Introduction
Un système de stockage d’énergie hybride à portée étendue combine deux ou plusieurs technologies de stockage avec un générateur auxiliaire. Cette topologie utilise la haute densité énergétique des batteries, la haute densité de puissance des supercondensateurs ou des volants d'inertie et le potentiel d'autonomie illimité d'un générateur. Chaque composant gère différentes parties du profil de charge. Le supercondensateur gère les pics de puissance de la milliseconde à la seconde. La batterie gère la fourniture d’énergie à l’échelle minute par heure. Le générateur gère la recharge à l'échelle horaire. Injet HanCang a construit un système hybride étendu de 250 kilowatts pour une application de grue portuaire et un système de 100 kilowatts pour une station de recharge rapide. Cet article décrit l'architecture, la stratégie de contrôle et les résultats mesurés des deux installations.
Sélection des composants pour un fonctionnement hybride
Un système de stockage d’énergie hybride à portée étendue nécessite une sélection minutieuse de chaque technologie de stockage. La batterie doit avoir une densité énergétique élevée et une capacité de puissance modérée. Injet HanCang sélectionne des cellules de batterie au lithium fer phosphate dont la conception donne la priorité à la durée de vie plutôt qu'à la densité de puissance. La batterie fonctionne à un taux C maximum de un. Le supercondensateur doit avoir une densité de puissance très élevée et une faible résistance interne. Injet HanCang sélectionne des cellules de supercondensateur d'une puissance spécifique de dix kilowatts par kilogramme et d'un rendement aller-retour de quatre-vingt-dix-sept pour cent. Le générateur doit être dimensionné pour correspondre à la charge moyenne une fois les contributions de la batterie et du supercondensateur supprimées. Dans l'application de la grue portuaire, la charge moyenne après écrêtage des pointes était de soixante kilowatts, c'est pourquoi un générateur diesel de soixante kilowatts a été sélectionné. La taille de la batterie a été déterminée par la nécessité de fonctionner pendant deux heures sans l'aide d'un générateur, ce qui donne un parc de batteries de cent vingt kilowattheures. La batterie de supercondensateurs a été dimensionnée pour gérer la puissance maximale de la grue de quatre cents kilowatts pendant cinq secondes, ce qui a donné lieu à une batterie de deux mégawatts.
Hiérarchie de contrôle pour les systèmes à trois composants
Le système de contrôle d’un système de stockage d’énergie hybride à autonomie étendue fonctionne sur trois échelles de temps. À l'échelle de la milliseconde, le supercondensateur répond aux transitoires de charge via une boucle de contrôle de statisme. La tension du supercondensateur est surveillée à un kilohertz et la puissance est ajustée pour maintenir la tension dans une bande étroite. À la deuxième échelle, la batterie fournit l’énergie nécessaire pour maintenir la tension du bus CC et recharger le supercondensateur. À l’échelle des minutes, le générateur démarre si l’état de charge de la batterie tombe en dessous de trente pour cent et si la tension du supercondensateur est inférieure à quatre-vingt-dix pour cent de la valeur nominale. Injet HanCang a mis en œuvre cette hiérarchie en utilisant un réseau de portes programmables sur site pour la boucle du supercondensateur et un contrôleur logique programmable pour la batterie et le générateur. Le temps de réponse mesuré à un pas de charge de cinq cents ampères était de deux millisecondes pour le supercondensateur et de quarante millisecondes pour la batterie.
Résultats des tests d'installation de la grue portuaire
L'application de la grue portuaire a fourni le test le plus exigeant du système de stockage d'énergie hybride à gamme étendue. La grue fonctionne avec un profil de charge très variable. Soulever un conteneur nécessite quatre cents kilowatts pendant cinq secondes. Abaisser un conteneur régénère deux cents kilowatts pendant cinq secondes. Le cycle se répète environ toutes les deux minutes. Injet HanCang a effectué un test de quatre heures enregistrant cent vingt cycles de levage. Le système hybride à portée étendue fournissait toute la puissance de pointe du supercondensateur. La batterie fournissait une puissance moyenne de soixante kilowatts. Le générateur a démarré une fois pendant le test, lorsque l'état de charge de la batterie a atteint vingt-huit pour cent après cinquante minutes de fonctionnement continu. Le générateur a fonctionné pendant vingt minutes, rechargeant la batterie à cinquante-cinq pour cent. La consommation totale de carburant était d'un virgule huit litres. Sans le stockage hybride, une solution avec générateur uniquement aurait nécessité un générateur de quatre cents kilowatts fonctionnant au ralenti entre les ascenseurs, consommant environ quinze litres de carburant sur la même période.
Mesures d'efficacité sur tous les niveaux de puissance
L’efficacité globale d’un système de stockage d’énergie hybride à portée étendue varie en fonction du niveau de puissance. Injet HanCang a mesuré l'efficacité à trois niveaux de puissance à l'aide de l'installation de la grue portuaire. À faible puissance, définie comme inférieure à cinquante kilowatts, la batterie fournissait directement avec une efficacité de quatre-vingt-douze pour cent. Le supercondensateur a été contourné car son courant de fuite réduirait l'efficacité à faible puissance. À puissance moyenne, définie entre cinquante et deux cents kilowatts, la batterie fournissait avec un rendement de quatre-vingt-onze pour cent et le supercondensateur restait inactif. À haute puissance, définie comme supérieure à deux cents kilowatts, le supercondensateur fournissait avec une efficacité de quatre-vingt-dix-sept pour cent et la batterie contribuait à la puissance restante via le convertisseur DC DC. Le générateur fournissait de l'énergie avec un rendement de trente-trois pour cent lorsqu'il fonctionnait. L'efficacité moyenne pondérée du système complet, de toutes les sources jusqu'à la charge, au cours du test de quatre heures, était de quatre-vingt-quatre pour cent. Cela se compare à soixante-trois pour cent pour un système avec générateur uniquement et à soixante-seize pour cent pour un système avec batterie uniquement avec la même capacité de charge de pointe.
Extension de la durée de vie du cycle de batterie grâce à l'hybridation
Le supercondensateur réduit l’exposition de la batterie aux impulsions à taux C élevé, qui sont l’une des principales causes de vieillissement accéléré. Lors du test de la grue portuaire, la batterie a enregistré un taux C maximum de huit virgule cinq degrés C, alors que la charge exigeait des taux C allant jusqu'à six virgule sept C. Injet HanCang a projeté la durée de vie du cycle de la batterie sur la base du profil de courant mesuré lors du test de quatre heures. Sans l’hybridation des supercondensateurs, la batterie aurait connu huit mille cycles à haut débit par an à des taux C supérieurs à deux. Avec l'hybridation, la batterie subit quatre cents cycles de taux modérés par an à des taux C inférieurs à un. L’intervalle prévu de remplacement des batteries s’étend de deux à sept ans. La durée de vie du supercondensateur, basée sur les données de tension et de température du test, dépasse quinze ans pour le cycle de service testé. La dégradation de capacité mesurée après le test de quatre heures était de zéro virgule zéro cinq pour cent.
Données d'application de la station de recharge rapide
Un système de stockage d’énergie hybride étendu de deuxième autonomie a été installé sur une borne de recharge rapide pour véhicules électriques. La station dispose d'une connexion au réseau limitée à cent kilowatts mais dessert des véhicules pouvant accepter jusqu'à trois cents kilowatts. Le système hybride à portée étendue utilise une batterie de cent kilowattheures, une batterie de supercondensateurs d'un mégawatt d'une durée de trente secondes et un générateur de cinquante kilowatts. Injet HanCang a collecté des données sur trois mois d'exploitation. La gare a desservi quatre cent vingt véhicules au cours de la période. Le supercondensateur a géré tout le courant d'appel lors de la connexion du véhicule, qui atteint trois cents kilowatts pendant dix secondes. La batterie a fourni une puissance de charge soutenue de cent kilowatts pour le reste de chaque session de charge. Le générateur a démarré à douze reprises lorsque l'état de charge de la batterie est tombé en dessous de trente pour cent en raison de sessions de charge consécutives sans temps de recharge du réseau. Les heures totales de fonctionnement du générateur étaient de six heures. La consommation totale de carburant était de dix-huit litres. Le raccordement au réseau n'a jamais été dépassé. Le temps moyen de recharge des véhicules était de vingt-deux minutes, contre quarante-cinq minutes sans le système de stockage.
Analyse économique pour les applications haute puissance
Un système de stockage d’énergie hybride à autonomie étendue a un coût initial plus élevé qu’un simple système de batterie en raison du supercondensateur et de son électronique de puissance. Toutefois, pour les applications présentant de fréquents pics de puissance élevés, le coût total de possession peut être inférieur. Injet HanCang a réalisé une analyse économique pour l'application de la grue portuaire sur un horizon de dix ans. Le système à batterie uniquement nécessitait une batterie d’un mégawatt pour gérer les pics de quatre cents kilowatts, ce qui coûtait quatre cent mille dollars. Le remplacement des batteries au cours des troisième et sixième années a ajouté trois cent mille dollars chacun, pour un total d'un million de dollars sur dix ans. Le système hybride utilisait une batterie de cent vingt kilowattheures coûtant soixante-dix mille dollars, une batterie de supercondensateurs de deux mégawatts coûtant quarante mille dollars et un générateur de soixante kilowatts coûtant vingt mille dollars. Le remplacement de la batterie au cours de la septième année a ajouté soixante-dix mille dollars. Le coût total des composants sur dix ans était de deux cent mille dollars. Le système hybride a permis d'économiser huit cent mille dollars en coûts de composants par rapport au système à batterie uniquement. Le carburant et l'entretien du générateur ont ajouté cinq mille dollars par an, soit cinquante mille dollars sur dix ans, ce qui a entraîné une économie nette de sept cent cinquante mille dollars.
Limitations pratiques et contraintes de conception
Les systèmes hybrides à portée étendue sont plus complexes à contrôler et à mettre en service que les systèmes de stockage simples. Injet HanCang a observé que le réglage des paramètres de contrôle de l'installation de la grue portuaire nécessitait trois semaines d'ajustement sur site. La batterie de supercondensateurs nécessite un circuit d'équilibrage pour maintenir l'uniformité de tension entre les cellules. Le circuit d'équilibrage ajoute environ quinze pour cent au coût du système de supercondensateur. Le générateur doit être dimensionné avec soin pour éviter des cycles de démarrage et d’arrêt excessifs. Un cycle de démarrage et d'arrêt plus fréquent qu'une fois par heure réduit la durée de vie du générateur. Le générateur limité de l'installation de la grue portuaire démarre à un maximum de six par jour grâce à une logique de contrôle. L’installation de bornes de recharge rapide n’avait pas cette limite car les démarrages des générateurs n’ont eu lieu qu’à douze reprises sur trois mois. Les sites dont les démarrages de générateurs prévus dépassent deux par jour devraient envisager une batterie plus grande pour réduire le cycle du générateur.
Conclusion
Le système de stockage d’énergie hybride à gamme étendue combine les capacités de batterie, de supercondensateur et de générateur en une seule unité coordonnée. Les données de test du prototype de grue portuaire d'Injet HanCang montrent une efficacité pondérée de quatre-vingt-quatre pour cent, une prolongation de la durée de vie de la batterie de deux à sept ans et une économie de carburant de quatre-vingt-dix pour cent par rapport à un système avec générateur uniquement. L'analyse économique de la grue portuaire a montré une économie nette de sept cent cinquante mille dollars sur dix ans par rapport à un système uniquement sur batterie. Les données de la borne de recharge rapide ont confirmé un fonctionnement réussi avec quatre cent vingt véhicules desservis et aucune violation des limites du réseau. Ces résultats indiquent que le stockage hybride à autonomie étendue est économiquement viable pour les applications à puissance de crête élevée et à charge variable telles que les grues, les chargeurs rapides et les équipements de levage industriels.