Un système de stockage par batterie à portée étendue intègre un groupe de batteries primaire avec un générateur auxiliaire qui recharge la batterie pendant le fonctionnement. Cette configuration diffère du stockage sur batterie conventionnel car la batterie ne se décharge jamais complètement. Le générateur maintient la batterie dans une fenêtre d’état de charge intermédiaire, généralement de trente à soixante-dix pour cent. Injet HanCang a développé une plate-forme de système de stockage sur batterie à portée étendue qui optimise l'interaction entre la chimie de la batterie, le contrôle du générateur et la gestion de la charge. Cet article présente des considérations de conception spécifiques à la batterie, des données sur sa durée de vie et des exemples d'application.
La batterie est le composant essentiel de tout système de stockage par batterie à autonomie étendue. Injet HanCang sélectionne la chimie du lithium fer phosphate pour tous les systèmes en raison de quatre caractéristiques. La première caractéristique est la durée de vie. Les cellules au lithium fer phosphate atteignent généralement quatre mille à six mille cycles à quatre-vingts pour cent de rétention de capacité, contre deux mille à trois mille cycles pour les cellules nickel-manganèse-cobalt. La deuxième caractéristique est la stabilité thermique. Les cellules au lithium fer phosphate ne subissent pas d’emballement thermique jusqu’à ce que les températures dépassent deux cent soixante-dix degrés Celsius, offrant ainsi une marge de sécurité plus large. La troisième caractéristique est une courbe de tension plate. La tension change lentement avec un état de charge compris entre vingt et quatre-vingts pour cent, ce qui simplifie l'algorithme de charge. La quatrième caractéristique est une composition sans cobalt, ce qui réduit les risques liés à la chaîne d'approvisionnement et le coût des matériaux. Le tableau ci-dessous compare les compositions chimiques des batteries pour les applications de systèmes de stockage de batteries à portée étendue. Paramètre Lithium Fer Phosphate Nickel Manganèse Cobalt Plomb Acide Durée de vie jusqu'à 80 pour cent 4 000 à 6 000 cycles 2 000 à 3 000 cycles 500 à 1 000 cycles Efficacité aller-retour 92 à 95 pour cent 90 à 93 pour cent 75 à 85 pour cent Plage de température de fonctionnement moins 20 à 60 Celsius moins 10 à 55 Celsius moins 40 à 50 Celsius Densité énergétique 120 à 160 wattheures par kilogramme 200 à 250 wattheures par kilogramme 30 à 40 wattheures par kilogramme Coût par kilowattheure 100 à 130 dollars 110 à 140 dollars 50 à 80 dollars Fenêtre d'état de charge recommandée 20 à 80 pour cent 30 à 70 pour cent 50 à 80 pour cent Pour les applications de systèmes de stockage par batterie à autonomie étendue, le lithium fer phosphate fournit le meilleur équilibre entre durée de vie et sécurité malgré une densité énergétique inférieure à celle du nickel-manganèse-cobalt.
Le dimensionnement de la batterie dans un système de stockage sur batterie à portée étendue nécessite des calculs différents de ceux du stockage sur batterie autonome. La principale différence est que la batterie n’est pas nécessaire pour fournir toute l’énergie quotidienne. Au lieu de cela, la batterie fournit de l’énergie entre les fonctionnements du générateur. Injet HanCang utilise une méthodologie de dimensionnement en cinq étapes. La première étape détermine la puissance de charge moyenne en kilowatts. La deuxième étape détermine le temps souhaité entre les fonctionnements du générateur en heures. La troisième étape multiplie la puissance de charge par la durée d'exécution souhaitée pour obtenir l'énergie de la batterie. La quatrième étape ajoute un tampon de trente pour cent pour les contraintes de fenêtre d’état de charge. La cinquième étape arrondit à la taille de module de batterie standard la plus proche. Par exemple, un site avec une charge moyenne de cent kilowatts et un intervalle de fonctionnement du générateur souhaité de quatre heures nécessite une énergie de batterie de quatre cents kilowattheures avant la mise en mémoire tampon. En ajoutant trente pour cent, on obtient cinq cent vingt kilowattheures. La taille standard la plus proche du module Injet HanCang est de six cents kilowattheures. Le générateur démarrera toutes les quatre heures sous une charge moyenne, fonctionnera pendant environ une heure et rechargera la batterie de trente à soixante-dix pour cent de son état de charge.
Un système de stockage de batterie à autonomie étendue prolonge la durée de vie de la batterie en évitant les décharges profondes et un état de maintien de charge élevé. Injet HanCang a effectué un test de durée de vie comparant trois régimes de fonctionnement. Le premier régime faisait passer les batteries de dix pour cent à quatre-vingt-dix pour cent de leur état de charge, ce qui représente un fonctionnement autonome sur batterie. Le deuxième régime est passé de trente pour cent à soixante-dix pour cent, ce qui représente un fonctionnement à portée étendue. Le troisième régime est passé de quarante pour cent à soixante pour cent, ce qui représente une opération agressive à portée étendue. Tous les tests ont utilisé les mêmes cellules au lithium fer phosphate à une température ambiante de vingt-cinq degrés Celsius. Les résultats ont montré que le régime de dix à quatre-vingt-dix pour cent atteignait une rétention de capacité de quatre-vingts pour cent après trois mille deux cents cycles. Le régime de trente à soixante-dix pour cent a atteint quatre-vingts pour cent après cinq mille quatre cents cycles, soit une augmentation de soixante-neuf pour cent. Le régime de quarante à soixante pour cent a atteint quatre-vingts pour cent après six mille huit cents cycles, soit plus du double du régime autonome. Le système de stockage sur batterie à portée étendue double ou triple donc efficacement la durée de vie de la batterie par rapport à un fonctionnement autonome. Des tests supplémentaires ont examiné l'effet du taux de charge sur la durée de vie. Le système de stockage de batterie à portée étendue se charge généralement à un taux C de cinq pour un. Le test a comparé la charge du point cinq C à la charge d’un C dans la fenêtre de trente à soixante-dix pour cent. Le groupe de charge point cinq C a réalisé cinq mille six cents cycles. Le groupe de charge One C a réalisé cinq mille cycles. Une charge plus lente offre un avantage de durée de vie de douze pour cent.
Le fonctionnement d’un système de stockage sur batterie à autonomie étendue nécessite des paramètres de gestion de batterie spécifiques. La première idée est que l’algorithme d’estimation de l’état de charge doit tenir compte de l’ondulation du courant de charge du générateur. Les redresseurs de générateur produisent une petite composante CA sur le bus CC. Cette ondulation provoque des erreurs de mesure de courant pouvant atteindre 2 pour cent. Injet HanCang a ajouté un filtre passe-bas au circuit de mesure de courant, réduisant ainsi l'erreur à zéro virgule trois pour cent. La deuxième idée est que le circuit d’équilibrage de la batterie fonctionne moins fréquemment dans les systèmes à autonomie étendue, car la batterie reste dans la région de l’état de charge intermédiaire où les tensions des cellules sont plus uniformes. L'équilibrage peut être programmé de manière hebdomadaire plutôt que continue, réduisant ainsi la consommation d'énergie des résistances d'équilibrage. Le troisième point technique concernant la conception d’un système de stockage par batterie à autonomie étendue est que la demande de refroidissement de la batterie est inférieure à celle des systèmes autonomes. Les décharges profondes génèrent plus de chaleur en raison d’une résistance interne plus élevée à faible état de charge. En évitant les décharges profondes, le fonctionnement à portée étendue réduit la température moyenne des cellules de trois à quatre degrés Celsius. Une température plus basse réduit directement le taux de croissance de l’interface électrolytique solide, prolongeant ainsi la durée de vie du calendrier. Injet HanCang a mesuré le vieillissement calendaire à quarante-cinq degrés Celsius et à quarante degrés Celsius. La réduction de cinq degrés a réduit la capacité de production de trente pour cent en dix-huit mois.
Un système de stockage par batterie à portée étendue peut être intégré à la production solaire photovoltaïque ou éolienne. L'intégration ajoute de la complexité car la production renouvelable est variable. Injet HanCang a développé un algorithme de contrôle qui donne la priorité à la recharge renouvelable plutôt qu'à la recharge par générateur. Lorsque l’énergie solaire dépasse la demande de charge, l’excédent charge la batterie. Le générateur reste éteint. Lorsque l’énergie solaire est insuffisante, la batterie comble le déficit. Le générateur ne démarre que lorsque l’état de charge de la batterie tombe en dessous de trente pour cent et que l’énergie solaire devrait être faible pour les deux prochaines heures. Les données d’un système de stockage par batterie solaire à autonomie étendue en Arizona montrent l’efficacité de cette approche. Le site dispose d'un panneau solaire de cent cinquante kilowatts, d'une batterie de six cents kilowattheures et d'un générateur de cent quatre-vingts kilowatts. Sur une période de douze mois, le générateur n'a fourni que huit pour cent de l'énergie totale. L'énergie solaire a fourni cinquante-deux pour cent. Le réseau a fourni quarante pour cent pendant les périodes de maintenance. Le générateur a démarré à soixante-deux reprises, chaque fonctionnement ayant duré en moyenne une virgule huit heures. Sans l’énergie solaire, le générateur aurait fourni environ quarante pour cent d’énergie sur la base du même profil de charge.
Une tour de télécommunications à distance constitue une application idéale pour un système de stockage par batterie à portée étendue. La tour consomme une charge constante de quinze kilowatts pour les équipements radio et de cinq kilowatts en pointe pour la climatisation. L’alimentation du réseau n’est pas disponible. Un système de batterie autonome dimensionné pour deux jours d'autonomie nécessiterait neuf cent soixante kilowattheures, ce qui coûterait environ cent vingt mille dollars avec un remplacement tous les cinq ans. Un système avec générateur uniquement consommerait quinze mille litres de carburant par an pour un coût de vingt mille dollars. Injet HanCang a installé un système de stockage par batterie à autonomie étendue avec une batterie de deux cents kilowattheures et un générateur de vingt kilowatts. La batterie offre douze heures d'autonomie. Le générateur fonctionne huit heures par jour, rechargeant la batterie tout en alimentant la charge. La consommation annuelle de carburant est de quatre mille litres, soit une réduction de soixante-treize pour cent par rapport à la solution avec générateur uniquement. La batterie devrait durer huit ans sur la base d’une fenêtre de cycle de trente à soixante-dix pour cent. La période de récupération par rapport au fonctionnement d’un générateur uniquement est de trois ans. Le tableau ci-dessous résume la comparaison. Solution Premier coût Coût annuel du carburant Remplacement de la batterie tous les dix ans Coût total du générateur seulement 25 000 dollars 20 000 dollars Sans objet 225 000 dollars Batterie autonome 120 000 dollars 0 dollar 5 ans 240 000 dollars Stockage de batterie étendu à portée 85 000 dollars 5 000 dollars 8 ans 135 000 dollars Le système de stockage de batterie à portée étendue a le coût total le plus bas sur dix ans malgré la présence de composants de batterie et de générateur.
Dans un système hybride, le générateur peut alimenter directement la charge. Dans un système à autonomie étendue, le générateur charge uniquement la batterie. La charge provient toujours de la batterie. Cette différence permet au générateur de fonctionner à son point de puissance optimal quelle que soit la variation de charge.
Injet HanCang conçoit une gamme étendue de systèmes de stockage par batterie pour fonctionner entre trente et soixante-dix pour cent d'état de charge. La profondeur maximale de décharge de soixante-dix pour cent à trente pour cent est de quarante pour cent, contre quatre-vingt à quatre-vingt-dix pour cent dans les systèmes autonomes.
Oui, un système de batterie existant peut être converti en ajoutant un générateur, un redresseur et un contrôleur. Injet HanCang propose des kits de mise à niveau pour les systèmes de batteries jusqu'à cinq ans. Le système de gestion de batterie existant doit prendre en charge le contrôle de charge externe.
Sur la base des données clients d'Injet HanCang, la période d'amortissement pour l'ajout d'une extension d'autonomie varie de deux à cinq ans en fonction de la durée de fonctionnement du générateur et des coûts locaux de carburant. Le retour sur investissement est le plus court lorsque l’alternative est un parc de batteries plus grand.
Non, les cellules standard au lithium fer phosphate fonctionnent bien dans les applications à portée étendue. Cependant, des cellules optimisées pour les cycles de charge partiels sont disponibles auprès de certains fabricants. Injet HanCang peut fournir les deux types.
Un système de stockage de batterie à portée étendue d'Injet HanCang utilise des batteries au lithium fer phosphate fonctionnant dans une fenêtre d'état de charge de trente à soixante-dix pour cent. Les tests de durée de vie montrent que le fonctionnement étendu atteint cinq mille quatre cents cycles pour une rétention de capacité de quatre-vingts pour cent, soit une augmentation de soixante-neuf pour cent par rapport au fonctionnement autonome. Les informations techniques incluent un filtrage des ondulations de courant, une fréquence d'équilibrage réduite et une demande de refroidissement inférieure. L'intégration avec l'énergie solaire photovoltaïque est prise en charge par un algorithme de contrôle qui donne la priorité à la recharge renouvelable. Un exemple d'application de télécommunications à distance montre un coût total sur dix ans de cent trente-cinq mille dollars pour le stockage à autonomie étendue, contre deux cent vingt-cinq mille dollars pour le générateur uniquement et deux cent quarante mille dollars pour une batterie autonome. Les clients potentiels peuvent demander une proposition de dimensionnement de batterie à Injet HanCang.