Ein Batteriespeichersystem mit erweiterter Reichweite integriert eine Primärbatteriebank mit einem Hilfsgenerator, der die Batterie während des Betriebs auflädt. Diese Konfiguration unterscheidet sich von herkömmlichen Batteriespeichern dadurch, dass sich die Batterie nie vollständig entlädt. Der Generator hält die Batterie innerhalb eines mittleren Ladezustandsfensters, typischerweise dreißig bis siebzig Prozent. Injet HanCang hat eine Batteriespeichersystemplattform mit erweiterter Reichweite entwickelt, die das Zusammenspiel zwischen Batteriechemie, Generatorsteuerung und Lastmanagement optimiert. In diesem Artikel werden batteriespezifische Designüberlegungen, Daten zur Zyklenlebensdauer und Anwendungsbeispiele vorgestellt.
Die Batterie ist die Kernkomponente jedes Batteriespeichersystems mit erweiterter Reichweite. Injet HanCang wählt aufgrund von vier Eigenschaften die Lithium-Eisenphosphat-Chemie für alle Systeme. Das erste Merkmal ist die Zyklenlebensdauer. Lithium-Eisenphosphat-Zellen erreichen in der Regel viertausend bis sechstausend Zyklen und achtzig Prozent Kapazitätserhalt, verglichen mit zweitausend bis dreitausend Zyklen bei Nickel-Mangan-Kobalt-Zellen. Das zweite Merkmal ist die thermische Stabilität. Lithium-Eisenphosphat-Zellen unterliegen erst bei Temperaturen über 270 Grad Celsius einem thermischen Durchgehen, was einen größeren Sicherheitsspielraum bietet. Das dritte Merkmal ist die flache Spannungskurve. Die Spannung ändert sich langsam mit einem Ladezustand zwischen zwanzig und achtzig Prozent, was den Ladealgorithmus vereinfacht. Das vierte Merkmal ist die kobaltfreie Zusammensetzung, die das Risiko in der Lieferkette und die Materialkosten reduziert. Die folgende Tabelle vergleicht die Batteriechemie für Anwendungen in Batteriespeichersystemen mit erweiterter Reichweite. Parameter Lithium Eisen Phosphat Nickel Mangan Kobalt Blei Säure Zyklenlebensdauer bis 80 Prozent 4000 bis 6000 Zyklen 2000 bis 3000 Zyklen 500 bis 1000 Zyklen Umlaufeffizienz 92 bis 95 Prozent 90 bis 93 Prozent 75 bis 85 Prozent Betriebstemperaturbereich minus 20 bis 60 Grad Celsius minus 10 bis 55 Grad Celsius minus 40 bis 50 Grad Celsius Energiedichte 120 bis 160 Wattstunden pro Kilogramm 200 bis 250 Wattstunden pro Kilogramm 30 bis 40 Wattstunden pro Kilogramm Kosten pro Kilowattstunde 100 bis 130 Dollar 110 bis 140 Dollar 50 bis 80 Dollar Empfohlenes Ladezustandsfenster 20 bis 80 Prozent 30 bis 70 Prozent 50 bis 80 Prozent Für Batteriespeichersystemanwendungen mit erweiterter Reichweite bietet Lithiumeisenphosphat die beste Zyklusbalance Lebensdauer und Sicherheit trotz geringerer Energiedichte als Nickel-Mangan-Kobalt.
Die Dimensionierung der Batterie in einem Batteriespeichersystem mit erweiterter Reichweite erfordert andere Berechnungen als bei einem eigenständigen Batteriespeicher. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass die Batterie nicht die volle Tagesenergie liefern muss. Stattdessen liefert die Batterie Energie zwischen den Generatorläufen. Injet HanCang verwendet eine fünfstufige Dimensionierungsmethode. Schritt eins ermittelt die durchschnittliche Lastleistung in Kilowatt. Schritt zwei bestimmt die gewünschte Zeit zwischen den Generatorläufen in Stunden. Schritt drei multipliziert die Ladeleistung mit der gewünschten Laufzeit, um Batterieenergie zu erhalten. Schritt vier fügt einen 30-Prozent-Puffer für Ladezustandsfensterbeschränkungen hinzu. Schritt fünf rundet auf die nächste Standard-Batteriemodulgröße auf. Beispielsweise erfordert ein Standort mit einer durchschnittlichen Last von einhundert Kilowatt und einem gewünschten Generatorbetriebsintervall von vier Stunden eine Batterieenergie von vierhundert Kilowattstunden vor der Pufferung. Die Addition von dreißig Prozent ergibt fünfhundertzwanzig Kilowattstunden. Die nächstliegende Standardgröße des Injet HanCang-Moduls beträgt sechshundert Kilowattstunden. Der Generator startet bei durchschnittlicher Last alle vier Stunden, läuft etwa eine Stunde lang und lädt die Batterie von dreißig auf siebzig Prozent Ladezustand auf.
Ein Batteriespeichersystem mit erweiterter Reichweite verlängert die Lebensdauer der Batterie, indem es Tiefentladungen vermeidet und einen hohen Ladezustand beibehält. Injet HanCang führte einen Zykluslebenstest durch, bei dem drei Betriebsmodi verglichen wurden. Bei der ersten Regelung wurde der Ladezustand der Batterien von zehn auf neunzig Prozent erhöht, was einem eigenständigen Batteriebetrieb entspricht. Der zweite Modus wechselte von dreißig Prozent auf siebzig Prozent und repräsentierte einen Betrieb mit erweiterter Reichweite. Das dritte Regime wechselte von 40 Prozent auf 60 Prozent und repräsentierte einen aggressiven Betrieb mit erweiterter Reichweite. Bei allen Tests wurden die gleichen Lithium-Eisenphosphat-Zellen bei einer Umgebungstemperatur von 25 Grad Celsius verwendet. Die Ergebnisse zeigten, dass der zehn- bis neunzigprozentige Modus nach dreitausendzweihundert Zyklen eine Kapazitätserhaltung von achtzig Prozent erreichte. Der Bereich von dreißig bis siebzig Prozent erreichte nach fünftausendvierhundert Zyklen achtzig Prozent, was einem Anstieg von neunundsechzig Prozent entspricht. Das 40- bis 60-Prozent-Regime erreichte nach sechstausendachthundert Zyklen 80 Prozent, mehr als das Doppelte des Einzelregimes. Das Batteriespeichersystem mit erweiterter Reichweite verdoppelt oder verdreifacht somit effektiv die Batterielebensdauer im Vergleich zum Standalone-Betrieb. Zusätzliche Tests untersuchten die Auswirkung der Laderate auf die Zyklenlebensdauer. Das Batteriespeichersystem mit erweiterter Reichweite lädt typischerweise mit einer C-Rate von 5:1. Der Test verglich eine Punkt-5-C-Ladung mit einer 1-C-Ladung innerhalb des 30- bis 70-Prozent-Fensters. Die Ladegruppe Punkt fünf C erreichte fünftausendsechshundert Zyklen. Die eine C-Ladegruppe erreichte fünftausend Zyklen. Langsameres Laden bietet einen Lebenszyklusvorteil von zwölf Prozent.
Der Betrieb eines Batteriespeichersystems mit erweiterter Reichweite erfordert spezielle Einstellungen für das Batteriemanagement. Die erste Erkenntnis besteht darin, dass der Algorithmus zur Schätzung des Ladezustands die Welligkeit des Generatorladestroms berücksichtigen muss. Generatorgleichrichter erzeugen eine kleine Wechselstromkomponente auf dem Gleichstrombus. Diese Welligkeit verursacht Strommessfehler von bis zu zwei Prozent. Injet HanCang fügte dem Strommesskreis einen Tiefpassfilter hinzu, wodurch der Fehler auf null, drei Prozent reduziert wurde. Die zweite Erkenntnis besteht darin, dass die Batterieausgleichsschaltung in Systemen mit erweiterter Reichweite seltener arbeitet, da die Batterie im mittleren Ladezustandsbereich bleibt, in dem die Zellspannungen gleichmäßiger sind. Der Ausgleich kann wöchentlich statt kontinuierlich geplant werden, wodurch der Energieverbrauch der Ausgleichswiderstände reduziert wird. Die dritte technische Erkenntnis für das Design von Batteriespeichersystemen mit erweiterter Reichweite besteht darin, dass der Batteriekühlungsbedarf geringer ist als bei eigenständigen Systemen. Tiefentladungen erzeugen aufgrund des höheren Innenwiderstands bei niedrigem Ladezustand mehr Wärme. Durch die Vermeidung von Tiefentladungen reduziert der Range-Extended-Betrieb die durchschnittliche Zelltemperatur um drei bis vier Grad Celsius. Eine niedrigere Temperatur verringert direkt die Geschwindigkeit des Wachstums der Festelektrolyt-Grenzfläche und verlängert so die Kalenderlebensdauer. Injet HanCang hat die Kalenderalterung bei 45 Grad Celsius und bei 40 Grad Celsius gemessen. Die Reduzierung um fünf Grad verringerte die Kapazität innerhalb von 18 Monaten um dreißig Prozent.
Ein Batteriespeichersystem mit erweiterter Reichweite kann in Solar-PV oder Windkraftanlage integriert werden. Die Integration erhöht die Komplexität, da die Erzeugung erneuerbarer Energien variabel ist. Injet HanCang hat einen Steuerungsalgorithmus entwickelt, der dem Laden mit erneuerbaren Energien Vorrang vor dem Laden mit Generator einräumt. Wenn die Solarenergie den Lastbedarf übersteigt, lädt der Überschuss die Batterie auf. Der Generator bleibt ausgeschaltet. Wenn die Solarenergie nicht ausreicht, deckt die Batterie das Defizit ab. Der Generator startet erst, wenn der Ladezustand der Batterie unter dreißig Prozent fällt und die Solarenergie für die nächsten zwei Stunden voraussichtlich niedrig sein wird. Daten aus einem Batteriespeichersystem mit erweiterter Solar-Plus-Reichweite in Arizona zeigen die Wirksamkeit dieses Ansatzes. Der Standort verfügt über eine Solaranlage mit 150 Kilowatt, eine Batterie mit 600 Kilowattstunden und einen Generator mit 180 Kilowatt. Über einen Zeitraum von zwölf Monaten lieferte der Generator nur acht Prozent der Gesamtenergie. Solar lieferte zweiundfünfzig Prozent. Während Wartungsperioden lieferte das Netz 40 Prozent. Der Generator startete zweiundsechzig Mal, jeder Lauf dauerte durchschnittlich eineinhalb acht Stunden. Ohne Solarenergie hätte der Generator bei gleichem Lastprofil schätzungsweise vierzig Prozent der Energie geliefert.
Ein entfernter Telekommunikationsmast bietet eine ideale Anwendung für ein Batteriespeichersystem mit erweiterter Reichweite. Der Turm verbraucht eine konstante Last von fünfzehn Kilowatt für die Funkausrüstung und fünf Kilowatt Spitzenleistung für die Klimaanlage. Netzstrom ist nicht verfügbar. Ein eigenständiges Batteriesystem, das für eine Autonomie von zwei Tagen ausgelegt ist, würde neunhundertsechzig Kilowattstunden erfordern und bei einem Austausch alle fünf Jahre etwa einhundertzwanzigtausend Dollar kosten. Ein reines Generatorsystem würde jährlich fünfzehntausend Liter Kraftstoff verbrauchen und zwanzigtausend Dollar kosten. Injet HanCang installierte ein Batteriespeichersystem mit erweiterter Reichweite mit einer 200-Kilowattstunden-Batterie und einem 20-Kilowatt-Generator. Der Akku bietet zwölf Stunden Autonomie. Der Generator läuft acht Stunden am Tag, lädt die Batterie auf und versorgt gleichzeitig die Last. Der jährliche Kraftstoffverbrauch beträgt viertausend Liter, eine Reduzierung um dreiundsiebzig Prozent gegenüber der reinen Generatorlösung. Basierend auf dem 30- bis 70-Prozent-Zyklusfenster soll die Batterie voraussichtlich acht Jahre halten. Die Amortisationszeit im Vergleich zum reinen Generatorbetrieb beträgt drei Jahre. Die folgende Tabelle fasst den Vergleich zusammen. Erste Kosten der Lösung Jährliche Kraftstoffkosten Batterieaustausch alle zehn Jahre Gesamtkosten Nur Generator 25.000 Dollar 20.000 Dollar Nicht zutreffend 225.000 Dollar Eigenständige Batterie 120.000 Dollar 0 Dollar 5 Jahre 240.000 Dollar Batteriespeicher mit erweiterter Reichweite 85.000 Dollar 5.000 Dollar 8 Jahre 135.000 Dollar Das Batteriespeichersystem mit erweiterter Reichweite weist die niedrigsten Gesamtkosten für zehn Jahre auf, obwohl sowohl Batterie- als auch Generatorkomponenten vorhanden sind.
In einem Hybridsystem kann der Generator die Last direkt versorgen. Bei einem System mit erweiterter Reichweite lädt der Generator nur die Batterie. Die Last bezieht sich immer auf die Batterie. Dieser Unterschied ermöglicht es dem Generator, unabhängig von Lastschwankungen im optimalen Leistungspunkt zu arbeiten.
Injet HanCang entwickelt Batteriespeichersysteme mit erweiterter Reichweite, die einen Ladezustand von 30 bis 70 Prozent ermöglichen. Die maximale Entladungstiefe von siebzig bis dreißig Prozent beträgt vierzig Prozent, im Vergleich zu achtzig bis neunzig Prozent bei Einzelsystemen.
Ja, ein bestehendes Batteriesystem kann durch Hinzufügen eines Generators, Gleichrichters und Controllers umgerüstet werden. Injet HanCang bietet Nachrüstsätze für Batteriesysteme an, die bis zu fünf Jahre alt sind. Das vorhandene Batteriemanagementsystem muss eine externe Ladesteuerung unterstützen.
Basierend auf den Kundendaten von Injet HanCang liegt die Amortisationszeit für die Reichweitenverlängerung je nach Generatorlaufzeit und lokalen Kraftstoffkosten zwischen zwei und fünf Jahren. Die Amortisation ist am kürzesten, wenn die Alternative eine größere Batteriebank ist.
Nein, Standard-Lithium-Eisenphosphat-Zellen eignen sich gut für Anwendungen mit erweiterter Reichweite. Allerdings sind von einigen Herstellern auch Zellen erhältlich, die für den teilweisen Ladezustandswechsel optimiert sind. Injet HanCang kann beide Typen liefern.
Ein Batteriespeichersystem mit erweiterter Reichweite von Injet HanCang verwendet Lithium-Eisenphosphat-Batterien, die innerhalb eines Ladezustandsfensters von dreißig bis siebzig Prozent betrieben werden. Lebensdauertests zeigen, dass der Betrieb mit erweiterter Reichweite fünftausendvierhundert Zyklen und eine Kapazitätserhaltung von achtzig Prozent erreicht, was einer Steigerung von neunundsechzig Prozent gegenüber dem Standalone-Betrieb entspricht. Zu den technischen Erkenntnissen gehören Stromwelligkeitsfilterung, reduzierte Ausgleichsfrequenz und geringerer Kühlbedarf. Die Integration mit Solar-PV wird durch einen Steuerungsalgorithmus unterstützt, der dem erneuerbaren Laden Priorität einräumt. Ein Beispiel für eine Ferntelekommunikationsanwendung zeigt zehnjährige Gesamtkosten von einhundertfünfunddreißigtausend Dollar für die Speicherung mit erweiterter Reichweite, verglichen mit zweihundertfünfundzwanzigtausend Dollar nur für den Generator und zweihundertvierzigtausend Dollar für eine eigenständige Batterie. Potenzielle Kunden können bei Injet HanCang einen Vorschlag zur Batteriedimensionierung anfordern.