مقدمة
يشير نظام ESS الممتد النطاق إلى منتج متكامل تمامًا حيث تم تصميم البطارية ومعدات تحويل الطاقة وواجهة المولد ووحدة التحكم كوحدة واحدة. يسمح هذا النهج المتكامل بتبريد محسّن وتقليل زمن الوصول للاتصالات وتسلسلات التحكم التي تم اختبارها مسبقًا. طورت Injet HanCang نموذجًا أوليًا ممتدًا لنظام ESS بنطاق خمسمائة كيلووات في الساعة في عام 2024 ونشرت ست وحدات إنتاج في عام 2025. توضح هذه المقالة تفاصيل بنية التصميم المتكامل وأساس اختيار المكونات وبيانات الأداء من السنة الأولى من التشغيل.
وصف بنية النظام المتكامل
يستخدم نظام ESS الممتد لمجموعة Injet HanCang بنية ناقل DC مشتركة. يتكون بنك البطارية من خلايا فوسفات الحديد الليثيوم مرتبة في تكوين مائتين وأربعين فولت. يقوم محول DC DC ثنائي الاتجاه بتوصيل البطارية بحافلة DC بقدرة ألف فولت. المولد، وهو عبارة عن وحدة ديزل متغيرة السرعة، يتصل بالحافلة عبر مقوم نشط. يقوم عاكس ربط الشبكة بتوصيل الحافلة بجانب التيار المتردد. تقوم وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة بمراقبة حالة شحن البطارية وحالة المولد وطاقة التحميل وحالة الشبكة. تصدر وحدة التحكم أوامر البدء والإيقاف للمولد بناءً على حالة عتبات الشحن. تتناسب جميع المكونات مع حاوية شحن قياسية بطول عشرين قدمًا. تشغل البطارية النصف الأيسر من الحاوية. يحتل المولد الزاوية الخلفية اليمنى. يشغل العاكس والمقوم وجهاز التحكم القسم الأمامي الأيمن. تستخدم الإدارة الحرارية لوحة تبريد سائلة للبطارية وتبريد الهواء القسري للمولد وإلكترونيات الطاقة.
اختيار المكونات والمواصفات
تم اختيار كل مكون في نطاق نظام ESS الممتد بناءً على معايير أداء محددة. خلايا البطارية عبارة عن فوسفات حديد الليثيوم المنشوري بجهد اسمي يبلغ ثلاث فاصل اثنين فولت وسعة ثلاثمائة أمبير ساعة. يحتوي بنك البطاريات على مائة وأربع وأربعين خلية مرتبة في ثمانية وأربعين مجموعة متسلسلة من ثلاث خلايا متوازية. الطاقة الاسمية هي خمسمائة وثمانية عشر كيلوواط ساعة. المولد عبارة عن وحدة ديزل ذات أربع أسطوانات مزودة بشاحن توربيني بقدرة مائة وخمسين كيلووات متواصلة. يتضمن المولد بطارية تشغيل بقوة 12 فولت مع شاحن أوتوماتيكي. يستخدم المقوم النشط دوائر MOSFET من كربيد السيليكون ويتمتع بكفاءة مقدرة تبلغ سبعة وتسعين بالمائة عند التحميل الكامل. تم تصنيف عاكس ربط الشبكة بثلاثمائة كيلووات متواصل وخمسمائة كيلووات لمدة عشر ثوانٍ. وحدة التحكم عبارة عن وحدة تحكم منطقية قابلة للبرمجة مزودة بمصادر طاقة مزدوجة زائدة عن الحاجة وساعة في الوقت الفعلي لجدولة وقت الاستخدام.
منطق التحكم وتشغيل آلة الحالة
يعمل منطق التحكم في نظام ESS الممتد كجهاز حالة بخمس حالات. الحالة الأولى خاملة، حيث يقوم النظام بمراقبة التحميل والشبكة ولكنه لا يتخذ أي إجراء. الحالة الثانية هي تفريغ البطارية، حيث يقوم النظام بتزويد الحمل من البطارية. الحالة الثالثة هي شحن البطارية من الشبكة، حيث يقوم النظام بشحن البطارية خلال فترات التكلفة المنخفضة. الحالة الرابعة هي شحن المولد، حيث يقوم النظام بتشغيل المولد وشحن البطارية. الحالة الخامسة هي الخطأ، حيث يقوم النظام بعزل البطارية وإيقاف تشغيل المولد. يتم تشغيل التحولات بين الحالات حسب حالة الشحن والوقت من اليوم وحالة الشبكة. حالة عتبات الشحن قابلة للتكوين. تقوم شركة Injet HanCang بشحن الأنظمة ذات الحدود الافتراضية التي تبلغ ثلاثين بالمائة لبدء تشغيل المولد وسبعين بالمائة لإيقاف المولد. تشتمل وحدة التحكم على نطاق ميت قدره خمس نقاط مئوية لمنع التذبذب بين الحالات.
نتائج اختبار النموذج الأولي من بيئة المختبر
خضع النموذج الأولي الذي تبلغ قوته 500 كيلووات في الساعة لبرنامج اختبار معملي مدته اثني عشر أسبوعًا قبل نشره الميداني. قام برنامج الاختبار بقياس الأداء الكهربائي والأداء الحراري واستجابة السلامة. قامت اختبارات الأداء الكهربائي بقياس تنظيم جهد ناقل التيار المستمر بنسبة زائد أو ناقص واحد بالمائة أثناء فترات بدء تشغيل المولد. كان وقت بدء تشغيل المولد بكامل طاقته ثماني ثوانٍ، وكان محدودًا بإحماء المحرك. تم تحديد معدل انحدار تيار البطارية بالنقطة الثانية C لتجنب ارتفاع الجهد. تم قياس كفاءة النظام ذهابًا وإيابًا من وقود المولد إلى التحميل، بما في ذلك جميع إلكترونيات الطاقة، بنسبة أربعة وثلاثين بالمائة عند التحميل الكامل. تم قياس الخسارة في وضع الاستعداد عند نقطة واحدة اثنين كيلووات، بشكل أساسي من وحدة التحكم ونظام إدارة البطارية. ساهم موسع النطاق بثمانية وثلاثين بالمائة من إجمالي الطاقة خلال فترة الاختبار، والباقي من شحن الشبكة.
بيانات الأداء الميداني من ست وحدات إنتاج
تم نشر ستة أنظمة ESS موسعة لمجموعة الإنتاج في المواقع التجارية في جميع أنحاء الولايات المتحدة في الربع الأول من عام 2025. قامت Injet HanCang بجمع بيانات الأداء من هذه الوحدات لمدة تسعة أشهر. تتضمن مجموعة البيانات المجمعة أربعة وخمسين ألف ساعة تشغيل. كان متوسط وقت تشغيل النظام تسعة وتسعين فاصل اثنين بالمائة. السبب الأكثر شيوعًا لتوقف العمل هو صيانة المولدات المجدولة. بلغ متوسط وقت التوقف عن العمل غير المجدول ثماني ساعات لكل نظام خلال فترة التسعة أشهر. كان متوسط عدد بدء تشغيل المولد لكل نظام هو مائة وعشرين. وكان متوسط مدة التشغيل ساعتين. كان متوسط حالة شحن البطارية عند بدء تشغيل المولد هو واحد وثلاثون بالمائة. كان متوسط حالة الشحن عند توقف المولد تسعة وستين بالمائة. وكان متوسط تدهور سعة البطارية في جميع الأنظمة الستة هو صفر فاصل ثمانية بالمائة. النظام ذو أعلى دورة كان لديه تدهور بنسبة فاصل أربعة بالمائة. النظام ذو أقل دورة في التدوير كان لديه تدهور بنسبة صفر فاصل ثلاثة بالمائة.
الأداء الحراري خلال الظروف القاسية
يقع اثنان من أنظمة الإنتاج الستة في مناطق ذات درجات حرارة شديدة في الصيف. شهد أحد الأنظمة في ولاية أريزونا درجات حرارة محيطة بلغت خمسة وأربعين درجة مئوية. وشهد النظام الآخر في تكساس اثنتين وأربعين درجة مئوية. قام Injet HanCang بتحليل البيانات الحرارية من كلا النظامين خلال الأسبوع الأكثر سخونة في العام. حافظ نظام أريزونا على درجات حرارة خلايا البطارية بين ثلاثين وثمانية وثلاثين درجة مئوية. استهلك نظام التبريد ما متوسطه خمسة فاصل اثنين كيلووات، وهو ما يمثل 2.6 بالمائة من متوسط إنتاجية النظام. حافظ نظام تكساس على درجات حرارة خلايا البطارية بين ثمانية وعشرين وستة وثلاثين درجة. يستهلك نظام التبريد أربعة فاصل ثمانية كيلووات في المتوسط. وصلت درجات حرارة حجرة المولد إلى حد أقصى قدره ثمانية وخمسون درجة في كلا الموقعين، وهي ضمن مواصفات التشغيل البالغة خمسة وستين درجة. ولم تحدث أي عمليات إغلاق ذات صلة بالحرارة في أي من الموقعين.
بيانات الصيانة وفترات الخدمة
توفر سجلات الصيانة من أنظمة الإنتاج الستة بيانات عن متطلبات الخدمة الفعلية. يتطلب المولد تغيير الزيت كل خمسمائة ساعة تشغيل. بلغ متوسط ساعات تشغيل المولد عبر الأنظمة الستة مائتين وأربعين ساعة على مدار تسعة أشهر، مما يعني أن كل نظام يتطلب تغيير الزيت مرة واحدة تقريبًا خلال هذه الفترة. يتطلب نظام تبريد البطارية استبدال سائل التبريد كل أربعة آلاف ساعة أو ثلاث سنوات. لم تكن هناك حاجة إلى استبدال سائل التبريد خلال فترة التسعة أشهر. تتطلب مرشحات الهواء الخاصة بحجرة المولد استبدالها كل ستة أشهر في الأماكن المتربة وكل اثني عشر شهرًا في الأماكن النظيفة. يتطلب نظام أريزونا تغييرين لفلتر الهواء. نظام تكساس يتطلب واحدا. الأنظمة المتبقية لا تتطلب أي شيء. تم تحديث برنامج وحدة التحكم مرة واحدة عبر جميع الأنظمة لإصلاح خطأ حساب حالة الشحن. بلغت تكلفة الصيانة الإجمالية لجميع الأنظمة الستة لفترة التسعة أشهر اثني عشر ألف دولار، بمتوسط ألفي دولار لكل نظام.
أداء نظام السلامة والحماية
يشتمل كل نظام ESS ممتد على طبقات حماية متعددة. تقوم رحلة الجهد الزائد المعتمدة على الأجهزة بفصل البطارية إذا تجاوز جهد ناقل التيار المستمر ألف ومائة فولت. يفتح المصهر الحراري الموجود في كل وحدة بطارية عند درجة حرارة تسعين درجة مئوية. تعمل مراقبة درجة حرارة غاز عادم المولد على إيقاف تشغيل الوحدة إذا تجاوزت درجة الحرارة ستمائة درجة مئوية. يتم تثبيت مانع اللهب على مدخل هواء المولد. تحتوي حجرة البطارية على فتحة تنفيس لتخفيف الضغط ونظام الكشف عن الانفلات الحراري باستخدام أجهزة استشعار الغاز. خلال فترة التسعة أشهر الميدانية، لم تحدث أي أحداث حماية على أي من الأنظمة الستة. أجرت Injet HanCang اختبارًا محكمًا لنظام الحماية على وحدة النموذج الأولي. تم إجبار خلية واحدة على الهروب الحراري باستخدام سخان داخلي. اكتشف النظام تطور الغاز خلال اثنتي عشرة ثانية وقام بعزل الوحدة المتأثرة. ولم يحدث أي انتشار للخلايا المجاورة.
خاتمة
أثبت نظام ESS الممتد ذو النطاق المتكامل من Injet HanCang عملية موثوقة عبر ست عمليات نشر للإنتاج. تظهر نتائج اختبار النموذج الأولي أربعة وثلاثين بالمائة من كفاءة التحميل من الوقود وثمانية ثوانٍ من زمن استجابة المولد. تُظهر بيانات الأداء الميداني من تسعة أشهر من التشغيل وقت تشغيل بنسبة تسعة وتسعين فاصل اثنين بالمائة ومتوسط تدهور البطارية بنسبة صفر فاصل ثمانية بالمائة. تؤكد بيانات الأداء الحراري من المواقع شديدة الحرارة أن نظام التبريد السائل يحافظ على درجات حرارة البطارية ضمن المواصفات. وتظهر بيانات الصيانة متوسط تكلفة سنوية تبلغ ألفي دولار لكل نظام. أكدت اختبارات السلامة احتواء الانفلات الحراري خلال اثنتي عشرة ثانية. تدعم هذه النتائج استخدام أنظمة ESS الموسعة ذات النطاق المتكامل للتطبيقات التجارية التي تتطلب وقت تشغيل ممتدًا.