Kaip aktyvus balansavimo energijos kaupimo sistema išsprendžia baterijų nepastovumo problemas

Vienodų elementų elgsenos palaikymas didelėse baterijų raketėse išlieka viena sudėtingiausių iššūkių energijos kaupimo pramonėje. Komercinėse ir naudingumo masto įrenginiuose atskiri elementai retai ilgą laiką lieka visiškai suderinti. Subtilūs įtampų ir krūvio būsenos (SOC) skirtumai palaipsniui sumažina sistemos talpą, pagrečina senėjimą ir sukelia rimtų šiluminės rizikos pavojų.

Aktyvaus balansavimo sistemos diegimas tiesiogiai išsprendžia šiuos elementų lygio disbalansus. Aktyviai perkeliant energiją iš labiau įkrautų elementų į silpnesnius, aktyvus balansavimas atkuria „įstrigusią“ talpą, sušvelnina temperatūros šuolius ir užtikrina didelio masto energijos kaupimo masyvų saugų veikimą metų metais.

Didelių energijos kaupimo masyvų elementų neatitikimų šakniniai priežastys

Nėra dviejų litio jonų elementų, kurie išeitų nuo surinkimo linijos su identiškomis fizinėmis savybėmis. Mikroskopinės nuokrypios elektrodų dengimo storio, separatoriaus tankio ir elektrolito pasiskirstymo srityse nuo pat pradžių sukuria būdingas talpos ir vidinės varžos skirtumus.

Kai šimtai ar tūkstančiai elementų sujungiami nuosekliai ir lygiagrečiai, šie pradiniai skirtumai sustiprėja. Elementas, turintis šiek tiek didesnę vidinę varžą, sunkiau veikiamas intensyvių įkrovos ar iškrovos ciklų metu. Šis papildomas apkrova pagreitina jo senėjimo tempą, todėl jis praranda talpą greičiau nei kaimyniniai elementai.

Eksploatavimo aplinka taip pat žaidžia vienodai naikinamąjį vaidmenį. Temperatūros gradientai baterijų rėmelyje – dažnai svyruojantys nuo 5 °C iki 10 °C dideliuose korpusuose – iškreipia vietinius senėjimo tempus. Elementai, esantys arčiau galios elektronikos arba centriniuose rėmelio plotuose, veikia karščiau nei tie, kurie yra prie išorinių kraštų. Kadangi aukštesnės eksploatavimo temperatūros pagreitina cheminį susidėvėjimą, šiltesni elementai senėja net iki 30 % greičiau. Per šimtus ciklų šis netolygus šiluminis reljefas sukuria didelį įtampų ir krūvio būsenos lygių skirtumą tarp elementų. Be nuolatinės korekcijos visą baterijų grandinę riboja vienas silniausias elementas.

Elementų nesuderintumo tikroji kaina – naudingoji talpa ir baterijos tarnavimo trukmė

Netikslus krūvinio būvio neatitikimas nuosekliai sujungtoje elementų grandinėje sukelia neproporcingai rimtus našumo nuostolius. Kai elementų įtampų reikšmės skiriasi, standartiniai krūminimo ciklai nutraukiami, kai aukščiausią įtampą turintis elementas pasiekia viršutinę įtampos ribą. Atvirkščiai, iškrovimas nutraukiamas, kai žemiausią įtampą turintis elementas pasiekia apatinę ribą.

Šis ankstyvas nutraukimas palieka naudojamą energiją likusių elementų viduje, dėl ko akumuliatorių paketo naudojamos talpos langas smarkiai susiaurėja. Nepriklausomi lauko bandymai patvirtina, kad net atrodytų nedidelis 5 % krūvinio būvio nesuderinamumas grandinėje gali sumažinti bendrą naudojamą saugojimo talpą net iki 22 %.

Be nustatant naudingą kilovatvalandžių kiekį, elementų netolygumai žymiai sutrumpina visos sistemos veikimo trukmę. Silpni elementai netolygiame grandinių junginyje nuolat veikiami maksimalaus įtampų ribų. Šis nuolatinis pernagrinėjimas pagreitina kietojo elektrolito tarpinės fazės augimą, padidina vidinę varžą ir padidina litio nuosėdų susidarymo ant anodo tikimybę. Komercinės vietos duomenys rodo, kad nekoreguota elementų skirtumo augimo ciklo trukmės nykimas pagreitinamas 30–40 %, priverčiant turto savininkus atlikti brangius ir ankstesnius akumuliatorių modulių keitimus.

Kaip nekontroliuojami elementų netolygumai padidina šiluminio išsiveržimo pavojų

Be talpos praradimo paskatinimo, elementų skirtumas kelia esminį pavojų fizinei vietos saugai. Kai vienas elementas tampa labai netolygus, jis aukštos galios įkrovos metu patiria padidėjusią elektrinę įtampą. Ši įtampa sukuria perteklinę šilumą, sukuriant vietines karščio zonas tankiai supakuotuose moduliuose.

Aukštos energijos tankio chemijose nekontroliuojama karštoji vieta, pasiekusi padidėjusią temperatūrą, gali sukelti savarankiškai besitęsiančias eksotermines reakcijas. Perkrovimas, kurį sukelia ilgalaikis įtampų skirtumas, sudaro didelę dalį dokumentuotų šiluminio išbėgimo atvejų stacionariuose saugyklos objektuose.

Kai sugenda elementas ir išmeta dujas, intensyvi šilminė spinduliuotė greitai plinta į gretimus elementus. Aukštos tankumo konteinerinėse sistemose šis domino efektas per kelias sekundes gali sukelti plačią plitimą. Neaktyvios apsaugos priemonės arba grublūs baterijų valdymo sistemos (BMS) atjungimai dažnai reaguoja per vėlu, nes vidutinės stalčiaus įtampos gali atrodyti visiškai normalios tuo metu, kai atskiras elementas patiria rimtą šilminę žlugimą. Realiojo laiko elementų lygio balansavimas suteikia prevencinę priemonę, leidžiančią sustabdyti vietinį perkrovimą dar prieš pradedant šilminius grandininius procesus.

Neenergetiniai energijos perskirstymo topologijos

Tradicinė pasyvioji balansavimo sistema valdo elementų skirtumus, per didelę krovą išsisklaidydama per varžas, kurios sukuria nereikalingą šilumą akumuliatorių spintos viduje. Aktyvioji balansavimo sistema pašalina šį trūkumą taikydama nešildomąjį požiūrį: energija surenkama iš stipresnių, aukštesnio krūvio elementų ir dinamiškai peraduodama mažesnio krūvio elementams.

Kondensatoriais pagrįsti perduodamieji tinklai

Kondensatoriais pagrįstas aktyvusis balansavimas naudoja aukšto dažnio perjungimo tinklus kartu su standartiniais kondensatoriais, kad perduotų krovą tarp gretimų elementų. Sistema laikinai prijungia kaupiamąjį kondensatorių prie elemento su aukštesniu įtampa, dėl ko kondensatorius tučtuojau įsikrauna. Tada perjungimo matrica perjungia kondensatorių prie elemento su žemesne įtampa, išleisdama į jį sukauptą krovą.

Kadangi šis procesas perduoda krūvį tik elektrinės įtampos skirtumų pagalba be varžos deginimo, energijos nuostoliai lieka minimalūs. Kondensatorių perkėlimas puikiai tinka švelniems įtampos skirtumams tarp gretimų elementų išlyginti, tuo pačiu laikant vidinės spintos šilumą minimalia.

Induktyvumo ir transformatorių topologijos

Taikymams, kuriems reikia greitesnio izoliuoto energijos perdavimo, aktyvaus balansavimo magnetinės topologijos remiasi sujungtais induktyvais arba daugiavijais transformatoriais. Vietoje to, kad krūvis būtų perduodamas nuosekliai per grandinę gretimų elementų, induktyvumo pagrindu veikiantys sistemos perduoda energiją magnetiškai, o jų naudingumo koeficientas dažnai pasiekia 95 %.

Dvikryptės nuolatinės srovės–nuolatinės srovės konversijos architektūros dar labiau padidina šią lankstumą. Nukreipdamos energiją į bendrą vidinę nuolatinės srovės magistralę, sistemos gali imti energiją iš elementų, esančių rėmo viršuje, ir tiesiogiai ją tiekti problemomis besiskundžiančiam elementui, esančiam grandinės pabaigoje. Ši kryžminė grandinės perdavimo galimybė visiškai apeina tarpinius elementus, užtikrindama greitą balansavimą didžiulėse, daugiau nei vieno megavatio naudingosios galios elektros energijos tiekimo sistemose.

Išmatuoti našumo pranašumai komercinėse elektros energijos kaupimo sistemų (ESS) diegimo vietose

Aktyvaus balansavimo integravimas į naudingosios galios masto kaupimo projektus duoda išmatuojamų eksploatacinių pranašumų. Dokumentuotame 2,4 MWh komerciniame litio jonų akumuliatorių diegime, kuris kasdien buvo cikluojamas, aktyvaus balansavimo valdymo architektūra sėkmingai išlaikė 98,7 % paketo lygio krūvio būsenos vienodumą daugiau kaip 1200 nuoseklių ciklų metu.

Palaikydami elementų tarpusavio įtampų skirtumą žemiau 15 milivoltų, saugyklos įrenginys pašalino naudingosios talpos mažėjimą, kuris dažnai būna sukeliamas neišnaudotos krovos, todėl naudingoji energijos išvestis metų metais atitiko pradinį techninės paskirties etiketės rodmenis.

Aktyvus balansavimas taip pat suteikia reikšmingų greičio pranašumų greitai kraunant. Pataisydami elementų lygio nuokrypius iki 85 % greičiau nei pasyvūs sprendimai, aktyvūs sistemos neleidžia atskiriems elementams per anksti pasiekti viršutinių įtampos ribų. Tai leidžia visai akumuliatorių sistemai priimti didesnius nuolatinius įkrovos srovės dydžius, kai reikia efektyviai įsisavinti atsinaujinančios energijos perteklių. Be to, vietos karščio taškų sumažinimas žemina vidutinę akumuliatorių bloko darbo temperatūrą keliais laipsniais, todėl bendras įrenginio kalendorinės tarnavimo trukmė padidėja apytiksliai keletu metų.

Aktyvaus balansavimo integravimas į mastelio keičiamus BMS korpusus

Komercinės akumuliatorių sistemos, paremtos aktyviuoju balansavimu, projektavimas reikalauja modulinės, protingos BMS architektūros. Aktyviojo balansavimo grandinės, sukurtos aplink kompaktiškus dvikrypčius nuolatinės srovės–nuolatinės srovės konverterius, įmontuojamos tiesiogiai atskirų modulių pavadinių plokštų viduje. Centrinis pagrindinis valdiklis koordinuoja realiuoju laiku šių modulių renkamus duomenis ir vykdo balansavimo algoritmus, remdamasis dinaminėmis elementų varžomis, temperatūros žemėlapiais bei akimirksniškais krovos būklės rodmenimis.

Patikimų, didelės energijos tankio kaupimo sistemų kūrimas reikalauja gilios ekspertizės elementų supakavime, automatizuoto surinkime ir pažangioje šiluminėje konstrukcijoje. Gamintojai partneriai, tokie kaip Hano Energy teikia visą tiekimo grandinės sprendimų spektrą ir inžinerinę paramą įmonių energijos kaupimo projektams. Integruodama tikslų elementų parinkimą su automatizuotomis aktyviojo balansavimo BMS platformomis, Hano Energy padeda sistemų kūrėjams, EPC rangovams ir komercinėms partnerėms sukurti saugias, aukšto naudingumo akumuliatorių sistemas, kurios yra projektuotos ilgam tarnavimui.