Un sistema de almacenamiento de batería de rango extendido integra un banco de baterías primario con un generador auxiliar que recarga la batería durante la operación. Esta configuración difiere del almacenamiento de batería convencional porque la batería nunca se descarga por completo. El generador mantiene la batería dentro de un estado de carga de rango medio, normalmente entre un treinta y un setenta por ciento. Injet HanCang ha desarrollado una plataforma de sistema de almacenamiento de batería de rango extendido que optimiza la interacción entre la química de la batería, el control del generador y la gestión de carga. Este artículo presenta consideraciones de diseño específicas de la batería, datos del ciclo de vida y ejemplos de aplicaciones.
La batería es el componente central de cualquier sistema de almacenamiento de batería de rango extendido. Injet HanCang selecciona la química de fosfato de hierro y litio para todos los sistemas debido a cuatro características. La primera característica es el ciclo de vida. Las celdas de fosfato de hierro y litio generalmente logran de cuatro mil a seis mil ciclos con una retención de capacidad del ochenta por ciento, en comparación con los dos mil a tres mil ciclos de las celdas de níquel, manganeso y cobalto. La segunda característica es la estabilidad térmica. Las celdas de fosfato de hierro y litio no sufren fugas térmicas hasta que las temperaturas superan los doscientos setenta grados Celsius, lo que proporciona un margen de seguridad más amplio. La tercera característica es la curva de voltaje plana. El voltaje cambia lentamente con un estado de carga entre veinte y ochenta por ciento, lo que simplifica el algoritmo de carga. La cuarta característica es la composición libre de cobalto, que reduce el riesgo de la cadena de suministro y el costo de los materiales. La siguiente tabla compara la química de la batería para aplicaciones de sistemas de almacenamiento de batería de rango extendido. Parámetro Litio Hierro Fosfato Níquel Manganeso Cobalto Plomo Ácido Vida útil del 80 por ciento 4000 a 6000 ciclos 2000 a 3000 ciclos 500 a 1000 ciclos Eficiencia de ida y vuelta 92 a 95 por ciento 90 a 93 por ciento 75 a 85 por ciento Rango de temperatura de funcionamiento menos 20 a 60 Celsius menos 10 a 55 Celsius menos 40 a 50 Celsius Densidad de energía 120 a 160 vatios hora por kilogramo 200 a 250 vatios hora por kilogramo 30 a 40 vatios hora por kilogramo Costo por kilovatio hora 100 a 130 dólares 110 a 140 dólares 50 a 80 dólares Ventana de estado de carga recomendada 20 a 80 por ciento 30 a 70 por ciento 50 a 80 por ciento Para aplicaciones de sistemas de almacenamiento de batería de rango extendido, litio El fosfato de hierro proporciona el mejor equilibrio entre ciclo de vida y seguridad a pesar de una menor densidad de energía que el níquel, manganeso y cobalto.
El tamaño de la batería en un sistema de almacenamiento de batería de rango extendido requiere cálculos diferentes a los del almacenamiento de batería independiente. La diferencia clave es que no es necesario que la batería proporcione toda la energía diaria. En cambio, la batería proporciona energía entre funcionamientos del generador. Injet HanCang utiliza una metodología de dimensionamiento de cinco pasos. El primer paso determina la potencia de carga promedio en kilovatios. El segundo paso determina el tiempo deseado entre funcionamientos del generador en horas. El tercer paso multiplica la energía de la carga por el tiempo de funcionamiento deseado para obtener energía de la batería. El cuarto paso agrega un búfer del treinta por ciento para las restricciones de la ventana de estado de carga. El paso cinco redondea al tamaño del módulo de batería estándar más cercano. Por ejemplo, un sitio con una carga promedio de cien kilovatios y un intervalo de funcionamiento del generador deseado de cuatro horas requiere una energía de batería de cuatrocientos kilovatios hora antes del buffer. Sumando el treinta por ciento da quinientos veinte kilovatios hora. El tamaño de módulo estándar Injet HanCang más cercano es de seiscientos kilovatios hora. El generador arrancará cada cuatro horas bajo carga promedio, funcionará durante aproximadamente una hora y recargará la batería del treinta al setenta por ciento del estado de carga.
Un sistema de almacenamiento de batería de rango extendido extiende la vida útil de la batería al evitar descargas profundas y un alto estado de carga. Injet HanCang realizó una prueba de ciclo de vida comparando tres regímenes operativos. El primer régimen hizo que las baterías pasaran del diez por ciento al noventa por ciento del estado de carga, lo que representa el funcionamiento de la batería independiente. El segundo régimen pasó del treinta por ciento al setenta por ciento, lo que representa una operación de rango extendido. El tercer régimen pasó del cuarenta por ciento al sesenta por ciento, lo que representa una operación agresiva de alcance extendido. En todas las pruebas se utilizaron las mismas celdas de fosfato de hierro y litio a veinticinco grados centígrados de temperatura ambiente. Los resultados mostraron que el régimen del diez al noventa por ciento alcanzó una retención de capacidad del ochenta por ciento después de tres mil doscientos ciclos. El régimen del treinta al setenta por ciento alcanzó el ochenta por ciento después de cinco mil cuatrocientos ciclos, un aumento del sesenta y nueve por ciento. El régimen del cuarenta al sesenta por ciento alcanzó el ochenta por ciento después de seis mil ochocientos ciclos, más del doble que el régimen independiente. Por lo tanto, el sistema de almacenamiento de batería de autonomía ampliada duplica o triplica efectivamente la duración de la batería en comparación con el funcionamiento independiente. Pruebas adicionales examinaron el efecto de la tasa de carga en el ciclo de vida. El sistema de almacenamiento de batería de rango extendido normalmente se carga a una tasa C de punto cinco a uno. La prueba comparó la carga del punto cinco C con la carga de un C dentro de la ventana del treinta al setenta por ciento. El grupo de carga de punto cinco C logró cinco mil seiscientos ciclos. El grupo de carga de un solo C logró cinco mil ciclos. Una carga más lenta proporciona un beneficio de ciclo de vida del doce por ciento.
Operar un sistema de almacenamiento de batería de rango extendido requiere configuraciones específicas de administración de batería. La primera idea es que el algoritmo de estimación del estado de carga debe tener en cuenta la ondulación de la corriente de carga del generador. Los rectificadores de generador producen un pequeño componente de CA en el bus de CC. Esta ondulación provoca errores de medición actuales de hasta el dos por ciento. Injet HanCang agregó un filtro de paso bajo al circuito de medición actual, reduciendo el error a cero coma tres por ciento. La segunda idea es que el circuito de equilibrio de la batería opera con menos frecuencia en sistemas de rango extendido porque la batería permanece dentro de la región del estado medio de carga donde los voltajes de las celdas son más uniformes. El equilibrio se puede programar semanalmente en lugar de continuamente, lo que reduce el consumo de energía de las resistencias de equilibrio. La tercera idea técnica para el diseño del sistema de almacenamiento de batería de alcance extendido es que la demanda de enfriamiento de la batería es menor que en los sistemas independientes. Las descargas profundas generan más calor debido a una mayor resistencia interna en un estado de carga bajo. Al evitar descargas profundas, la operación de rango extendido reduce la temperatura promedio de la celda entre tres y cuatro grados Celsius. Una temperatura más baja reduce directamente la tasa de crecimiento de la interfaz del electrolito sólido, lo que extiende la vida útil. Injet HanCang midió el envejecimiento calendario en cuarenta y cinco grados Celsius y en cuarenta grados Celsius. La reducción de cinco grados redujo la capacidad en un treinta por ciento en dieciocho meses.
Se puede integrar un sistema de almacenamiento de batería de rango extendido con generación solar fotovoltaica o eólica. La integración añade complejidad porque la generación renovable es variable. Injet HanCang ha desarrollado un algoritmo de control que prioriza la carga renovable sobre la carga del generador. Cuando la energía solar excede la demanda de carga, el exceso carga la batería. El generador permanece apagado. Cuando la energía solar es insuficiente, la batería cubre el déficit. El generador arranca sólo cuando el estado de carga de la batería cae por debajo del treinta por ciento y se pronostica que la energía solar será baja durante las próximas dos horas. Los datos de un sistema de almacenamiento de batería extendido de rango solar plus en Arizona muestran la efectividad de este enfoque. El sitio tiene un panel solar de ciento cincuenta kilovatios, una batería de seiscientos kilovatios hora y un generador de ciento ochenta kilovatios. Durante un período de doce meses, el generador suministró sólo el ocho por ciento de la energía total. La energía solar suministró el cincuenta y dos por ciento. La red abasteció el cuarenta por ciento durante los períodos de mantenimiento. El generador se puso en marcha sesenta y dos veces, cada funcionamiento con una duración media de una coma ocho horas. Sin energía solar, el generador habría suministrado aproximadamente el cuarenta por ciento de la energía basándose en el mismo perfil de carga.
Una torre de telecomunicaciones remota proporciona una aplicación ideal para un sistema de almacenamiento de batería de alcance extendido. La torre consume una carga constante de quince kilovatios para equipos de radio y cinco kilovatios pico para aire acondicionado. La energía de la red no está disponible. Un sistema de batería independiente con un tamaño de dos días de autonomía requeriría novecientos sesenta kilovatios hora, y costaría aproximadamente ciento veinte mil dólares con un reemplazo cada cinco años. Un sistema de sólo generador consumiría quince mil litros de combustible al año a un costo de veinte mil dólares. Injet HanCang instaló un sistema de almacenamiento de batería de rango extendido con una batería de doscientos kilovatios hora y un generador de veinte kilovatios. La batería proporciona doce horas de autonomía. El generador funciona durante ocho horas al día, recarga la batería y al mismo tiempo suministra la carga. El consumo anual de combustible es de cuatro mil litros, una reducción del setenta y tres por ciento respecto a la solución únicamente con generador. Se prevé que la batería dure ocho años según la ventana de ciclo del treinta al setenta por ciento. El período de recuperación en comparación con el funcionamiento del generador únicamente es de tres años. La siguiente tabla resume la comparación. Solución Primer costo Costo anual de combustible Reemplazo de batería cada diez años Costo total Solo generador 25 000 dólares 20 000 dólares No aplicable 225 000 dólares Batería independiente 120 000 dólares 0 dólares 5 años 240 000 dólares Almacenamiento de batería de rango extendido 85 000 dólares 5000 dólares 8 años 135 000 dólares El sistema de almacenamiento de batería de rango extendido tiene el costo total de diez años más bajo a pesar de tener componentes de batería y generador.
En un sistema híbrido, el generador puede alimentar la carga directamente. En un sistema de autonomía extendida, el generador sólo carga la batería. La carga siempre se alimenta de la batería. Esta diferencia permite que el generador funcione en su punto de potencia óptimo independientemente de la variación de carga.
Injet HanCang diseña una gama ampliada de sistemas de almacenamiento de baterías para funcionar entre el treinta y el setenta por ciento del estado de carga. La profundidad máxima de descarga del setenta por ciento al treinta por ciento es del cuarenta por ciento, en comparación con el ochenta y el noventa por ciento en los sistemas independientes.
Sí, un sistema de batería existente se puede convertir agregando un generador, rectificador y controlador. Injet HanCang ofrece kits de actualización para sistemas de baterías de hasta cinco años. El sistema de gestión de baterías existente debe admitir el control de carga externo.
Según los datos de los clientes de Injet HanCang, el período de recuperación para agregar una extensión de alcance varía de dos a cinco años, dependiendo del tiempo de funcionamiento del generador y los costos de combustible locales. La recuperación de la inversión es más corta cuando la alternativa es un banco de baterías más grande.
No, las celdas estándar de fosfato de hierro y litio funcionan bien en aplicaciones de rango extendido. Sin embargo, algunos fabricantes ofrecen celdas optimizadas para ciclos de estado de carga parcial. Injet HanCang puede suministrar cualquier tipo.
Un sistema de almacenamiento de batería de rango extendido de Injet HanCang utiliza baterías de fosfato de hierro y litio que funcionan dentro de un rango de estado de carga del treinta al setenta por ciento. Las pruebas de ciclo de vida muestran que la operación de rango extendido logra cinco mil cuatrocientos ciclos con una retención de capacidad del ochenta por ciento, un aumento del sesenta y nueve por ciento con respecto a la operación independiente. Los conocimientos técnicos incluyen filtrado de ondas actuales, frecuencia de equilibrio reducida y menor demanda de refrigeración. La integración con la energía solar fotovoltaica se apoya a través de un algoritmo de control que prioriza la carga renovable. Un ejemplo de aplicación de telecomunicaciones remotas muestra un costo total de diez años de ciento treinta y cinco mil dólares para el almacenamiento de rango extendido en comparación con doscientos veinticinco mil dólares para el generador solo y doscientos cuarenta mil dólares para la batería independiente. Los clientes potenciales pueden solicitar una propuesta de tamaño de batería a Injet HanCang.