Introdução
Um sistema híbrido de armazenamento de energia de alcance estendido combina duas ou mais tecnologias de armazenamento com um gerador auxiliar. Esta topologia utiliza a alta densidade de energia das baterias, a alta densidade de potência dos supercapacitores ou volantes e o potencial de autonomia ilimitado de um gerador. Cada componente lida com diferentes partes do perfil de carga. O supercapacitor gerencia picos de energia em escala de milissegundos a segundos. A bateria gerencia o fornecimento de energia em escala de minuto a hora. O gerador gerencia a recarga em escala horária. A Injet HanCang construiu um sistema híbrido estendido de alcance de duzentos e cinquenta quilowatts para uma aplicação de guindaste portuário e um sistema de cem quilowatts para uma estação de carregamento rápido. Este artigo descreve a arquitetura, a estratégia de controle e os resultados medidos de ambas as instalações.
Seleção de Componentes para Operação Híbrida
Um sistema de armazenamento de energia híbrido de alcance estendido requer uma seleção cuidadosa de cada tecnologia de armazenamento. A bateria deve ter alta densidade de energia e capacidade moderada de energia. A Injet HanCang seleciona células de bateria de fosfato de ferro-lítio com um design que prioriza o ciclo de vida em vez da densidade de energia. A bateria opera a uma taxa C máxima de um. O supercapacitor deve ter densidade de potência muito alta e baixa resistência interna. A Injet HanCang seleciona células supercapacitores com potência específica de dez quilowatts por quilograma e eficiência de ida e volta de noventa e sete por cento. O gerador deve ser dimensionado para corresponder à carga média após a remoção das contribuições da bateria e do supercapacitor. Na aplicação de guindaste portuário, a carga média após a redução do pico foi de sessenta quilowatts, portanto foi selecionado um gerador a diesel de sessenta quilowatts. O tamanho da bateria foi determinado pela necessidade de operar por duas horas sem suporte de gerador, resultando em um banco de baterias de cento e vinte quilowatts-hora. O banco de supercapacitores foi dimensionado para suportar a potência de pico do guindaste de quatrocentos quilowatts por cinco segundos, resultando em um banco de dois megawatts.
Hierarquia de controle para sistemas de três componentes
O sistema de controle para um sistema híbrido de armazenamento de energia de alcance estendido opera em três escalas de tempo. Na escala de milissegundos, o supercapacitor responde aos transientes de carga através de um circuito de controle de queda. A tensão do supercapacitor é monitorada em um quilohertz e a potência é ajustada para manter a tensão dentro de uma banda estreita. Na segunda escala, a bateria fornece energia para manter a tensão do barramento CC e recarregar o supercapacitor. Na escala de minutos, o gerador inicia se o estado de carga da bateria cair abaixo de trinta por cento e a tensão do supercapacitor estiver abaixo de noventa por cento da nominal. A Injet HanCang implementou essa hierarquia usando um conjunto de portas programáveis em campo para o circuito do supercapacitor e um controlador lógico programável para a bateria e o gerador. O tempo de resposta medido para uma etapa de carga de quinhentos A foi de dois milissegundos do supercapacitor e quarenta milissegundos da bateria.
Resultados do teste de instalação de guindaste portuário
A aplicação do guindaste portuário proporcionou o teste mais exigente da gama estendida do sistema híbrido de armazenamento de energia. O guindaste opera com um perfil de carga altamente variável. Levantar um contêiner requer quatrocentos quilowatts por cinco segundos. Abaixar um contêiner regenera duzentos quilowatts por cinco segundos. O ciclo se repete aproximadamente a cada dois minutos. A Injet HanCang conduziu um teste de quatro horas registrando cento e vinte ciclos de elevação. O sistema híbrido de alcance estendido forneceu toda a potência de pico do supercapacitor. A bateria forneceu potência média de sessenta quilowatts. O gerador deu partida uma vez durante o teste, quando o estado de carga da bateria atingiu vinte e oito por cento após cinquenta minutos de operação contínua. O gerador funcionou por vinte minutos, recarregando a bateria em cinquenta e cinco por cento. O combustível total consumido foi de um vírgula oito litros. Sem o armazenamento híbrido, uma solução apenas com gerador exigiria um gerador de quatrocentos quilowatts em marcha lenta entre os elevadores, consumindo cerca de quinze litros de combustível no mesmo período.
Medições de eficiência em todos os níveis de potência
A eficiência geral do sistema de um sistema de armazenamento de energia híbrido estendido varia com o nível de potência. A Injet HanCang mediu a eficiência em três níveis de potência usando a instalação do guindaste portuário. Com baixa potência, definida como menos de cinquenta quilowatts, a bateria fornecia diretamente com noventa e dois por cento de eficiência. O supercapacitor foi ignorado porque sua corrente de fuga reduziria a eficiência em baixa potência. Na potência média, definida como cinquenta a duzentos quilowatts, a bateria fornecia com eficiência de noventa e um por cento e o supercapacitor permanecia ocioso. Em alta potência, definida como acima de duzentos quilowatts, o supercapacitor fornecia noventa e sete por cento de eficiência e a bateria contribuía com a energia restante por meio do conversor DC DC. O gerador forneceu energia com eficiência de trinta e três por cento durante o funcionamento. A eficiência média ponderada do sistema completo, de todas as fontes até a carga durante o teste de quatro horas, foi de oitenta e quatro por cento. Isso se compara a sessenta e três por cento para um sistema somente gerador e setenta e seis por cento para um sistema somente bateria com a mesma capacidade de carga de pico.
Extensão da vida útil da bateria por meio de hibridização
O supercapacitor reduz a exposição da bateria a pulsos de alta taxa C, que são a principal causa do envelhecimento acelerado. No teste do guindaste portuário, a bateria obteve uma taxa C máxima de 0,8 C, enquanto a carga exigiu taxas C de até seis vírgula sete C. A Injet HanCang projetou a vida útil da bateria com base no perfil de corrente medido no teste de quatro horas. Sem a hibridização de supercapacitores, a bateria teria experimentado oito mil ciclos de alta taxa por ano em taxas C acima de dois. Com a hibridização, a bateria passa por quatrocentos ciclos de taxa moderada por ano a taxas C abaixo de um. O intervalo projetado de substituição da bateria se estende de dois a sete anos. A vida útil do supercapacitor, com base nos dados de tensão e temperatura do teste, excede quinze anos para o ciclo de trabalho testado. A degradação da capacitância medida após o teste de quatro horas foi de zero vírgula zero cinco por cento.
Dados de aplicação da estação de carregamento rápido
Um sistema de armazenamento de energia híbrido estendido de segunda faixa foi instalado em uma estação de carregamento rápido de veículos elétricos. A estação tem conexão à rede limitada a cem quilowatts, mas atende veículos que podem aceitar até trezentos quilowatts. O sistema híbrido de alcance estendido usa uma bateria de cem quilowatts-hora, um banco de supercapacitores de um megawatt com capacidade para trinta segundos e um gerador de cinquenta quilowatts. A Injet HanCang coletou dados durante três meses de operação. A estação atendeu quatrocentos e vinte veículos no período. O supercapacitor controlou toda a corrente de partida durante a conexão do veículo, que chega a trezentos quilowatts por dez segundos. A bateria forneceu a potência de carregamento sustentada de cem quilowatts para o restante de cada sessão de carregamento. O gerador foi ligado em doze ocasiões quando o estado de carga da bateria caiu abaixo de trinta por cento devido a sessões de carregamento consecutivas sem tempo de recarga da rede. As horas totais de operação do gerador foram de seis horas. O consumo total de combustível foi de dezoito litros. A conexão à rede nunca foi excedida. O tempo médio de carregamento do veículo foi de vinte e dois minutos, em comparação com quarenta e cinco minutos sem o sistema de armazenamento.
Análise Econômica para Aplicações de Alta Potência
Um sistema híbrido de armazenamento de energia com alcance estendido tem um custo inicial mais alto do que um sistema de bateria simples devido ao supercapacitor e sua eletrônica de potência. No entanto, para aplicações com picos frequentes de alta potência, o custo total de propriedade pode ser menor. A Injet HanCang realizou uma análise econômica para a aplicação de guindastes portuários em um horizonte de dez anos. O sistema apenas de bateria exigia uma bateria de um megawatt para lidar com os picos de quatrocentos quilowatts, custando quatrocentos mil dólares. A substituição da bateria no terceiro e no sexto ano adicionou trezentos mil dólares cada, totalizando um milhão de dólares em dez anos. O sistema híbrido usava uma bateria de cento e vinte quilowatts-hora custando setenta mil dólares, um banco de supercapacitores de dois megawatts custando quarenta mil dólares e um gerador de sessenta quilowatts custando vinte mil dólares. A substituição da bateria no sétimo ano somou setenta mil dólares. O custo total dos componentes em dez anos foi de duzentos mil dólares. O sistema híbrido economizou oitocentos mil dólares em custos de componentes em comparação com o sistema somente com bateria. O combustível e a manutenção do gerador acrescentaram cinco mil dólares por ano, ou cinquenta mil dólares ao longo de dez anos, resultando numa economia líquida de setecentos e cinquenta mil dólares.
Limitações Práticas e Restrições de Design
Os sistemas híbridos de alcance estendido são mais complexos de controlar e comissionar do que os sistemas de armazenamento único. A Injet HanCang observou que o ajuste dos parâmetros de controle para a instalação do guindaste portuário exigiu três semanas de ajuste no local. O banco de supercapacitores requer um circuito de balanceamento para manter a uniformidade de tensão entre as células. O circuito de balanceamento acrescenta aproximadamente quinze por cento ao custo do sistema supercapacitor. O gerador deve ser dimensionado cuidadosamente para evitar ciclos excessivos de partida e parada. Um ciclo de partida e parada mais frequente do que uma vez por hora reduz a vida útil do gerador. O gerador limitado à instalação de guindaste portuário inicia no máximo seis por dia através da lógica de controle. A instalação da estação de carregamento rápido não teve esse limite porque as partidas do gerador ocorreram apenas doze vezes ao longo de três meses. Locais com expectativa de partida do gerador superior a duas por dia devem considerar uma bateria maior para reduzir a ciclagem do gerador.
Conclusão
O sistema de armazenamento de energia híbrido de alcance estendido combina recursos de bateria, supercapacitor e gerador em uma única unidade coordenada. Os dados de teste do protótipo de guindaste portuário da Injet HanCang mostram uma eficiência ponderada de oitenta e quatro por cento, uma extensão da vida útil da bateria de dois para sete anos e uma economia de combustível de noventa por cento em comparação com um sistema somente gerador. A análise económica do guindaste portuário revelou uma poupança líquida de setecentos e cinquenta mil dólares ao longo de dez anos, em comparação com um sistema apenas de bateria. Os dados da estação de carregamento rápido confirmaram a operação bem-sucedida com quatrocentos e vinte veículos atendidos e sem violações dos limites da rede. Esses resultados indicam que o armazenamento híbrido com alcance estendido é economicamente viável para aplicações de alta potência de pico e carga variável, como guindastes, carregadores rápidos e equipamentos de elevação industrial.