Um sistema de armazenamento de bateria com alcance estendido integra um banco de baterias primário com um gerador auxiliar que recarrega a bateria durante a operação. Esta configuração difere do armazenamento convencional por bateria porque a bateria nunca descarrega totalmente. O gerador mantém a bateria dentro de uma janela de estado de carga intermediário, normalmente de trinta a setenta por cento. A Injet HanCang desenvolveu uma plataforma de sistema de armazenamento de bateria de alcance estendido que otimiza a interação entre a química da bateria, o controle do gerador e o gerenciamento de carga. Este artigo apresenta considerações de projeto específicas da bateria, dados de ciclo de vida e exemplos de aplicação.
A bateria é o componente principal de qualquer sistema de armazenamento de bateria com alcance estendido. A Injet HanCang seleciona a química de fosfato de ferro-lítio para todos os sistemas devido a quatro características. A primeira característica é o ciclo de vida. As células de fosfato de ferro-lítio normalmente atingem de quatro mil a seis mil ciclos a oitenta por cento de retenção de capacidade, em comparação com dois mil a três mil ciclos para células de níquel-manganês-cobalto. A segunda característica é a estabilidade térmica. As células de fosfato de ferro-lítio não sofrem fuga térmica até que as temperaturas excedam duzentos e setenta graus Celsius, proporcionando uma margem de segurança mais ampla. A terceira característica é a curva de tensão plana. A tensão muda lentamente com o estado de carga entre vinte e oitenta por cento, o que simplifica o algoritmo de carregamento. A quarta característica é a composição isenta de cobalto, que reduz o risco da cadeia de abastecimento e o custo dos materiais. A tabela abaixo compara os produtos químicos da bateria para aplicações de sistemas de armazenamento de bateria com alcance estendido. Parâmetro Lítio Ferro Fosfato Níquel Manganês Cobalto Chumbo Ácido Vida útil do ciclo até 80 por cento 4.000 a 6.000 ciclos 2.000 a 3.000 ciclos 500 a 1.000 ciclos Eficiência de ida e volta 92 a 95 por cento 90 a 93 por cento 75 a 85 por cento Faixa de temperatura operacional menos 20 a 60 Celsius menos 10 a 55 Celsius menos 40 a 50 Celsius Densidade de energia 120 a 160 watts-hora por quilograma 200 a 250 watts-hora por quilograma 30 a 40 watts-hora por quilograma Custo por quilowatt-hora 100 a 130 dólares 110 a 140 dólares 50 a 80 dólares Janela de estado de carga recomendado 20 a 80 por cento 30 a 70 por cento 50 a 80 por cento Para aplicações de sistema de armazenamento de bateria de alcance estendido, ferro de lítio o fosfato fornece o melhor equilíbrio entre ciclo de vida e segurança, apesar da menor densidade de energia do que o níquel manganês cobalto.
O dimensionamento da bateria em um sistema de armazenamento de bateria com alcance estendido requer cálculos diferentes dos do armazenamento de bateria independente. A principal diferença é que a bateria não é necessária para fornecer toda a energia diária. Em vez disso, a bateria fornece energia entre as operações do gerador. A Injet HanCang usa uma metodologia de dimensionamento em cinco etapas. A primeira etapa determina a potência média de carga em quilowatts. A segunda etapa determina o tempo desejado entre as operações do gerador em horas. A terceira etapa multiplica a potência de carga pelo tempo de execução desejado para obter energia da bateria. A etapa quatro adiciona um buffer de trinta por cento para restrições da janela de estado de carga. Etapa cinco, arredondando para o tamanho padrão mais próximo do módulo de bateria. Por exemplo, um local com carga média de cem quilowatts e intervalo de funcionamento desejado do gerador de quatro horas requer uma energia de bateria de quatrocentos quilowatts-hora antes do buffer. Adicionar trinta por cento dá quinhentos e vinte quilowatts-hora. O tamanho padrão mais próximo do módulo Injet HanCang é de seiscentos quilowatts-hora. O gerador dará partida a cada quatro horas sob carga média, funcionará por aproximadamente uma hora e recarregará a bateria de trinta a setenta por cento do estado de carga.
Um sistema de armazenamento de bateria com alcance estendido prolonga a vida útil da bateria, evitando descargas profundas e alto estado de retenção de carga. A Injet HanCang conduziu um teste de ciclo de vida comparando três regimes operacionais. O primeiro regime ciclou as baterias do estado de carga de dez por cento a noventa por cento, representando a operação autônoma da bateria. O segundo regime variou de trinta por cento a setenta por cento, representando uma operação com alcance estendido. O terceiro regime variou de quarenta por cento para sessenta por cento, representando uma operação agressiva de alcance estendido. Todos os testes usaram as mesmas células de fosfato de ferro-lítio a uma temperatura ambiente de vinte e cinco graus Celsius. Os resultados mostraram que o regime de dez a noventa por cento atingiu oitenta por cento de retenção de capacidade após três mil e duzentos ciclos. O regime de trinta a setenta por cento atingiu oitenta por cento após cinco mil e quatrocentos ciclos, um aumento de sessenta e nove por cento. O regime de quarenta a sessenta por cento atingiu oitenta por cento após seis mil e oitocentos ciclos, mais do dobro do regime autónomo. O sistema de armazenamento de bateria com alcance estendido, portanto, duplica ou triplica efetivamente a vida útil da bateria em comparação com a operação autônoma. Testes adicionais examinaram o efeito da taxa de carga no ciclo de vida. O sistema de armazenamento de bateria com alcance estendido normalmente carrega a uma taxa C de vírgula cinco para um. O teste comparou o carregamento do ponto cinco C com o carregamento de um C dentro da janela de trinta a setenta por cento. O grupo de carregamento do ponto cinco C atingiu cinco mil e seiscentos ciclos. O grupo de carregamento C atingiu cinco mil ciclos. O carregamento mais lento proporciona um benefício de 12% no ciclo de vida.
Operar um sistema de armazenamento de bateria com alcance estendido requer configurações específicas de gerenciamento de bateria. O primeiro insight é que o algoritmo de estimativa do estado de carga deve levar em conta a ondulação da corrente de carga do gerador. Os retificadores do gerador produzem um pequeno componente CA no barramento CC. Essa ondulação causa erros de medição de corrente de até dois por cento. A Injet HanCang adicionou um filtro passa-baixo ao circuito de medição de corrente, reduzindo o erro para zero vírgula três por cento. A segunda conclusão é que o circuito de balanceamento da bateria opera com menos frequência em sistemas com alcance estendido porque a bateria permanece na região de estado médio de carga, onde as tensões das células são mais uniformes. O balanceamento pode ser programado semanalmente em vez de continuamente, reduzindo o consumo de energia dos resistores de balanceamento. A terceira visão técnica para o projeto de sistemas de armazenamento de bateria com alcance estendido é que a demanda de resfriamento da bateria é menor do que em sistemas independentes. Descargas profundas geram mais calor devido à maior resistência interna em baixo estado de carga. Ao evitar descargas profundas, a operação com autonomia estendida reduz a temperatura média da célula em três a quatro graus Celsius. A temperatura mais baixa reduz diretamente a taxa de crescimento da interface do eletrólito sólido, prolongando a vida útil do calendário. A Injet HanCang mediu o envelhecimento do calendário a quarenta e cinco graus Celsius e a quarenta graus Celsius. A redução de cinco graus reduziu a capacidade em trinta por cento ao longo de dezoito meses.
Um sistema de armazenamento de bateria com alcance estendido pode ser integrado à geração solar fotovoltaica ou eólica. A integração acrescenta complexidade porque a geração renovável é variável. A Injet HanCang desenvolveu um algoritmo de controle que prioriza a carga renovável em relação à carga do gerador. Quando a energia solar excede a demanda de carga, o excesso carrega a bateria. O gerador permanece desligado. Quando a energia solar é insuficiente, a bateria supre o déficit. O gerador só dá partida quando o estado de carga da bateria cai abaixo de trinta por cento e a energia solar está prevista para ser baixa nas próximas duas horas. Dados de um sistema de armazenamento de bateria solar com alcance estendido no Arizona mostram a eficácia dessa abordagem. O local possui um painel solar de cento e cinquenta quilowatts, uma bateria de seiscentos quilowatts-hora e um gerador de cento e oitenta quilowatts. Durante um período de doze meses, o gerador forneceu apenas 8% da energia total. A Solar forneceu cinquenta e dois por cento. A rede forneceu quarenta por cento durante os períodos de manutenção. O gerador deu partida em sessenta e duas ocasiões, cada operação com duração média de um ponto oito horas. Sem a energia solar, o gerador teria fornecido cerca de quarenta por cento da energia com base no mesmo perfil de carga.
Uma torre de telecomunicações remota fornece uma aplicação ideal para um sistema de armazenamento de bateria com alcance estendido. A torre consome uma carga constante de quinze quilowatts para equipamentos de rádio e cinco quilowatts de pico para ar condicionado. A energia da rede não está disponível. Um sistema de bateria independente dimensionado para dois dias de autonomia exigiria novecentos e sessenta quilowatts-hora, custando aproximadamente cento e vinte mil dólares com substituição a cada cinco anos. Um sistema somente gerador consumiria quinze mil litros de combustível anualmente a um custo de vinte mil dólares. A Injet HanCang instalou um sistema de armazenamento de bateria de alcance estendido com uma bateria de duzentos quilowatts-hora e um gerador de vinte quilowatts. A bateria oferece doze horas de autonomia. O gerador funciona oito horas por dia, recarregando a bateria e ao mesmo tempo alimentando a carga. O consumo anual de combustível é de quatro mil litros, uma redução de setenta e três por cento em relação à solução apenas com gerador. A bateria está projetada para durar oito anos com base na janela de ciclismo de trinta a setenta por cento. O período de retorno em comparação com a operação apenas do gerador é de três anos. A tabela abaixo resume a comparação. Solução Primeiro custo Custo anual de combustível Substituição da bateria a cada dez anos Custo total Apenas gerador 25.000 dólares 20.000 dólares Não aplicável 225.000 dólares Bateria autônoma 120.000 dólares 0 dólares 5 anos 240.000 dólares Armazenamento de bateria estendido com alcance 85.000 dólares 5.000 dólares 8 anos 135.000 dólares O sistema de armazenamento de bateria de alcance estendido tem o menor custo total de dez anos, apesar de ter componentes de bateria e gerador.
Num sistema híbrido, o gerador pode alimentar a carga diretamente. Num sistema de autonomia estendida, o gerador apenas carrega a bateria. A carga sempre é retirada da bateria. Essa diferença permite que o gerador opere em seu ponto de potência ideal independente da variação de carga.
Os projetos da Injet HanCang abrangem sistemas estendidos de armazenamento de bateria para operar entre trinta e setenta por cento do estado de carga. A profundidade máxima de descarga de setenta por cento a trinta por cento é de quarenta por cento, em comparação com oitenta a noventa por cento em sistemas independentes.
Sim, um sistema de bateria existente pode ser convertido adicionando um gerador, retificador e controlador. A Injet HanCang oferece kits de retrofit para sistemas de baterias com até cinco anos de idade. O sistema de gerenciamento de bateria existente deve suportar controle de carregamento externo.
Com base nos dados dos clientes da Injet HanCang, o período de retorno para adicionar extensão de autonomia varia de dois a cinco anos, dependendo do tempo de funcionamento do gerador e dos custos locais de combustível. O retorno é mais curto quando a alternativa é um banco de baterias maior.
Não, as células padrão de fosfato de ferro-lítio funcionam bem em aplicações de amplo alcance. No entanto, células otimizadas para ciclos de estado de carga parcial estão disponíveis em alguns fabricantes. A Injet HanCang pode fornecer qualquer tipo.
Um sistema de armazenamento de bateria de alcance estendido da Injet HanCang usa baterias de fosfato de ferro-lítio operando dentro de uma janela de estado de carga de trinta a setenta por cento. Os testes de ciclo de vida mostram que a operação estendida atinge cinco mil e quatrocentos ciclos com retenção de oitenta por cento da capacidade, um aumento de sessenta e nove por cento em relação à operação autônoma. Os insights técnicos incluem filtragem de oscilação de corrente, frequência de balanceamento reduzida e menor demanda de resfriamento. A integração com energia solar fotovoltaica é suportada por um algoritmo de controle que prioriza o carregamento renovável. Um exemplo de aplicação de telecomunicações remotas mostra um custo total de cento e trinta e cinco mil dólares em dez anos para armazenamento de alcance estendido, em comparação com duzentos e vinte e cinco mil dólares apenas para gerador e duzentos e quarenta mil dólares para bateria autônoma. Clientes potenciais podem solicitar uma proposta de dimensionamento de bateria da Injet HanCang.