Un sistema di accumulo della batteria con autonomia estesa integra un banco di batterie primarie con un generatore ausiliario che ricarica la batteria durante il funzionamento. Questa configurazione differisce dalla conservazione a batteria convenzionale perché la batteria non si scarica mai completamente. Il generatore mantiene la batteria entro una finestra di stato di carica di fascia media, in genere dal 30 al 70%. Injet HanCang ha sviluppato una piattaforma di sistemi di accumulo di batterie con gamma estesa che ottimizza l'interazione tra la chimica della batteria, il controllo del generatore e la gestione del carico. Questo articolo presenta considerazioni sulla progettazione specifiche della batteria, dati sulla durata del ciclo ed esempi di applicazione.
La batteria è il componente principale di qualsiasi sistema di accumulo con autonomia estesa. Injet HanCang seleziona la chimica del fosfato di litio ferro per tutti i sistemi in base a quattro caratteristiche. La prima caratteristica è il ciclo di vita. Le celle al litio ferro fosfato raggiungono tipicamente da quattromila a seimila cicli fino all'ottanta per cento di ritenzione della capacità, rispetto ai duemila o tremila cicli delle celle al nichel manganese cobalto. La seconda caratteristica è la stabilità termica. Le celle al litio ferro fosfato non subiscono instabilità termica finché le temperature non superano i duecentosettanta gradi Celsius, fornendo un margine di sicurezza più ampio. La terza caratteristica è la curva di tensione piatta. La tensione cambia lentamente con lo stato di carica tra il venti e l'ottanta per cento, il che semplifica l'algoritmo di carica. La quarta caratteristica è la composizione priva di cobalto, che riduce il rischio della catena di approvvigionamento e il costo dei materiali. La tabella seguente mette a confronto le caratteristiche chimiche delle batterie per le applicazioni dei sistemi di accumulo della batteria con autonomia estesa. Parametro Litio Ferro Fosfato Nichel Manganese Cobalto Piombo Acido Durata del ciclo all'80% da 4.000 a 6.000 cicli da 2.000 a 3.000 cicli da 500 a 1.000 cicli Efficienza di andata e ritorno dal 92 al 95% dal 90 al 93% dal 75 all'85% Intervallo di temperatura di esercizio da meno 20 a 60 gradi Celsius da meno 10 a 55 gradi Celsius da meno 40 a 50 gradi Celsius Densità di energia da 120 a 160 wattora per chilogrammo da 200 a 250 wattora per chilogrammo da 30 a 40 wattora per chilogrammo Costo per kilowattora da 100 a 130 dollari da 110 a 140 dollari da 50 a 80 dollari Finestra dello stato di carica consigliato dal 20 all'80% dal 30 al 70% dal 50 all'80% Per applicazioni con sistemi di accumulo di batterie con autonomia estesa, il fosfato di litio ferro fornisce il miglior equilibrio tra durata del ciclo e sicurezza nonostante una densità di energia inferiore rispetto al nichel-manganese-cobalto.
Il dimensionamento della batteria in un sistema di accumulo con autonomia estesa richiede calcoli diversi rispetto allo stoccaggio con batteria autonoma. La differenza fondamentale è che la batteria non è tenuta a fornire tutta l’energia giornaliera. Invece, la batteria fornisce energia tra un funzionamento e l'altro del generatore. Injet HanCang utilizza una metodologia di dimensionamento in cinque fasi. Il primo passo determina la potenza di carico media in kilowatt. Il secondo passaggio determina il tempo desiderato tra i funzionamenti del generatore in ore. Il terzo passaggio moltiplica la potenza del carico per il tempo di funzionamento desiderato per ottenere l'energia della batteria. Il quarto passaggio aggiunge un buffer del 30% per i vincoli della finestra sullo stato di addebito. Il passaggio cinque arrotonda per eccesso alla dimensione del modulo batteria standard più vicina. Ad esempio, un sito con un carico medio di cento kilowatt e un intervallo di funzionamento del generatore desiderato di quattro ore richiede un'energia della batteria di quattrocento kilowattora prima del buffer. Aggiungendo il trenta per cento si ottengono cinquecentoventi kilowattora. La dimensione standard del modulo Injet HanCang più vicina è di seicento kilowattora. Il generatore si avvierà ogni quattro ore a carico medio, funzionerà per circa un'ora e ricaricherà la batteria dal trenta al settanta per cento dello stato di carica.
Un sistema di accumulo della batteria con autonomia estesa prolunga la durata del ciclo della batteria evitando scariche profonde e mantenimento di uno stato di carica elevato. Injet HanCang ha condotto un test di durata del ciclo confrontando tre regimi operativi. Il primo regime fa passare le batterie dal 10% al 90% dello stato di carica, rappresentando il funzionamento autonomo della batteria. Il secondo regime variava dal trenta al settanta per cento, rappresentando un funzionamento con autonomia estesa. Il terzo regime è passato dal quaranta al sessanta per cento, rappresentando un'operazione aggressiva con estensione del raggio d'azione. Tutti i test hanno utilizzato le stesse celle al litio ferro fosfato a una temperatura ambiente di venticinque gradi Celsius. I risultati hanno mostrato che il regime dal 10 al 90% ha raggiunto il mantenimento della capacità dell’80% dopo tremiladuecento cicli. Il regime dal trenta al settanta per cento raggiunse l'ottanta per cento dopo cinquemilaquattrocento cicli, un aumento del sessantanove per cento. Il regime dal quaranta al sessanta per cento ha raggiunto l’ottanta per cento dopo seimilaottocento cicli, più del doppio del regime autonomo. Il sistema di accumulo della batteria con autonomia estesa raddoppia o triplica quindi effettivamente la durata della batteria rispetto al funzionamento autonomo. Ulteriori test hanno esaminato l'effetto della velocità di carica sulla durata del ciclo. Il sistema di accumulo della batteria con autonomia estesa in genere si carica a una velocità C di virgola cinque a uno. Il test ha confrontato la ricarica al punto cinque C con la ricarica a una C entro la finestra dal trenta al settanta per cento. Il gruppo di ricarica punto cinque C ha raggiunto cinquemilaseicento cicli. Il gruppo di ricarica One C ha raggiunto cinquemila cicli. Una ricarica più lenta offre un vantaggio del 12% in termini di durata del ciclo.
Il funzionamento di un sistema di accumulo della batteria con autonomia estesa richiede impostazioni specifiche di gestione della batteria. La prima intuizione è che l’algoritmo di stima dello stato di carica deve tenere conto dell’ondulazione della corrente di carica del generatore. I raddrizzatori del generatore producono un piccolo componente CA sul bus CC. Questa ondulazione provoca errori di misurazione della corrente fino al 2%. Injet HanCang ha aggiunto un filtro passa basso al circuito di misurazione della corrente, riducendo l'errore allo zero virgola tre per cento. La seconda intuizione è che il circuito di bilanciamento della batteria funziona meno frequentemente nei sistemi con autonomia estesa perché la batteria rimane nella regione dello stato di carica intermedio dove le tensioni delle celle sono più uniformi. Il bilanciamento può essere programmato settimanalmente anziché in modo continuo, riducendo il consumo di energia da parte dei resistori di bilanciamento. La terza intuizione tecnica per la progettazione di sistemi di accumulo a batteria con autonomia estesa è che la richiesta di raffreddamento della batteria è inferiore rispetto ai sistemi autonomi. Le scariche profonde generano più calore a causa della maggiore resistenza interna a un basso stato di carica. Evitando scariche profonde, il funzionamento con autonomia estesa riduce la temperatura media della cella di tre o quattro gradi Celsius. Una temperatura più bassa riduce direttamente il tasso di crescita dell'interfaccia dell'elettrolita solido, prolungando la durata del calendario. Injet HanCang ha misurato l'invecchiamento del calendario a quarantacinque gradi Celsius e a quaranta gradi Celsius. La riduzione di cinque gradi della capacità ridotta diminuisce del 30% in diciotto mesi.
Un sistema di accumulo di batterie con autonomia estesa può essere integrato con la generazione solare fotovoltaica o eolica. L’integrazione aggiunge complessità perché la generazione rinnovabile è variabile. Injet HanCang ha sviluppato un algoritmo di controllo che dà priorità alla ricarica rinnovabile rispetto a quella del generatore. Quando l’energia solare supera la richiesta di carico, l’eccesso carica la batteria. Il generatore rimane spento. Quando l’energia solare è insufficiente, la batteria compensa il deficit. Il generatore si avvia solo quando lo stato di carica della batteria scende al di sotto del 30% e si prevede che l'energia solare sarà scarsa per le prossime due ore. I dati provenienti da un sistema di accumulo di batterie estese con autonomia solare in Arizona mostrano l’efficacia di questo approccio. Il sito ha un impianto solare da centocinquanta kilowatt, una batteria da seicento kilowattora e un generatore da centottanta kilowatt. Nell'arco di dodici mesi il generatore ha fornito solo l'8% dell'energia totale. Il solare ha fornito il cinquantadue per cento. La rete ne forniva il quaranta per cento durante i periodi di manutenzione. Il generatore si è avviato in sessantadue occasioni, ciascuna con una media di 1,8 ore. Senza l’energia solare, il generatore avrebbe fornito circa il 40% dell’energia in base allo stesso profilo di carico.
Una torre per telecomunicazioni remote fornisce un'applicazione ideale per un sistema di accumulo di batterie con autonomia estesa. La torre consuma un carico costante di quindici kilowatt per le apparecchiature radio e cinque kilowatt di picco per l'aria condizionata. La potenza della rete non è disponibile. Un sistema di batterie autonomo dimensionato per due giorni di autonomia richiederebbe novecentosessanta kilowattora, con un costo di circa centoventimila dollari con sostituzione ogni cinque anni. Un sistema basato esclusivamente su un generatore consumerebbe quindicimila litri di carburante all'anno per un costo di ventimila dollari. Injet HanCang ha installato un sistema di accumulo della batteria con autonomia estesa con una batteria da duecento kilowattora e un generatore da venti kilowatt. La batteria garantisce dodici ore di autonomia. Il generatore funziona per otto ore al giorno, ricaricando la batteria e alimentando anche il carico. Il consumo annuo di carburante è di quattromila litri, una riduzione del 73% rispetto alla soluzione con solo generatore. Si prevede che la batteria durerà otto anni in base alla finestra di ciclismo dal trenta al settanta per cento. Il periodo di ammortamento rispetto al funzionamento del solo generatore è di tre anni. La tabella seguente riassume il confronto. Soluzione Primo costo Costo annuale del carburante Sostituzione della batteria ogni dieci anni Costo totale Solo generatore 25.000 dollari 20.000 dollari Non applicabile 225.000 dollari Batteria autonoma 120.000 dollari 0 dollari 5 anni 240.000 dollari Autonomia di stoccaggio della batteria estesa 85.000 dollari 5.000 dollari 8 anni 135.000 dollari Il sistema di stoccaggio della batteria con autonomia estesa ha il costo totale decennale più basso nonostante abbia sia componenti della batteria che del generatore.
In un sistema ibrido, il generatore può alimentare direttamente il carico. In un sistema con autonomia estesa, il generatore carica solo la batteria. Il carico attinge sempre dalla batteria. Questa differenza consente al generatore di funzionare al suo punto di potenza ottimale indipendentemente dalla variazione del carico.
Injet HanCang progetta una gamma di sistemi di accumulo di batterie estesi per funzionare tra il trenta e il settanta per cento dello stato di carica. La profondità massima di scarica dal 70% al 30% è del 40%, rispetto all'80-90% dei sistemi autonomi.
Sì, un sistema di batterie esistente può essere convertito aggiungendo un generatore, un raddrizzatore e un controller. Injet HanCang offre kit di retrofit per sistemi di batterie fino a cinque anni. Il sistema di gestione della batteria esistente deve supportare il controllo esterno della carica.
Sulla base dei dati dei clienti Injet HanCang, il periodo di ammortamento per l’aggiunta dell’estensione dell’autonomia varia da due a cinque anni a seconda del tempo di funzionamento del generatore e dei costi locali del carburante. Il recupero dell’investimento è più breve quando l’alternativa è un banco di batterie più grande.
No, le celle standard al litio ferro fosfato funzionano bene nelle applicazioni con range esteso. Tuttavia, presso alcuni produttori sono disponibili celle ottimizzate per il ciclo parziale dello stato di carica. Injet HanCang può fornire entrambi i tipi.
Un sistema di accumulo di batterie con autonomia estesa di Injet HanCang utilizza batterie al litio ferro fosfato che funzionano entro una finestra di stato di carica dal trenta al settanta per cento. I test sulla durata del ciclo mostrano che il funzionamento con range esteso raggiunge i cinquemilaquattrocento cicli fino all'ottanta per cento di mantenimento della capacità, un aumento del sessantanove per cento rispetto al funzionamento autonomo. Gli approfondimenti tecnici includono il filtraggio dell'ondulazione corrente, una frequenza di bilanciamento ridotta e una minore richiesta di raffreddamento. L’integrazione con il solare fotovoltaico è supportata attraverso un algoritmo di controllo che dà priorità alla ricarica rinnovabile. Un esempio di applicazione di telecomunicazioni remote mostra un costo totale in dieci anni di centotrentacinquemila dollari per lo stoccaggio a distanza estesa rispetto a duecentoventicinquemila dollari per il solo generatore e duecentoquarantamila dollari per la batteria autonoma. I potenziali clienti possono richiedere una proposta di dimensionamento della batteria a Injet HanCang.