Introduzione
Un sistema di accumulo di energia ibrido con gamma estesa combina due o più tecnologie di accumulo con un generatore ausiliario. Questa topologia sfrutta l’elevata densità di energia delle batterie, l’elevata densità di potenza dei supercondensatori o dei volani e il potenziale di autonomia illimitato di un generatore. Ciascun componente gestisce parti diverse del profilo di carico. Il supercondensatore gestisce picchi di potenza su scala millisecondo o secondo. La batteria gestisce l'erogazione di energia su scala minuto per ora. Il generatore gestisce la ricarica della bilancia giorno per giorno. Injet HanCang ha costruito un sistema ibrido esteso con autonomia di duecentocinquanta kilowatt per un'applicazione con gru portuale e un sistema da cento kilowatt per una stazione di ricarica rapida. Questo articolo descrive l'architettura, la strategia di controllo e i risultati misurati di entrambe le installazioni.
Selezione dei componenti per il funzionamento ibrido
Un sistema di accumulo di energia ibrido con una gamma estesa richiede un'attenta selezione di ciascuna tecnologia di accumulo. La batteria deve avere un'elevata densità di energia e una capacità di potenza moderata. Injet HanCang seleziona celle della batteria al litio ferro fosfato con un design che dà priorità alla durata del ciclo rispetto alla densità di potenza. La batteria funziona a un tasso C massimo di uno. Il supercondensatore dovrebbe avere una densità di potenza molto elevata e una bassa resistenza interna. Injet HanCang seleziona celle di supercondensatori con una potenza specifica di dieci kilowatt per chilogrammo e un'efficienza di andata e ritorno del novantasette%. Il generatore deve essere dimensionato in modo da corrispondere al carico medio dopo aver rimosso i contributi della batteria e del supercondensatore. Nell'applicazione della gru portuale, il carico medio dopo il picco di riduzione era di sessanta kilowatt, quindi è stato selezionato un generatore diesel da sessanta kilowatt. La dimensione della batteria è stata determinata dalla necessità di funzionare per due ore senza il supporto del generatore, risultando in un banco di batterie da centoventi kilowattora. Il banco di supercondensatori è stato dimensionato per gestire la potenza di picco della gru di quattrocento kilowatt per cinque secondi, risultando in un banco da due megawatt.
Gerarchia di controllo per sistemi a tre componenti
Il sistema di controllo per un sistema di accumulo di energia ibrido ad autonomia estesa opera su tre scale temporali. Su scala millisecondo, il supercondensatore risponde ai transitori di carico attraverso un circuito di controllo dello statismo. La tensione del supercondensatore viene monitorata a un kilohertz e la potenza viene regolata per mantenere la tensione entro una banda stretta. Nella seconda scala, la batteria fornisce energia per mantenere la tensione del bus CC e per ricaricare il supercondensatore. Su scala minima, il generatore si avvia se lo stato di carica della batteria scende al di sotto del 30% e la tensione del supercondensatore è inferiore al 90% del valore nominale. Injet HanCang ha implementato questa gerarchia utilizzando un gate array programmabile sul campo per il circuito del supercondensatore e un controller logico programmabile per la batteria e il generatore. Il tempo di risposta misurato a un gradino di carico di cinquecento amp è stato di due millisecondi dal supercondensatore e quaranta millisecondi dalla batteria.
Risultati dei test di installazione della gru portuale
L'applicazione della gru portuale ha rappresentato il test più impegnativo della gamma estesa di sistemi di accumulo di energia ibridi. La gru funziona con un profilo di carico altamente variabile. Il sollevamento di un container richiede quattrocento kilowatt per cinque secondi. Abbassando un contenitore si rigenerano duecento kilowatt per cinque secondi. Il ciclo si ripete ogni due minuti circa. Injet HanCang ha condotto un test di quattro ore registrando centoventi cicli di sollevamento. Il sistema ibrido ad autonomia estesa ha fornito tutta la potenza di picco dal supercondensatore. La batteria forniva una potenza media di sessanta kilowatt. Il generatore si è avviato una volta durante il test, quando lo stato di carica della batteria ha raggiunto il 28% dopo cinquanta minuti di funzionamento continuo. Il generatore ha funzionato per venti minuti, ricaricando la batteria al cinquantacinque per cento. Il carburante totale consumato è stato di uno virgola otto litri. Senza lo stoccaggio ibrido, una soluzione basata esclusivamente sul generatore avrebbe richiesto un generatore da quattrocento kilowatt al minimo tra gli ascensori, consumando circa quindici litri di carburante nello stesso periodo.
Misurazioni dell'efficienza attraverso i livelli di potenza
L'efficienza complessiva del sistema di accumulo di energia ibrido ad autonomia estesa varia in base al livello di potenza. Injet HanCang ha misurato l'efficienza a tre livelli di potenza utilizzando l'installazione della gru portuale. A bassa potenza, definita sotto i cinquanta kilowatt, la batteria forniva direttamente con un'efficienza del 92%. Il supercondensatore è stato bypassato perché la sua corrente di dispersione ridurrebbe l'efficienza a bassa potenza. A potenza media, definita da cinquanta a duecento kilowatt, la batteria veniva fornita con un'efficienza del 91% e il supercondensatore rimaneva inattivo. Ad alta potenza, definita come superiore a duecento kilowatt, il supercondensatore forniva un'efficienza del 97% e la batteria forniva la potenza rimanente attraverso il convertitore CC/CC. Il generatore forniva energia con un'efficienza del 33% durante il funzionamento. L'efficienza media ponderata del sistema completo, da tutte le fonti al carico, durante il test di quattro ore, è stata dell'84%. Ciò si confronta con il 63% per un sistema di solo generatore e il 76% per un sistema di sola batteria con la stessa capacità di carico di picco.
Estensione della durata del ciclo della batteria attraverso l'ibridazione
Il supercondensatore riduce l’esposizione della batteria agli impulsi ad alto tasso di C, che sono una delle principali cause di invecchiamento accelerato. Nel test della gru portuale, la batteria ha registrato un tasso di C massimo pari a virgola otto C, mentre il carico richiedeva tassi di C fino a sei virgola sette C. Injet HanCang ha previsto la durata del ciclo della batteria in base al profilo di corrente misurato dal test di quattro ore. Senza l’ibridazione dei supercondensatori, la batteria avrebbe subito ottomila cicli ad alta velocità all’anno con tassi di C superiori a due. Con l'ibridazione, la batteria subisce quattrocento cicli a velocità moderata all'anno con tassi di C inferiori a uno. L'intervallo previsto per la sostituzione della batteria va da due a sette anni. La durata del supercondensatore, basata sui dati di tensione e temperatura del test, supera i quindici anni per il ciclo di lavoro testato. La degradazione della capacità misurata dopo il test di quattro ore è stata pari a zero virgola zero cinque%.
Dati applicativi della stazione di ricarica rapida
Un sistema di accumulo di energia ibrido esteso di seconda autonomia è stato installato presso una stazione di ricarica rapida per veicoli elettrici. La stazione ha una connessione alla rete limitata a cento kilowatt ma serve veicoli che possono accettare fino a trecento kilowatt. Il sistema ibrido con autonomia estesa utilizza una batteria da cento kilowattora, un banco di supercondensatori da un megawatt con durata di trenta secondi e un generatore da cinquanta kilowatt. Injet HanCang ha raccolto dati in tre mesi di attività. La stazione ha servito durante il periodo quattrocentoventi veicoli. Il supercondensatore gestisce tutta la corrente di spunto durante la connessione del veicolo, che raggiunge i trecento kilowatt per dieci secondi. La batteria ha fornito la potenza di carica continua di cento kilowatt per il resto di ogni sessione di ricarica. Il generatore si è avviato in dodici occasioni quando lo stato di carica della batteria è sceso al di sotto del 30% a causa di sessioni di ricarica consecutive senza tempo di ricarica della rete. Le ore di funzionamento totali del generatore sono state di sei ore. Il consumo totale di carburante era di diciotto litri. La connessione alla rete non è mai stata superata. Il tempo medio di ricarica del veicolo è stato di ventidue minuti, rispetto ai quarantacinque minuti senza il sistema di accumulo.
Analisi economica per applicazioni ad alta potenza
Un sistema di accumulo di energia ibrido con autonomia estesa ha costi iniziali più elevati rispetto a un semplice sistema di batterie a causa del supercondensatore e della sua elettronica di potenza. Tuttavia, per le applicazioni con frequenti picchi di potenza elevati, il costo totale di proprietà potrebbe essere inferiore. Injet HanCang ha eseguito un'analisi economica per l'applicazione della gru portuale su un orizzonte di dieci anni. Il sistema a sola batteria richiedeva una batteria da un megawatt per gestire i picchi di quattrocento kilowatt, per un costo di quattrocentomila dollari. La sostituzione della batteria al terzo e al sesto anno ha comportato un costo di trecentomila dollari ciascuno, per un totale di un milione di dollari in dieci anni. Il sistema ibrido utilizzava una batteria da centoventi kilowattora che costava settantamila dollari, un banco di supercondensatori da due megawatt che costava quarantamila dollari e un generatore da sessanta kilowatt che costava ventimila dollari. La sostituzione della batteria al settimo anno ha comportato un costo di settantamila dollari. Il costo totale dei componenti in dieci anni è stato di duecentomila dollari. Il sistema ibrido ha consentito di risparmiare ottocentomila dollari sui costi dei componenti rispetto al sistema esclusivamente a batteria. Il carburante e la manutenzione del generatore aggiungevano cinquemila dollari all'anno, ovvero cinquantamila dollari in dieci anni, con un conseguente risparmio netto di settecentocinquantamila dollari.
Limitazioni pratiche e vincoli di progettazione
I sistemi ibridi con range esteso sono più complessi da controllare e mettere in servizio rispetto ai sistemi di storage singoli. Injet HanCang ha osservato che la messa a punto dei parametri di controllo per l'installazione della gru portuale richiedeva tre settimane di regolazione in loco. Il banco di supercondensatori richiede un circuito di bilanciamento per mantenere l'uniformità di tensione tra le celle. Il circuito di bilanciamento aggiunge circa il 15% al costo del sistema di supercondensatori. Il generatore deve essere dimensionato attentamente per evitare eccessivi cicli di start-stop. Un ciclo di avvio/arresto più frequente di una volta all'ora riduce la durata del generatore. Il generatore limitato dell'installazione della gru portuale si avvia fino a un massimo di sei al giorno attraverso la logica di controllo. L'installazione della stazione di ricarica rapida non prevedeva tale limite poiché l'avvio del generatore è avvenuto solo dodici volte nell'arco di tre mesi. I siti in cui si prevedono avvii del generatore superiori a due al giorno dovrebbero prendere in considerazione una batteria più grande per ridurre il ciclo del generatore.
Conclusione
Il sistema di accumulo di energia ibrido a gamma estesa combina le funzionalità di batteria, supercondensatore e generatore in un'unica unità coordinata. I dati dei test del prototipo della gru portuale di Injet HanCang mostrano un'efficienza ponderata dell'84%, un'estensione della durata della batteria da due a sette anni e un risparmio di carburante del novanta% rispetto a un sistema basato solo sul generatore. L’analisi economica della gru portuale ha evidenziato un risparmio netto di settecentocinquantamila dollari in dieci anni rispetto ad un sistema a sola batteria. I dati della stazione di ricarica rapida hanno confermato il buon funzionamento con 420 veicoli serviti e nessuna violazione dei limiti di rete. Questi risultati indicano che lo stoccaggio ibrido con autonomia estesa è economicamente fattibile per potenze di picco elevate e applicazioni a carico variabile come gru, caricabatterie rapidi e apparecchiature di sollevamento industriali.