Introducción
Un sistema ESS de rango extendido se refiere a un producto totalmente integrado donde la batería, el equipo de conversión de energía, la interfaz del generador y el controlador están diseñados como una sola unidad. Este enfoque integrado permite una refrigeración optimizada, una latencia de comunicación reducida y secuencias de control probadas previamente. Injet HanCang desarrolló un prototipo de sistema ESS extendido de rango de quinientos kilovatios hora en 2024 e implementó seis unidades de producción en 2025. Este artículo detalla la arquitectura de diseño integrada, la justificación de la selección de componentes y los datos de rendimiento del primer año de operación.
Descripción de la arquitectura del sistema integrado
El sistema ESS ampliado de la gama Injet HanCang utiliza una arquitectura de bus de CC común. El banco de baterías consta de celdas de fosfato de hierro y litio dispuestas en una configuración de doscientos cuarenta voltios. Un convertidor CC CC bidireccional conecta la batería a un bus CC de mil voltios. El generador, una unidad diésel de velocidad variable, se conecta al autobús mediante un rectificador activo. El inversor de conexión a red conecta el bus al lado de CA. Un controlador lógico programable monitorea el estado de carga de la batería, el estado del generador, la potencia de carga y el estado de la red. El controlador emite comandos de arranque y parada al generador según los umbrales del estado de carga. Todos los componentes caben dentro de un contenedor de envío estándar de veinte pies. La batería ocupa la mitad izquierda del contenedor. El generador ocupa la esquina trasera derecha. El inversor, el rectificador y el controlador ocupan la sección frontal derecha. La gestión térmica utiliza una placa enfriada por líquido para la batería y refrigeración por aire forzado para el generador y la electrónica de potencia.
Selección de componentes y especificaciones
Cada componente del sistema ESS ampliado de gama se seleccionó en función de criterios de rendimiento específicos. Las celdas de la batería son prismáticas de fosfato de litio y hierro con una tensión nominal de tres coma dos voltios y una capacidad de trescientos amperios hora. El banco de baterías contiene ciento cuarenta y cuatro celdas dispuestas en cuarenta y ocho grupos en serie de tres celdas en paralelo. La energía nominal es de quinientos dieciocho kilovatios hora. El generador es una unidad diésel turboalimentada de cuatro cilindros con una potencia nominal de ciento cincuenta kilovatios continuos. El generador incluye una batería de arranque de doce voltios con cargador automático. El rectificador activo utiliza MOSFET de carburo de silicio y tiene una eficiencia nominal del noventa y siete por ciento a plena carga. El inversor de conexión a red tiene una potencia nominal de trescientos kilovatios continuos y quinientos kilovatios durante diez segundos. El controlador es un controlador lógico programable con fuentes de alimentación duales redundantes y un reloj en tiempo real para programar el tiempo de uso.
Lógica de control y operación de la máquina de estados
La lógica de control en el sistema ESS de rango extendido funciona como una máquina de estados con cinco estados. El estado uno está inactivo, donde el sistema monitorea la carga y la red pero no realiza ninguna acción. El segundo estado es la descarga de la batería, donde el sistema suministra carga desde la batería. El estado tres es la carga de la batería desde la red, donde el sistema carga la batería durante períodos de bajo costo. El estado cuatro es la carga del generador, donde el sistema arranca el generador y carga la batería. El estado cinco es falla, donde el sistema aísla la batería y apaga el generador. Las transiciones entre estados se activan según el estado de carga, la hora del día y el estado de la red. Los umbrales de estado de carga son configurables. Injet HanCang envía sistemas con umbrales predeterminados del treinta por ciento para el arranque del generador y del setenta por ciento para la parada del generador. El controlador incluye una banda muerta de cinco puntos porcentuales para evitar la oscilación entre estados.
Resultados de pruebas de prototipos en un entorno de laboratorio
El prototipo de quinientos kilovatios hora se sometió a un programa de pruebas de laboratorio de doce semanas antes de su despliegue en el campo. El programa de pruebas midió el rendimiento eléctrico, el rendimiento térmico y la respuesta de seguridad. Las pruebas de rendimiento eléctrico midieron la regulación del voltaje del bus de CC dentro de más o menos uno por ciento durante los transitorios de arranque del generador. El tiempo de arranque del generador a plena potencia fue de ocho segundos, limitado por el calentamiento del motor. La velocidad de rampa de corriente de la batería se limitó al punto dos C para evitar picos de voltaje. La eficiencia del sistema de ida y vuelta desde el combustible del generador hasta la carga, incluidos todos los componentes electrónicos de potencia, se midió en un treinta y cuatro por ciento a plena carga. La pérdida en espera se midió en un punto de dos kilovatios, principalmente del controlador y del sistema de gestión de la batería. El extensor de alcance aportó el treinta y ocho por ciento de la energía total durante el período de prueba, y el resto provino de la carga de la red.
Datos de rendimiento de campo de seis unidades de producción
Se implementaron seis sistemas ESS de rango extendido de producción en sitios comerciales en todo Estados Unidos en el primer trimestre de 2025. Injet HanCang recopiló datos de rendimiento de estas unidades durante nueve meses. El conjunto de datos combinado incluye cincuenta y cuatro mil horas de funcionamiento. El tiempo de actividad promedio del sistema fue del noventa y nueve punto dos por ciento. La causa más común de tiempo de inactividad fue el mantenimiento programado del generador. El tiempo de inactividad no programado promedió ocho horas por sistema durante el período de nueve meses. El recuento promedio de arranques de generador por sistema fue de ciento veinte. La duración media de la carrera fue de dos horas. El estado de carga promedio de la batería al arrancar el generador era del treinta y uno por ciento. El estado medio de carga cuando el generador se detuvo fue del sesenta y nueve por ciento. La degradación promedio de la capacidad de la batería en los seis sistemas fue de cero coma ocho por ciento. El sistema con mayor ciclaje tuvo una degradación de uno punto cuatro por ciento. El sistema con menor ciclo tuvo una degradación de cero coma tres por ciento.
Rendimiento térmico durante condiciones extremas
Dos de los seis sistemas de producción están ubicados en regiones con temperaturas extremas en verano. Un sistema en Arizona experimentó temperaturas ambientales de cuarenta y cinco grados Celsius. El otro sistema en Texas experimentó cuarenta y dos grados centígrados. Injet HanCang analizó datos térmicos de ambos sistemas durante la semana más calurosa del año. El sistema de Arizona mantuvo la temperatura de las celdas de las baterías entre treinta y treinta y ocho grados centígrados. El sistema de refrigeración consumió una media de cinco coma dos kilovatios, lo que representa un dos coma seis por ciento del rendimiento medio del sistema. El sistema de Texas mantuvo la temperatura de las celdas de las baterías entre veintiocho y treinta y seis grados. El sistema de refrigeración consumió una media de cuatro coma ocho kilovatios. Las temperaturas del compartimiento del generador alcanzaron un máximo de cincuenta y ocho grados en ambas ubicaciones, lo que está dentro de la especificación operativa de sesenta y cinco grados. No se produjeron paradas relacionadas con el calor en ninguna de las ubicaciones.
Datos de mantenimiento e intervalos de servicio
Los registros de mantenimiento de los seis sistemas de producción proporcionan datos sobre los requisitos de servicio reales. El generador requiere cambios de aceite cada quinientas horas de funcionamiento. El promedio de horas de funcionamiento del generador en los seis sistemas fue de doscientas cuarenta horas durante nueve meses, lo que significa que cada sistema requirió aproximadamente un cambio de aceite durante el período. El sistema de refrigeración de la batería requiere el reemplazo del refrigerante cada cuatro mil horas o tres años. No fue necesario reemplazar el refrigerante durante el período de nueve meses. Los filtros de aire del compartimiento del generador requerían reemplazo cada seis meses en lugares polvorientos y cada doce meses en lugares limpios. El sistema de Arizona requirió dos cambios de filtro de aire. El sistema de Texas requería uno. Los sistemas restantes no requirieron ninguno. El software del controlador se actualizó una vez en todos los sistemas para corregir un error de cálculo del estado de carga. El costo total de mantenimiento de los seis sistemas durante el período de nueve meses fue de doce mil dólares, con un promedio de dos mil dólares por sistema.
Rendimiento del sistema de seguridad y protección
Cada sistema ESS de rango extendido incluye múltiples capas de protección. Un disparo por sobretensión basado en hardware desconecta la batería si el voltaje del bus de CC excede los mil cien voltios. Un fusible térmico en cada módulo de batería se abre a noventa grados Celsius. El monitoreo de la temperatura de los gases de escape del generador apaga la unidad si la temperatura excede los seiscientos grados Celsius. Se instala un parallamas en la entrada de aire del generador. El compartimento de la batería tiene un respiradero de alivio de presión y un sistema de detección de fugas térmicas mediante sensores de gas. Durante el período de campo de nueve meses, no se produjeron eventos de protección en ninguno de los seis sistemas. Injet HanCang realizó una prueba controlada del sistema de protección en la unidad prototipo. Una sola celda fue forzada a una fuga térmica utilizando un calentador interno. El sistema detectó evolución de gas en doce segundos y aisló el módulo afectado. No se produjo ninguna propagación a las células adyacentes.
Conclusión
El sistema ESS integrado de rango extendido de Injet HanCang ha demostrado un funcionamiento confiable en seis implementaciones de producción. Los resultados de la prueba del prototipo muestran un treinta y cuatro por ciento de eficiencia de carga de combustible y un tiempo de respuesta del generador de ocho segundos. Los datos de rendimiento en campo de nueve meses de operación muestran un noventa y nueve coma dos por ciento de tiempo de actividad y una degradación promedio de la batería de cero coma ocho por ciento. Los datos de rendimiento térmico de lugares con calor extremo confirman que el sistema de refrigeración líquida mantiene la temperatura de la batería dentro de las especificaciones. Los datos de mantenimiento muestran un costo anual promedio de dos mil dólares por sistema. Las pruebas de seguridad confirmaron la contención de la fuga térmica en doce segundos. Estos resultados respaldan el uso de sistemas ESS integrados de rango extendido para aplicaciones comerciales que requieren un tiempo de ejecución extendido.