Введение
Гибридная система хранения энергии с увеличенным запасом хода сочетает в себе две или более технологии хранения со вспомогательным генератором. Эта топология использует высокую плотность энергии батарей, высокую плотность мощности суперконденсаторов или маховиков и неограниченный потенциал времени автономной работы генератора. Каждый компонент обрабатывает различные части профиля нагрузки. Суперконденсатор справляется с скачками мощности масштаба от миллисекунды до секунды. Батарея обеспечивает поминутную почасовую подачу энергии. Генератор обеспечивает почасовую подзарядку шкалы. Компания Injet HanCang построила гибридную систему с расширенным диапазоном мощности в двести пятьдесят киловатт для портового крана и систему мощностью в сто киловатт для станции быстрой зарядки. В этой статье описываются архитектура, стратегия управления и измеренные результаты обеих установок.
Выбор компонентов для гибридной работы
Гибридная система хранения энергии с расширенным радиусом действия требует тщательного выбора каждой технологии хранения. Аккумулятор должен иметь высокую плотность энергии и умеренную мощность. Injet HanCang выбирает литий-железо-фосфатные аккумуляторные элементы, конструкция которых отдает приоритет сроку службы, а не удельной мощности. Батарея работает с максимальным показателем C, равным единице. Суперконденсатор должен иметь очень высокую удельную мощность и низкое внутреннее сопротивление. Injet HanCang выбирает суперконденсаторные элементы с удельной мощностью десять киловатт на килограмм и эффективностью обратного хода девяносто семь процентов. Размер генератора должен соответствовать средней нагрузке после устранения вклада батареи и суперконденсатора. При использовании портового крана средняя нагрузка после пиковой нагрузки составляла шестьдесят киловатт, поэтому был выбран дизельный генератор на шестьдесят киловатт. Размер батареи был определен требованием работы в течение двух часов без поддержки генератора, в результате чего получился аккумуляторный блок на сто двадцать киловатт-часов. Батарея суперконденсаторов была рассчитана на то, чтобы выдерживать пиковую мощность крана в четыреста киловатт в течение пяти секунд, в результате чего получилась батарея в два мегаватта.
Иерархия управления для трехкомпонентных систем
Система управления гибридной системой хранения энергии с увеличенным запасом хода работает в трех временных масштабах. В миллисекундном масштабе суперконденсатор реагирует на переходные процессы нагрузки через контур управления падением напряжения. Напряжение суперконденсатора контролируется на уровне одного килогерца, а мощность регулируется для поддержания напряжения в узком диапазоне. На втором уровне батарея подает энергию для поддержания напряжения на шине постоянного тока и подзарядки суперконденсатора. В минутном масштабе генератор запускается, если уровень заряда батареи падает ниже тридцати процентов, а напряжение суперконденсатора ниже девяноста процентов номинального. Компания Injet HanCang реализовала эту иерархию, используя программируемую вентильную матрицу для контура суперконденсатора и программируемый логический контроллер для батареи и генератора. Измеренное время отклика на скачок нагрузки в пятьсот ампер составило две миллисекунды от суперконденсатора и сорок миллисекунд от батареи.
Результаты испытаний установки портового крана
Применение портового крана стало самым требовательным испытанием гибридной системы хранения энергии с увеличенным запасом хода. Кран работает с очень переменным профилем нагрузки. Для подъема контейнера требуется четыреста киловатт за пять секунд. Опускание контейнера регенерирует двести киловатт за пять секунд. Цикл повторяется примерно каждые две минуты. Компания Injet HanCang провела четырехчасовое испытание, зафиксировав сто двадцать циклов подъема. Гибридная система с расширенным диапазоном обеспечивает всю пиковую мощность от суперконденсатора. Батарея выдавала среднюю мощность в шестьдесят киловатт. Генератор запустился один раз во время теста, когда уровень заряда аккумулятора достиг двадцати восьми процентов после пятидесяти минут непрерывной работы. Генератор проработал двадцать минут, зарядив батарею до пятидесяти пяти процентов. Общий расход топлива составил одну целую восемь литров. Без гибридного накопителя решение, основанное только на генераторе, потребовало бы, чтобы генератор мощностью четыреста киловатт работал на холостом ходу между подъемами, потребляя примерно пятнадцать литров топлива за тот же период.
Измерения эффективности на разных уровнях мощности
Общая эффективность системы гибридной системы хранения энергии с увеличенным запасом хода зависит от уровня мощности. Компания Injet HanCang измерила эффективность на трех уровнях мощности с использованием установки портового крана. При низкой мощности, составляющей менее пятидесяти киловатт, батарея работала напрямую с эффективностью девяносто два процента. Суперконденсатор был обойден, поскольку его ток утечки снизил бы эффективность при низкой мощности. При средней мощности, определяемой от пятидесяти до двухсот киловатт, батарея работала с эффективностью девяносто один процент, а суперконденсатор оставался бездействующим. При высокой мощности, превышающей двести киловатт, суперконденсатор обеспечивал КПД девяносто семь процентов, а оставшуюся мощность отдавала батарея через преобразователь постоянного тока. Во время работы генератор подавал энергию с КПД тридцать три процента. Средневзвешенная эффективность всей системы от всех источников нагрузки в течение четырехчасового теста составила восемьдесят четыре процента. Для сравнения: шестьдесят три процента для системы, работающей только от генератора, и семьдесят шесть процентов для системы, работающей только от аккумуляторов, с такой же пиковой нагрузкой.
Продление срока службы батареи за счет гибридизации
Суперконденсатор снижает воздействие на батарею импульсов с высокой частотой C, которые являются основной причиной ускоренного старения. При испытании на портовом кране максимальный показатель C батареи составил восемь целых восемь целых, тогда как нагрузка требовала уровня C до шести целых семь целых. Injet HanCang прогнозировала срок службы батареи на основе измеренного профиля тока в ходе четырехчасового испытания. Без гибридизации суперконденсатора батарея выдержала бы восемь тысяч высокочастотных циклов в год со скоростью C выше двух. При гибридизации батарея выдерживает четыреста циклов умеренной частоты в год со скоростью C ниже единицы. Прогнозируемый интервал замены аккумуляторов составляет от двух до семи лет. Срок службы суперконденсатора, основанный на данных испытаний по напряжению и температуре, превышает пятнадцать лет для проверенного рабочего цикла. Ухудшение емкости, измеренное после четырехчасового теста, составило ноль целых ноль целых пять процентов.
Данные о применении станции быстрой зарядки
На станции быстрой зарядки электромобилей установлена вторая гибридная система накопления энергии с увеличенным запасом хода. Станция имеет подключение к сети с ограничением мощности в сто киловатт, но обслуживает транспортные средства, которые могут принимать до трехсот киловатт. Гибридная система с увеличенным запасом хода использует батарею емкостью сто киловатт-часов, блок суперконденсаторов мощностью один мегаватт, рассчитанный на тридцать секунд, и генератор на пятьдесят киловатт. Injet HanCang собирала данные за три месяца работы. За этот период станция обслужила четыреста двадцать автомобилей. Суперконденсатор выдерживает весь пусковой ток при подключении автомобиля, который достигает трехсот киловатт в течение десяти секунд. Аккумулятор обеспечивал постоянную мощность зарядки в сто киловатт до конца каждого сеанса зарядки. Генератор запускался двенадцать раз, когда уровень заряда батареи падал ниже тридцати процентов из-за последовательных сеансов зарядки без времени перезарядки сети. Общее время работы генератора составило шесть часов. Общий расход топлива составил восемнадцать литров. Подключение к сети никогда не превышалось. Среднее время зарядки автомобиля составило двадцать две минуты по сравнению с сорока пятью минутами без системы хранения.
Экономический анализ для приложений высокой мощности
Гибридная система хранения энергии с увеличенным запасом хода имеет более высокие первоначальные затраты, чем простая аккумуляторная система, из-за суперконденсатора и его силовой электроники. Однако для приложений с частыми пиками высокой мощности общая стоимость владения может быть ниже. Компания Injet HanCang провела экономический анализ применения портовых кранов на десятилетний период. Для системы, работающей только на батареях, требовалась батарея мощностью в один мегаватт, чтобы справиться с пиковыми нагрузками в четыреста киловатт, что стоило четыреста тысяч долларов. Замена батарей на третьем и шестом году принесла по триста тысяч долларов каждый, что в общей сложности составило один миллион долларов за десять лет. Гибридная система использовала батарею емкостью сто двадцать киловатт-часов стоимостью семьдесят тысяч долларов, блок суперконденсаторов на два мегаватта стоимостью сорок тысяч долларов и генератор на шестьдесят киловатт стоимостью двадцать тысяч долларов. Замена батареи на седьмом году прибавила семьдесят тысяч долларов. Общая стоимость компонентов за десять лет составила двести тысяч долларов. Гибридная система сэкономила восемьсот тысяч долларов на стоимости компонентов по сравнению с системой, работающей только на батареях. Топливо и техническое обслуживание генераторов добавляли пять тысяч долларов в год, или пятьдесят тысяч долларов за десять лет, что привело к чистой экономии в семьсот пятьдесят тысяч долларов.
Практические ограничения и ограничения проектирования
Гибридные системы с расширенным диапазоном сложнее контролировать и вводить в эксплуатацию, чем одиночные системы хранения. Компания Injet HanCang отметила, что настройка параметров управления портовым краном потребовала трехнедельной настройки на месте. Банку суперконденсаторов требуется схема балансировки для поддержания однородности напряжения на ячейках. Схема балансировки добавляет примерно пятнадцать процентов к стоимости системы суперконденсаторов. Генератор должен быть тщательно подобран, чтобы избежать чрезмерных циклов запуска и остановки. Цикл пуска и остановки чаще одного раза в час сокращает срок службы генератора. Ограниченный генератор установки портового крана запускается максимум до шести в день с помощью логики управления. Установка станции быстрой зарядки не имела такого ограничения, поскольку запуск генератора происходил только двенадцать раз за три месяца. На объектах, где ожидаемое количество запусков генераторов превышает два в день, следует рассмотреть возможность использования батареи большей емкости, чтобы сократить цикличность работы генератора.
Заключение
Гибридная система хранения энергии с увеличенным запасом хода объединяет возможности аккумулятора, суперконденсатора и генератора в единый скоординированный блок. Данные испытаний прототипа портового крана Injet HanCang показывают взвешенную эффективность на восемьдесят четыре процента, увеличение срока службы батареи с двух до семи лет и экономию топлива на девяносто процентов по сравнению с системой, использующей только генератор. Экономический анализ портового крана показал чистую экономию в семьсот пятьдесят тысяч долларов за десять лет по сравнению с системой, использующей только аккумуляторы. Данные станции быстрой зарядки подтвердили успешную работу с четырьмястами двадцатью обслуженными автомобилями и отсутствием нарушений ограничений сети. Эти результаты показывают, что гибридная система хранения с увеличенным запасом хода экономически выгодна для приложений с высокой пиковой мощностью и переменной нагрузкой, таких как краны, устройства быстрой зарядки и промышленное подъемное оборудование.