Il concetto di estensione della portata nello stoccaggio delle batterie si riferisce a sistemi che combinano lo stoccaggio elettrochimico con la generazione supplementare o una maggiore capacità per prolungare la durata della scarica oltre i valori standard. Un sistema di accumulo della batteria con autonomia estesa risolve i limiti delle batterie autonome, che in genere forniscono durate di scarica da due a quattro ore. Integrando fonti di energia aggiuntive, come generatori di gas su piccola scala, celle a combustibile o banchi di batterie ausiliarie più grandi, questi sistemi raggiungono durate di scarica che soddisfano i requisiti di applicazioni di lunga durata.
Per INJET HanCang, l’attenzione ingegneristica rimane sull’ottimizzazione dell’equilibrio tra energia immagazzinata e generazione supplementare per ottenere finestre operative prevedibili ed estese. Questo articolo esamina l'architettura tecnica, le strategie di controllo e i dati sulle prestazioni associati ai sistemi di accumulo di batterie con autonomia estesa.
Un sistema di accumulo della batteria con autonomia estesa è definito dalla sua capacità di sostenere la scarica per durate superiori a sei ore, con alcune configurazioni che raggiungono le ventiquattro ore o più. Il sistema comprende un banco di batterie primarie, una fonte di energia secondaria e un sistema di controllo che coordina la sequenza di scarica.
La batteria primaria gestisce le richieste di carico immediate e fornisce una risposta rapida. La fonte supplementare si attiva quando lo stato di carica della batteria scende al di sotto di una soglia preimpostata. Questa configurazione differisce dai sistemi ibridi che attingono contemporaneamente da più fonti. In un progetto con autonomia estesa, la batteria rimane l'interfaccia principale con il carico, mentre la fonte supplementare ricarica la batteria o supporta direttamente il carico durante eventi prolungati. L'approccio di INJET HanCang utilizza un'architettura accoppiata in corrente continua, in cui la sorgente supplementare si collega allo stesso bus CC della batteria, semplificando la fase di conversione dell'energia.
La selezione dei componenti per un sistema a range esteso richiede l'analisi del profilo di scarico previsto. La capacità della batteria è dimensionata per la fase di scarica iniziale, mentre la capacità della fonte supplementare determina l'autonomia totale del sistema.
Per le applicazioni che richiedono una scarica di dieci ore, la batteria può essere dimensionata per quattro ore di capacità, con la fonte supplementare che fornisce le restanti sei ore. Ciò riduce il costo di capitale della batteria rispetto a un sistema autonomo dimensionato per dieci ore. La fonte supplementare deve avere una velocità di rampa che corrisponda alla curva di scarica della batteria. INJET HanCang utilizza un algoritmo di dimensionamento che modella il profilo di carico, il decadimento della tensione della batteria e l'efficienza della fonte supplementare per determinare la suddivisione ottimale della capacità. I dati sul campo indicano che questa suddivisione riduce il costo complessivo del sistema pur mantenendo la durata di scarica richiesta.
Diverse tecnologie fungono da fonti supplementari nei sistemi a range esteso. I generatori con motori alternativi offrono un'elevata densità di energia e un'affidabilità comprovata. Le celle a combustibile garantiscono un funzionamento più pulito ma comportano costi di capitale più elevati. Anche un secondo banco di batterie con caratteristiche chimiche diverse può fungere da fonte supplementare, sebbene ciò aumenti la complessità del sistema.
Per i sistemi INJET HanCang, la selezione della sorgente supplementare si basa sull'ambiente operativo dell'applicazione. Negli scenari di backup connessi alla rete, viene selezionato un generatore diesel o gas naturale. In luoghi remoti o sensibili alle emissioni, può essere preferibile un’estensione dell’autonomia della sola batteria utilizzando celle ad alta densità di energia. Il tempo di accensione della fonte supplementare è un parametro critico; tempi di avvio più rapidi riducono la capacità di riserva richiesta della batteria, consentendo una batteria primaria più piccola.
La funzione primaria del sistema di controllo è gestire la transizione dalla scarica della batteria al funzionamento con fonte supplementare. La transizione deve essere continua per evitare interruzioni del carico.
L'algoritmo di controllo monitora lo stato di carica della batteria e l'entità del carico. Quando lo stato di carica raggiunge una soglia prestabilita, la fonte supplementare inizia la sua sequenza di avvio. Durante il periodo di avviamento la batteria continua ad alimentare il carico. Una volta sincronizzata la fonte supplementare, il sistema passa a un funzionamento stazionario in cui la fonte ricarica la batteria o alimenta direttamente il carico. La logica di controllo di INJET HanCang include una banda di isteresi per prevenire il ciclo rapido della fonte supplementare, migliorando l'efficienza del carburante e riducendo l'usura.
Il funzionamento di un sistema ad autonomia estesa comporta costi di carburante quando si utilizza una fonte supplementare basata su generatore. La redditività economica dipende dal tasso di consumo di carburante del sistema e dalla frequenza degli eventi di scarico prolungati.
I dati provenienti dai siti operativi mostrano che un sistema con autonomia estesa consuma carburante a una velocità determinata dalla curva di consumo specifico del carburante del generatore. Il funzionamento del generatore al punto di carico più efficiente, in genere tra il settanta e l'ottanta per cento della capacità nominale, riduce al minimo il consumo di carburante. La logica di controllo dà la priorità alla ricarica della batteria a questo carico ottimale, anche se la richiesta di carico è inferiore. Questa strategia, adottata da INJET HanCang, migliora l'efficienza complessiva del sistema e riduce i costi operativi nel corso della vita del sistema.
L'inclusione di una fonte supplementare introduce ulteriori requisiti di manutenzione rispetto a una batteria autonoma. È necessaria una manutenzione regolare per il generatore o la cella a combustibile, compresi i cambi dell'olio, la sostituzione dei filtri e le ispezioni del sistema.
L'affidabilità del sistema range-extended è determinata dall'affidabilità combinata dei suoi componenti. INJET HanCang progetta il sistema in modo tale che la batteria possa gestire interruzioni di breve durata anche se la fonte supplementare non è disponibile. Questa ridondanza migliora la disponibilità del sistema. Gli intervalli di manutenzione sono definiti in base alle ore di funzionamento e il sistema di controllo tiene traccia del tempo di funzionamento per pianificare la manutenzione preventiva, riducendo i tempi di fermo imprevisti.
I sistemi di stoccaggio delle batterie con autonomia estesa forniscono una soluzione pratica per le applicazioni che richiedono durate di scarica superiori alla capacità delle batterie autonome. L'architettura del sistema, il dimensionamento dei componenti e la logica di controllo devono essere coordinati per ottenere un funzionamento affidabile ed economicamente vantaggioso. INJET HanCang offre competenze ingegneristiche nella progettazione di questi sistemi per soddisfare specifici requisiti economici e di durata.