Einführung
Ein Hybrid-Energiespeichersystem mit erweiterter Reichweite kombiniert zwei oder mehr Speichertechnologien mit einem Hilfsgenerator. Diese Topologie nutzt die hohe Energiedichte von Batterien, die hohe Leistungsdichte von Superkondensatoren oder Schwungrädern und das unbegrenzte Laufzeitpotenzial eines Generators. Jede Komponente verarbeitet unterschiedliche Teile des Lastprofils. Der Superkondensator bewältigt Leistungsspitzen im Millisekunden- bis Sekundenbereich. Die Batterie verwaltet die Energielieferung im Minuten- bis Stundenmaßstab. Der Generator verwaltet das Aufladen im Stunden- bis Tagesmaßstab. Injet HanCang baute ein 250-Kilowatt-Hybridsystem mit erweiterter Reichweite für eine Hafenkrananwendung und ein 100-Kilowatt-System für eine Schnellladestation. In diesem Artikel werden die Architektur, die Kontrollstrategie und die gemessenen Ergebnisse beider Installationen beschrieben.
Komponentenauswahl für Hybridbetrieb
Ein Hybrid-Energiespeichersystem mit erweiterter Reichweite erfordert eine sorgfältige Auswahl jeder Speichertechnologie. Die Batterie sollte eine hohe Energiedichte und eine moderate Leistungsfähigkeit aufweisen. Injet HanCang wählt Lithium-Eisenphosphat-Batteriezellen mit einem Design, bei dem die Lebensdauer Vorrang vor der Leistungsdichte hat. Die Batterie arbeitet mit einer maximalen C-Rate von eins. Der Superkondensator sollte eine sehr hohe Leistungsdichte und einen niedrigen Innenwiderstand aufweisen. Injet HanCang wählt Superkondensatorzellen mit einer spezifischen Leistung von zehn Kilowatt pro Kilogramm und einem Round-Trip-Wirkungsgrad von siebenundneunzig Prozent. Der Generator sollte so dimensioniert sein, dass er der durchschnittlichen Last entspricht, nachdem die Beiträge von Batterie und Superkondensator entfernt wurden. Bei der Hafenkrananwendung betrug die durchschnittliche Last nach Spitzenausgleich 60 Kilowatt, daher wurde ein 60-Kilowatt-Dieselgenerator ausgewählt. Die Batteriegröße wurde durch die Anforderung bestimmt, zwei Stunden lang ohne Generatorunterstützung zu arbeiten, was zu einer Batteriebank mit 120 Kilowattstunden führte. Die Superkondensatorbank war so dimensioniert, dass sie die Spitzenleistung des Krans von vierhundert Kilowatt fünf Sekunden lang bewältigen konnte, was zu einer Bank mit zwei Megawatt führte.
Kontrollhierarchie für Dreikomponentensysteme
Das Steuerungssystem für ein Hybrid-Energiespeichersystem mit erweiterter Reichweite arbeitet auf drei Zeitskalen. Im Millisekundenbereich reagiert der Superkondensator über einen Statik-Regelkreis auf Lasttransienten. Die Spannung des Superkondensators wird auf ein Kilohertz überwacht und die Leistung wird angepasst, um die Spannung innerhalb eines schmalen Bandes zu halten. Im zweiten Maßstab liefert die Batterie Strom, um die DC-Busspannung aufrechtzuerhalten und den Superkondensator aufzuladen. Auf der Minutenskala startet der Generator, wenn der Ladezustand der Batterie unter dreißig Prozent fällt und die Spannung des Superkondensators unter neunzig Prozent des Nennwerts fällt. Injet HanCang implementierte diese Hierarchie mithilfe eines feldprogrammierbaren Gate-Arrays für die Superkondensatorschleife und einer programmierbaren Logiksteuerung für die Batterie und den Generator. Die gemessene Reaktionszeit auf einen Lastschritt von fünfhundert Ampere betrug zwei Millisekunden beim Superkondensator und vierzig Millisekunden bei der Batterie.
Ergebnisse des Hafenkran-Installationstests
Der Hafenkraneinsatz stellte den anspruchsvollsten Test des Range-Extended-Hybrid-Energiespeichersystems dar. Der Kran arbeitet mit einem sehr variablen Lastprofil. Das Heben eines Containers erfordert fünf Sekunden lang vierhundert Kilowatt. Durch das Absenken eines Containers werden fünf Sekunden lang zweihundert Kilowatt regeneriert. Der Zyklus wiederholt sich etwa alle zwei Minuten. Injet HanCang führte einen vierstündigen Test durch, bei dem einhundertzwanzig Hubzyklen aufgezeichnet wurden. Das Hybridsystem mit erweiterter Reichweite lieferte die gesamte Spitzenleistung vom Superkondensator. Die Batterie lieferte eine durchschnittliche Leistung von sechzig Kilowatt. Der Generator startete während des Tests einmal, als der Batterieladezustand nach fünfzig Minuten Dauerbetrieb 28 Prozent erreichte. Der Generator lief zwanzig Minuten lang und lud die Batterie auf fünfundfünfzig Prozent auf. Der Gesamtverbrauch betrug eins Komma acht Liter. Ohne den Hybridspeicher hätte eine reine Generatorlösung einen 400-Kilowatt-Generator im Leerlauf zwischen den Hubvorgängen erfordert und im gleichen Zeitraum schätzungsweise fünfzehn Liter Kraftstoff verbraucht.
Effizienzmessungen über Leistungsstufen hinweg
Die Gesamtsystemeffizienz eines Hybrid-Energiespeichersystems mit erweiterter Reichweite variiert je nach Leistungsniveau. Injet HanCang hat mithilfe der Hafenkrananlage die Effizienz auf drei Leistungsstufen gemessen. Bei geringer Leistung, definiert als unter fünfzig Kilowatt, versorgt die Batterie direkt mit einem Wirkungsgrad von zweiundneunzig Prozent. Der Superkondensator wurde umgangen, da sein Leckstrom den Wirkungsgrad bei geringer Leistung verringern würde. Bei mittlerer Leistung, definiert als fünfzig bis zweihundert Kilowatt, lieferte die Batterie einen Wirkungsgrad von einundneunzig Prozent und der Superkondensator blieb im Leerlauf. Bei hoher Leistung, definiert als mehr als zweihundert Kilowatt, lieferte der Superkondensator einen Wirkungsgrad von siebenundneunzig Prozent, und die Batterie lieferte die verbleibende Leistung über den DC-DC-Wandler. Der Generator lieferte im Betrieb Energie mit einem Wirkungsgrad von 33 Prozent. Der gewichtete durchschnittliche Wirkungsgrad des gesamten Systems, von allen Quellen bis zur Belastung, betrug während des vierstündigen Tests 84 Prozent. Dies steht im Vergleich zu 63 Prozent bei einem reinen Generatorsystem und 76 Prozent bei einem reinen Batteriesystem mit der gleichen Spitzenlastfähigkeit.
Verlängerung der Batterielebensdauer durch Hybridisierung
Der Superkondensator reduziert die Belastung der Batterie durch Impulse mit hoher C-Rate, die eine Hauptursache für eine beschleunigte Alterung sind. Im Hafenkrantest wies die Batterie einen maximalen C-Wert von 8 °C auf, während die Last C-Werte von bis zu 6,7 °C erforderte. Injet HanCang prognostizierte die Lebensdauer der Batterie auf der Grundlage des gemessenen Stromprofils aus dem vierstündigen Test. Ohne Superkondensator-Hybridisierung hätte die Batterie achttausend Hochfrequenzzyklen pro Jahr bei C-Raten über zwei durchlaufen. Bei der Hybridisierung erfährt die Batterie pro Jahr vierhundert Zyklen mittlerer Rate bei C-Raten unter eins. Das geplante Batteriewechselintervall beträgt zwei bis sieben Jahre. Die Lebensdauer des Superkondensators, basierend auf den Spannungs- und Temperaturdaten aus dem Test, beträgt mehr als fünfzehn Jahre für den getesteten Arbeitszyklus. Der nach dem vierstündigen Test gemessene Kapazitätsabbau betrug null Komma null fünf Prozent.
Anwendungsdaten für Schnellladestationen
An einer Schnellladestation für Elektrofahrzeuge wurde ein zweites Hybrid-Energiespeichersystem mit erweiterter Reichweite installiert. Die Station verfügt über einen auf einhundert Kilowatt begrenzten Netzanschluss, bedient aber Fahrzeuge, die bis zu dreihundert Kilowatt aufnehmen können. Das Hybridsystem mit erweiterter Reichweite nutzt eine 100-Kilowattstunden-Batterie, eine 1-Megawatt-Superkondensatorbank mit einer Nennleistung von 30 Sekunden und einen 50-Kilowatt-Generator. Injet HanCang sammelte im Laufe von drei Betriebsmonaten Daten. Die Station bediente im Berichtszeitraum vierhundertzwanzig Fahrzeuge. Der Superkondensator bewältigte den gesamten Einschaltstrom beim Anschließen des Fahrzeugs, der zehn Sekunden lang dreihundert Kilowatt erreicht. Für den Rest jedes Ladevorgangs lieferte die Batterie die Dauerladeleistung von einhundert Kilowatt. Der Generator startete zwölf Mal, wenn der Batterieladezustand aufgrund von aufeinanderfolgenden Ladevorgängen ohne Netzaufladezeit unter dreißig Prozent fiel. Die Gesamtbetriebsstunden des Generators betrugen sechs Stunden. Der Gesamtkraftstoffverbrauch betrug achtzehn Liter. Der Netzanschluss wurde nie überschritten. Die durchschnittliche Ladezeit des Fahrzeugs betrug 22 Minuten, verglichen mit 45 Minuten ohne Speichersystem.
Wirtschaftsanalyse für Hochleistungsanwendungen
Ein Hybrid-Energiespeichersystem mit erweiterter Reichweite hat aufgrund des Superkondensators und seiner Leistungselektronik höhere Vorlaufkosten als ein einfaches Batteriesystem. Bei Anwendungen mit häufigen hohen Leistungsspitzen können die Gesamtbetriebskosten jedoch niedriger sein. Injet HanCang führte über einen Zeitraum von zehn Jahren eine wirtschaftliche Analyse für die Anwendung von Hafenkranen durch. Das reine Batteriesystem erforderte eine 1-Megawatt-Batterie, um die 400-Kilowatt-Spitzenleistung zu bewältigen, was 400.000 Dollar kostete. Der Batteriewechsel im dritten und sechsten Jahr brachte jeweils dreihunderttausend Dollar ein, insgesamt also eine Million Dollar über einen Zeitraum von zehn Jahren. Das Hybridsystem nutzte eine 120-Kilowattstunden-Batterie für siebzigtausend Dollar, eine Zwei-Megawatt-Superkondensatorbank für 40.000 Dollar und einen 60-Kilowatt-Generator für 20.000 Dollar. Der Austausch der Batterie im siebten Jahr kostete siebzigtausend Dollar. Die gesamten Komponentenkosten über einen Zeitraum von zehn Jahren beliefen sich auf zweihunderttausend Dollar. Das Hybridsystem sparte im Vergleich zum reinen Batteriesystem 800.000 US-Dollar an Komponentenkosten ein. Der Kraftstoffverbrauch und die Wartung des Generators brachten fünftausend Dollar pro Jahr bzw. fünfzigtausend Dollar über einen Zeitraum von zehn Jahren, was zu einer Nettoeinsparung von siebenhundertfünfzigtausend Dollar führte.
Praktische Einschränkungen und Designbeschränkungen
Hybridsysteme mit erweiterter Reichweite sind komplexer zu steuern und in Betrieb zu nehmen als Einzelspeichersysteme. Injet HanCang stellte fest, dass die Abstimmung der Steuerungsparameter für die Hafenkraninstallation eine dreiwöchige Anpassung vor Ort erforderte. Die Superkondensatorbank erfordert eine Ausgleichsschaltung, um die Spannungsgleichmäßigkeit zwischen den Zellen aufrechtzuerhalten. Die Ausgleichsschaltung erhöht die Kosten des Superkondensatorsystems um etwa fünfzehn Prozent. Der Generator muss sorgfältig dimensioniert werden, um übermäßige Start-Stopp-Zyklen zu vermeiden. Ein häufigerer Start-Stopp-Zyklus als einmal pro Stunde verkürzt die Lebensdauer des Generators. Die Hafenkraninstallation begrenzt den Generatorstart durch die Steuerlogik auf maximal sechs pro Tag. Bei der Installation der Schnellladestation gab es keine solche Begrenzung, da der Generator innerhalb von drei Monaten nur zwölf Mal gestartet wurde. Standorte, an denen der Generator voraussichtlich mehr als zwei Mal pro Tag startet, sollten eine größere Batterie in Betracht ziehen, um die Generatorzyklen zu reduzieren.
Abschluss
Das hybride Energiespeichersystem mit erweiterter Reichweite vereint Batterie-, Superkondensator- und Generatorfunktionen in einer einzigen koordinierten Einheit. Testdaten des Hafenkran-Prototyps von Injet HanCang zeigen einen gewichteten Wirkungsgrad von 84 Prozent, eine Verlängerung der Batterielebensdauer von zwei auf sieben Jahre und eine Kraftstoffeinsparung von 90 Prozent im Vergleich zu einem reinen Generatorsystem. Die wirtschaftliche Analyse für den Hafenkran ergab eine Nettoeinsparung von siebenhundertfünfzigtausend Dollar über einen Zeitraum von zehn Jahren im Vergleich zu einem reinen Batteriesystem. Die Daten der Schnellladestation bestätigten den erfolgreichen Betrieb mit vierhundertzwanzig versorgten Fahrzeugen und keinen Verstößen gegen die Netzgrenzen. Diese Ergebnisse zeigen, dass Hybridspeicher mit erweiterter Reichweite für Anwendungen mit hoher Spitzenleistung und variabler Last wie Kräne, Schnellladegeräte und industrielle Hebegeräte wirtschaftlich sinnvoll sind.