Система хранения аккумуляторов с увеличенным запасом хода объединяет основной аккумуляторный блок со вспомогательным генератором, который подзаряжает аккумулятор во время работы. Эта конфигурация отличается от обычной аккумуляторной батареи, поскольку батарея никогда не разряжается полностью. Генератор поддерживает уровень заряда батареи в среднем диапазоне, обычно от тридцати до семидесяти процентов. Компания Injet HanCang разработала платформу системы хранения аккумуляторов с расширенным диапазоном действия, которая оптимизирует взаимодействие между химическим составом аккумуляторов, управлением генератором и управлением нагрузкой. В этой статье представлены конкретные соображения по проектированию аккумуляторов, данные о сроке службы и примеры применения.
Аккумулятор является основным компонентом любой аккумуляторной системы хранения с увеличенным запасом хода. Injet HanCang выбирает литий-железо-фосфатный состав для всех систем по четырем характеристикам. Первой характеристикой является цикл жизни. Литий-железо-фосфатные элементы обычно выдерживают от четырех тысяч до шести тысяч циклов с сохранением емкости на восемьдесят процентов по сравнению с двумя-тремя тысячами циклов для никель-марганцево-кобальтовых элементов. Вторая характеристика – термическая стабильность. Литий-железо-фосфатные элементы не подвергаются термическому разгону до тех пор, пока температура не превысит двести семьдесят градусов по Цельсию, что обеспечивает более широкий запас прочности. Третья характеристика — пологая кривая напряжения. Напряжение меняется медленно с уровнем заряда от двадцати до восьмидесяти процентов, что упрощает алгоритм зарядки. Четвертая характеристика — состав без кобальта, что снижает риски в цепочке поставок и стоимость материалов. В таблице ниже сравниваются химические характеристики аккумуляторов для систем хранения аккумуляторов с увеличенным радиусом действия. Параметр Литий Фосфат железа Никель Марганец Кобальт Свинцово-кислотный Срок службы до 80 процентов от 4000 до 6000 циклов от 2000 до 3000 циклов от 500 до 1000 циклов КПД в обоих направлениях от 92 до 95 процентов от 90 до 93 процентов от 75 до 85 процентов Диапазон рабочих температур от минус 20 до 60 градусов Цельсия от минус 10 до 55 Цельсия минус 40–50 градусов Цельсия Плотность энергии 120–160 ватт-часов на килограмм 200–250 ватт-часов на килограмм 30–40 ватт-часов на килограмм Стоимость за киловатт-час 100–130 долларов 110–140 долларов 50–80 долларов Рекомендуемый интервал уровня заряда 20–80 процентов 30–70 процентов 50– 80 процентов Для аккумуляторных систем с увеличенным запасом хода литий-железо-фосфат обеспечивает наилучший баланс срока службы и безопасности, несмотря на более низкую плотность энергии, чем никель-марганец-кобальт.
Выбор размера батареи в системе хранения с увеличенным радиусом действия требует иных расчетов, чем для автономной батареи. Ключевое отличие состоит в том, что батарея не требуется для обеспечения полной ежедневной энергии. Вместо этого батарея обеспечивает энергию между запусками генератора. Injet HanCang использует пятиэтапную методику определения размера. На первом этапе определяется средняя мощность нагрузки в киловаттах. Второй шаг определяет желаемое время между запусками генератора в часах. Шаг третий умножает мощность нагрузки на желаемое время работы, чтобы получить энергию батареи. На четвертом этапе добавляется тридцатипроцентный буфер для ограничений окна состояния заряда. Шаг пять, округляем до ближайшего стандартного размера аккумуляторного модуля. Например, объект со средней нагрузкой в сто киловатт и желаемым интервалом работы генератора в четыре часа требует энергии аккумулятора в четыреста киловатт-часов перед буфером. Прибавление тридцати процентов дает пятьсот двадцать киловатт-часов. Ближайший стандартный размер модуля Injet HanCang составляет шестьсот киловатт-часов. Генератор будет запускаться каждые четыре часа при средней нагрузке, работать примерно один час и заряжать батарею от тридцати до семидесяти процентов заряда.
Система хранения аккумуляторов с увеличенным запасом хода продлевает срок службы аккумуляторов, избегая глубоких разрядов и сохраняя высокий уровень заряда. Компания Injet HanCang провела циклическое испытание на долговечность, сравнив три режима работы. Первый режим циклически менял уровень заряда батарей от десяти до девяноста процентов, что представляет собой автономную работу от батареи. Второй режим изменялся от тридцати процентов до семидесяти процентов, что представляет собой работу с расширенным диапазоном. Третий режим изменялся от сорока процентов до шестидесяти процентов, что представляет собой агрессивную работу с расширенным диапазоном. Во всех испытаниях использовались одни и те же литий-железо-фосфатные элементы при температуре окружающей среды двадцать пять градусов Цельсия. Результаты показали, что в режиме от десяти до девяноста процентов сохранение емкости достигало восьмидесяти процентов после трех тысяч двухсот циклов. Режим от тридцати до семидесяти процентов достиг восьмидесяти процентов после пяти тысяч четырехсот циклов, то есть увеличение на шестьдесят девять процентов. Режим от сорока до шестидесяти процентов достиг восьмидесяти процентов после шести тысяч восьмисот циклов, что более чем вдвое превышает автономный режим. Таким образом, система хранения аккумуляторов с увеличенным запасом хода эффективно удваивает или утраивает срок службы батарей по сравнению с автономной работой. Дополнительные испытания изучали влияние скорости зарядки на срок службы. Система хранения аккумуляторов с увеличенным запасом хода обычно заряжается со скоростью C пять целых к одному. В ходе теста сравнивалась зарядка пятой точки C с зарядкой одной C в пределах окна от тридцати до семидесяти процентов. Группа зарядки точки пять C достигла пяти тысяч шестисот циклов. Группа зарядки one C достигла пяти тысяч циклов. Более медленная зарядка обеспечивает увеличение срока службы на двенадцать процентов.
Для работы системы хранения аккумуляторов с увеличенным запасом хода требуются определенные настройки управления аккумуляторами. Первый вывод заключается в том, что алгоритм оценки состояния заряда должен учитывать пульсации зарядного тока генератора. Генераторные выпрямители создают небольшую составляющую переменного тока на шине постоянного тока. Эта пульсация вызывает погрешности измерения тока до двух процентов. Компания Injet HanCang добавила фильтр нижних частот в схему измерения тока, сократив погрешность до нуля целых трех процентов. Второй вывод заключается в том, что схема балансировки батареи работает реже в системах с увеличенным радиусом действия, поскольку батарея остается в области среднего состояния заряда, где напряжения элементов более равномерны. Балансировку можно планировать еженедельно, а не постоянно, что снижает потребление энергии балансировочными резисторами. Третьим техническим выводом при проектировании системы хранения аккумуляторов с увеличенным радиусом действия является то, что потребность в охлаждении аккумуляторов ниже, чем в автономных системах. Глубокие разряды выделяют больше тепла из-за более высокого внутреннего сопротивления при низком уровне заряда. Избегая глубоких разрядов, работа с расширенным диапазоном снижает среднюю температуру элемента на три-четыре градуса Цельсия. Более низкая температура напрямую снижает скорость роста границы раздела твердых электролитов, продлевая срок службы. Injet HanCang измерил календарное старение при сорока пяти и сорока градусах Цельсия. Снижение на пять градусов снизило снижение производительности на тридцать процентов за восемнадцать месяцев.
Система хранения аккумуляторов с увеличенным радиусом действия может быть интегрирована с солнечной фотоэлектрической или ветровой генерацией. Интеграция усложняет ситуацию, поскольку производство электроэнергии из возобновляемых источников является переменным. Injet HanCang разработала алгоритм управления, который отдает приоритет зарядке от возобновляемых источников энергии над зарядкой от генератора. Когда солнечная энергия превышает потребность нагрузки, избыток заряжает батарею. Генератор остается выключенным. Когда солнечной энергии недостаточно, дефицит восполняет батарея. Генератор запускается только тогда, когда уровень заряда батареи падает ниже тридцати процентов и прогнозируется низкий уровень солнечной энергии в течение следующих двух часов. Данные системы хранения аккумуляторов с увеличенным радиусом действия солнечной энергии в Аризоне показывают эффективность этого подхода. На объекте есть солнечная батарея мощностью сто пятьдесят киловатт, батарея на шестьсот киловатт-часов и генератор мощностью сто восемьдесят киловатт. За двенадцатимесячный период генератор обеспечил лишь восемь процентов общей энергии. Solar поставляла пятьдесят два процента. Сеть обеспечивала сорок процентов электроэнергии в периоды технического обслуживания. Генератор запускался шестьдесят два раза, каждая продолжительность работы составляла в среднем одну целую восемь часов. Без солнечной энергии генератор обеспечивал бы примерно сорок процентов энергии при том же профиле нагрузки.
Удаленная телекоммуникационная вышка представляет собой идеальное применение для системы хранения аккумуляторов с увеличенным радиусом действия. Башня потребляет постоянную нагрузку пятнадцать киловатт на радиоаппаратуру и пять киловатт пиковую на кондиционирование. Сетевое питание недоступно. Автономная аккумуляторная система, рассчитанная на два дня автономной работы, потребует девятьсот шестьдесят киловатт-часов и будет стоить примерно сто двадцать тысяч долларов с заменой каждые пять лет. Система, состоящая только из генератора, будет потреблять пятнадцать тысяч литров топлива в год и стоит двадцать тысяч долларов. Компания Injet HanCang установила аккумуляторную систему хранения с увеличенным запасом хода, состоящую из батареи на двести киловатт-часов и генератора на двадцать киловатт. Аккумулятор обеспечивает двенадцать часов автономной работы. Генератор работает восемь часов в день, заряжая батарею и одновременно обеспечивая нагрузку. Годовой расход топлива составляет четыре тысячи литров, что на семьдесят три процента меньше, чем при использовании только генератора. По прогнозам, батарея прослужит восемь лет, исходя из окна от тридцати до семидесяти процентов езды на велосипеде. Срок окупаемости по сравнению с эксплуатацией только генератора составляет три года. В таблице ниже подведены итоги сравнения. Решение Первая стоимость Ежегодная стоимость топлива Замена батареи Каждые десять лет Общая стоимость Только генератор 25 000 долларов 20 000 долларов Неприменимо 225 000 долларов Автономная батарея 120 000 долларов 0 долларов 5 лет 240 000 долларов Срок хранения батареи с увеличенным запасом хода 85 000 долларов 5 000 долларов 8 лет 135 000 долларов Система хранения батареи с увеличенным запасом хода имеет самую низкую общую стоимость за десять лет, несмотря на наличие компонентов как батареи, так и генератора.
В гибридной системе генератор может напрямую питать нагрузку. В системе с расширенным диапазоном действия генератор только заряжает аккумулятор. Нагрузка всегда питается от аккумулятора. Эта разница позволяет генератору работать с оптимальной мощностью независимо от изменения нагрузки.
Injet HanCang разрабатывает системы хранения аккумуляторов расширенного диапазона, способные работать при уровне заряда от тридцати до семидесяти процентов. Максимальная глубина разряда от семидесяти до тридцати процентов составляет сорок процентов, по сравнению с восемьюдесятью-девяносто процентами в автономных системах.
Да, существующую аккумуляторную систему можно преобразовать, добавив генератор, выпрямитель и контроллер. Injet HanCang предлагает комплекты для модернизации аккумуляторных систем возрастом до пяти лет. Существующая система управления батареями должна поддерживать внешнее управление зарядкой.
По данным клиентов Injet HanCang, период окупаемости увеличения запаса хода составляет от двух до пяти лет в зависимости от времени работы генератора и местных затрат на топливо. Окупаемость будет наименьшей, если альтернативой является более крупный аккумуляторный блок.
Нет, стандартные литий-железо-фосфатные элементы хорошо работают в приложениях с расширенным диапазоном действия. Однако некоторые производители предлагают элементы, оптимизированные для циклического частичного заряда. Injet HanCang может поставлять любой тип.
В аккумуляторной системе хранения с увеличенным запасом хода от Injet HanCang используются литий-железо-фосфатные батареи, работающие в диапазоне от тридцати до семидесяти процентов заряда. Испытания на долговечность циклов показывают, что при работе с расширенным диапазоном работы достигается пять тысяч четыреста циклов с сохранением емкости на восемьдесят процентов, что на шестьдесят девять процентов больше, чем в автономном режиме. Технические идеи включают фильтрацию пульсаций тока, снижение частоты балансировки и снижение потребности в охлаждении. Интеграция с фотоэлектрическими солнечными батареями поддерживается посредством алгоритма управления, который отдает приоритет зарядке от возобновляемых источников. Пример удаленного телекоммуникационного приложения показывает, что общая стоимость хранения с увеличенным радиусом действия за десять лет составит сто тридцать пять тысяч долларов по сравнению с двумястами двадцатью пятью тысячами долларов только для генератора и двумястами сорока тысячами долларов для автономной батареи. Потенциальные клиенты могут запросить у Injet HanCang предложение по размерам батареи.