المتوقع أن تكون الطاقة الشمسية منخفضة خلال الساعتين التاليتين. تُظهر البيانات المستمدة من نظام تخزين البطاريات الممتد الذي يعمل بالطاقة الشمسية في ولاية أريزونا فعالية هذا النهج. يحتوي الموقع على مجموعة شمسية بقدرة مائة وخمسين كيلووات، وبطارية ستمائة كيلووات في الساعة، ومولد بقدرة مائة وثمانين كيلووات. وعلى مدى اثني عشر شهرًا، وفّر المولد ثمانية بالمائة فقط من إجمالي الطاقة. تم توفير الطاقة الشمسية بنسبة اثنين وخمسين بالمائة. زودت الشبكة أربعين بالمائة خلال فترات الصيانة. بدأ تشغيل المولد في اثنتين وستين مرة، متوسط تشغيل كل منها فاصل وثماني ساعات. بدون الطاقة الشمسية، كان المولد سيوفر ما يقدر بأربعين بالمائة من الطاقة بناءً على نفس ملف تعريف الحمل.
يوفر برج الاتصالات عن بعد تطبيقًا مثاليًا لنظام تخزين البطارية الممتد. ويستهلك البرج حملاً ثابتاً قدره خمسة عشر كيلووات لمعدات الراديو وخمسة كيلووات ذروة لتكييف الهواء. طاقة الشبكة غير متوفرة. سيتطلب نظام البطارية المستقل الذي يكفي لمدة يومين من التشغيل الذاتي تسعمائة وستين كيلوواط ساعة، ويكلف حوالي مائة وعشرين ألف دولار مع الاستبدال كل خمس سنوات. نظام مولد فقط يستهلك خمسة عشر ألف لتر من الوقود سنويا بتكلفة عشرين ألف دولار. قامت شركة Injet HanCang بتركيب نظام تخزين بطارية ممتد النطاق مزود ببطارية تبلغ سعتها مائتي كيلووات في الساعة ومولد كهربائي يبلغ عشرين كيلووات. توفر البطارية اثنتي عشرة ساعة من الاستقلالية. يعمل المولد لمدة ثماني ساعات يوميًا، حيث يقوم بإعادة شحن البطارية مع توفير الحمولة أيضًا. ويبلغ استهلاك الوقود السنوي أربعة آلاف لتر، أي تخفيض بنسبة ثلاثة وسبعين بالمائة عن حل المولد فقط. من المتوقع أن تدوم البطارية ثماني سنوات بناءً على نافذة ركوب الدراجات التي تتراوح من ثلاثين إلى سبعين بالمائة. فترة الاسترداد مقارنة بتشغيل المولد فقط هي ثلاث سنوات. ويلخص الجدول أدناه المقارنة. الحل التكلفة الأولى تكلفة الوقود السنوية استبدال البطارية كل عشر سنوات إجمالي تكلفة المولد فقط 25000 دولار 20000 دولار غير قابل للتطبيق 225000 دولار بطارية مستقلة 120000 دولار 0 دولار 5 سنوات 240000 دولار نطاق تخزين البطارية الممتد 85000 دولار 5000 دولار 8 سنوات 135000 دولار يتمتع نظام تخزين البطارية الممتد بأقل تكلفة إجمالية لمدة عشر سنوات على الرغم من وجود مكونات البطارية والمولد.
في النظام الهجين، يمكن للمولد توفير الحمل مباشرة. في النظام الموسع، يقوم المولد بشحن البطارية فقط. يتم سحب الحمل دائمًا من البطارية. يسمح هذا الاختلاف للمولد بالعمل عند نقطة الطاقة المثالية بغض النظر عن اختلاف الحمل.
تتراوح تصميمات Injet HanCang بين أنظمة تخزين البطاريات الموسعة لتعمل بنسبة تتراوح بين ثلاثين وسبعين بالمائة من حالة الشحن. الحد الأقصى لعمق التفريغ من سبعين بالمائة إلى ثلاثين بالمائة هو أربعون بالمائة، مقارنة بثمانين إلى تسعين بالمائة في الأنظمة المستقلة.
نعم، يمكن تحويل نظام البطارية الحالي عن طريق إضافة مولد، ومقوم، وجهاز تحكم. تقدم Injet HanCang مجموعات تحديثية لأنظمة البطاريات التي يصل عمرها إلى خمس سنوات. يجب أن يدعم نظام إدارة البطارية الحالي التحكم في الشحن الخارجي.
استنادًا إلى بيانات عملاء Injet HanCang، تتراوح فترة الاسترداد لإضافة تمديد النطاق من سنتين إلى خمس سنوات اعتمادًا على وقت تشغيل المولد وتكاليف الوقود المحلية. يكون الاسترداد أقصر عندما يكون البديل هو بنك بطارية أكبر.
لا، تعمل خلايا فوسفات حديد الليثيوم القياسية بشكل جيد في التطبيقات الموسعة. ومع ذلك، تتوفر الخلايا المُحسّنة لحالة دورة الشحن الجزئية لدى بعض الشركات المصنعة. يمكن لشركة Injet HanCang توفير أي من النوعين.
يستخدم نظام تخزين البطاريات الممتد من Injet HanCang بطاريات ليثيوم فوسفات الحديد التي تعمل ضمن نافذة حالة شحن تتراوح من ثلاثين إلى سبعين بالمائة. يُظهر اختبار دورة الحياة أن نطاق التشغيل الممتد يحقق خمسة آلاف وأربعمائة دورة للاحتفاظ بالقدرة بنسبة ثمانين بالمائة، أي بزيادة قدرها تسعة وستين بالمائة عن التشغيل المستقل. تتضمن الرؤى الفنية تصفية التموج الحالية، وانخفاض تردد الموازنة، وانخفاض الطلب على التبريد. يتم دعم التكامل مع الطاقة الشمسية الكهروضوئية من خلال خوارزمية التحكم التي تعطي الأولوية للشحن المتجدد. يُظهر مثال تطبيق الاتصالات عن بعد تكلفة إجمالية لمدة عشر سنوات قدرها مائة وخمسة وثلاثون ألف دولار للتخزين الممتد مقارنة بمئتين وخمسة وعشرين ألف دولار للمولد فقط ومائتين وأربعين ألف دولار للبطارية المستقلة. يمكن للعملاء المحتملين طلب اقتراح حجم البطارية من Injet HanCang.