Ako aktívny vyrovnávací systém na ukladanie energie rieši problémy s nejednotnosťou batérií

Udržiavanie rovnakej správania sa článkov v rámci veľkých batériových stojanov stále patrí medzi najnáročnejšie výzvy v odvetví ukladania energie. V komerčných a veľkých elektrizačných inštaláciách sa jednotlivé články zvyčajne postupne prestanú dokonale zhodovať. Postupné rozchýlenie napätia a stavu nabitia (SOC) postupne zníži kapacitu systému, urýchli starnutie a vytvorí vážne tepelné riziká.

Nasadenie aktívneho vyvážovacieho systému priamo odstraňuje tieto nerovnováhy na úrovni článkov. Aktívne presúvanie energie z článkov s vyšším nabitím do slabších článkov obnovuje „uväzneneú“ kapacitu, znižuje teplotné špičky a umožňuje bezpečný prevádzkový chod veľkých systémov na ukladanie energie po mnoho rokov.

Základné príčiny nezhody článkov v rozsiahlych systémoch na ukladanie energie

Žiadne dve lithio-iónové články neopustia výrobnú linku s identickými fyzikálnymi vlastnosťami. Mikroskopické odchýlky v hrúbke elektrodovej vrstvy, hustote separátora a rozložení elektrolytu spôsobujú od prvého dňa prirodzené rozdiely v kapacite a vnútornom odpore.

Ak sa stovky alebo tisíce článkov zapojia do série a paralelne, tieto počiatočné rozdiely sa zosilnia. Článok s mierne vyšším vnútorným odporom zažíva väčšie zaťaženie počas intenzívnych cyklov nabíjania alebo vybíjania. Toto dodatočné zaťaženie urýchľuje jeho degradáciu, čo spôsobuje rýchlejšiu straty kapacity v porovnaní s prilehlými článkami.

Prevádzkové prostredie zohráva rovnako ničivú úlohu. Teplotné gradienty v batériovom rade – často v rozsahu od 5 °C do 10 °C v veľkých krytoch – skresľujú lokálne rýchlosti starnutia. Články umiestnené bližšie k výkonovým elektronickým zariadeniam alebo v stredných oblastiach rámu sa prevádzkujú za vyššej teploty ako tie na vonkajších okrajoch. Keďže vyššia prevádzková teplota zrýchľuje chemické degradácie, teplejšie články starnú až o 30 % rýchlejšie. Po stovkách cyklov vytvára táto nerovnomerná tepelná mapa široký rozptyl napätí článkov a úrovní stavu nabitia. Bez neustáleho korektívneho zásahu je celý batériový reťazec obmedzený najslabším článkom.

Skutočná cena nerovnováhy článkov na využiteľnú kapacitu a životnosť batérie

Malý rozdiel v stave nabitia medzi článkami zapojenými do série spôsobuje nepomerne veľké straty výkonu. Keď sa napätia článkov odchyľujú, štandardné nabíjací cykly sa ukončia v okamihu, keď článok s najvyšším napätím dosiahne svoju hornú hranicu napätia. Naopak, vybíjanie sa ukončí v okamihu, keď článok s najnižším napätím dosiahne svoju dolnú hranicu.

Toto predčasné ukončenie ponecháva použiteľnú energiu uväznenú v zvyšných článkoch a výrazne zmenšuje rozsah použiteľnej kapacity batérie. Nezávislé terénne testovanie potvrdzuje, že zdanelo malá nerovnováha v stave nabitia o 5 % v rámci reťazca môže znížiť celkovú použiteľnú kapacitu úložiska až o 22 %.

Okrem straty použiteľných kilowatthodín spôsobujú nerovnomernosti medzi článkami výrazné skrátenie prevádzkovej životnosti celého systému. Slabé články v nerovnomernom reťazci sú neustále vystavované ich absolútnym napäťovým limitom. Toto trvalé preťaženie zrýchľuje rast pevného elektrolytového rozhrania, zvyšuje vnútorný odpor a zvyšuje pravdepodobnosť usadzovania litia na anóde. Komerčné údaje z miest ukazujú, že neopravená divergencia článkov zrýchľuje degradáciu životnosti cyklov o 30 až 40 %, čo núti majiteľov aktív k nákladným, predčasným výmenám batériových modulov.

Ako nekontrolovateľné nerovnomernosti medzi článkami zvyšujú riziká tepelnej nestability

Okrem spôsobovania straty kapacity predstavuje divergencia článkov základné ohrozenie fyzickej bezpečnosti miesta. Keď sa jeden článok výrazne znevyváži, počas nabíjacích udalostí s vysokým výkonom je vystavený zvýšenému elektrickému zaťaženiu. Toto zaťaženie generuje nadbytočné teplo a vytvára lokálne horúce body v tesne zabalených moduloch.

V chemických zložkách s vysokou energetickou hustotou môže nekontrolované zahriatie miesta na vyššiu teplotu spustiť samovznikajúce exotermické reakcie. Prebitie spôsobené trvalým odchýlením napätia predstavuje významný podiel doložených prípadov tepelnej nestability v stacionárnych úložných zariadeniach.

Keď zlyhávajúca článka uvoľňuje plyn, intenzívne tepelné žiarenie sa rýchlo šíri na susedné články. V kontajnerových systémoch s vysokou hustotou môže tento efekt dominovania spôsobiť rozsiahle šírenie v priebehu niekoľkých sekúnd. Pasívne ochranné opatrenia alebo hrubé vypnutia na úrovni batériového balíka riadené systémom BMS často reagujú príliš neskoro, pretože priemerné napätia na úrovni regálov môžu vyzerať úplne normálne, zatiaľ čo jednotlivá článka prechádza vážnym tepelným rozkladom. Vyváženie na úrovni jednotlivých článok v reálnom čase poskytuje preventívnu akciu potrebnú na zamedzenie lokálneho prebitia pred tým, ako sa začnú rozširovať tepelné reťazové reakcie.

Topológie pre nerušivé presmerovanie energie

Tradičné pasívne vyváženie riadi rozdiely medzi článkami tým, že prebytočný náboj spotrebuje cez odpory, čím v batériovom puzdre vzniká nežiadúce teplo. Aktívne vyvážovacie systémy tento nedostatok odstraňujú nepretržitým (nedisperzným) prístupom: energia sa získava z silnejších článkov s vyšším nábojom a dynamicky presmerováva do článkov s nižším nábojom.

Obvody s kapacitormi na prenášanie náboja

Aktívne vyváženie založené na kondenzátoroch využíva vysokofrekvenčné prepínacie siete spárované so štandardnými kondenzátormi na prenášanie náboja medzi susednými článkami. Systém pripojí dočasný úložný kondenzátor cez článok s vyšším napätím, čím sa kondenzátor okamžite nabije. Prepínacia matica potom prepne kondenzátor na článok s nižším napätím a uložený náboj do neho vybije.

Keďže tento proces prenáša náboj výlučne prostredníctvom rozdielov elektrického potenciálu bez odporového spaľovania, straty energie zostávajú minimálne. Presúvanie cez kondenzátory funguje výborne na vyrovnávanie jemných rozdielov napätia medzi susednými článkami a zároveň minimalizuje vnútorné teplo v skrini.

Topológie s induktorom a transformátorom

Pre aplikácie vyžadujúce rýchlejší a izolovaný prenos energie sa magnetické aktívne vyvážovacie topológie opierajú o spriahnuté induktory alebo transformátory s viacerými vinutiami. Namiesto postupného prenášania náboja pozdĺž reťazca susedných článkov magneticky orientované systémy prenášajú energiu s účinnosťou pravidelne dosahujúcou 95 %.

Architektúry obojsmerných DC-DC konverzií túto flexibilitu ešte zvyšujú. Smerovaním energie na zdieľaný interný DC zbernice môže systém odobrať výkon z článku na vrchu stojana a priamo ho dodávať do slabnúceho článku na opačnom konci reťazca. Táto schopnosť prenosu cez reťazce úplne vyhýba medzilehlým článkom a umožňuje rýchle vyváženie napätia v rozsiahlych, viacmegawattových zariadeniach pre energetické siete.

Merateľné výkonnostné výhody v komerčných nasadeniach ESS

Integrácia aktívneho vyváženia do úložných projektov na úrovni energetických sietí prináša merateľné prevádzkové výhody. V dokumentovanej komerčnej 2,4 MWh lítium-iontového inštalácie podliehajúcej dennému cyklovaniu sa architektúra riadenia aktívneho vyváženia úspešne udržala rovnosť stavu nabitia (SoC) na úrovni batérie na 98,7 % počas viac ako 1 200 nepretržitých cyklov.

Udržovaním rozdielu napätia medzi jednotlivými článkami pod 15 milivoltov sa úložná elektráreň zbavila straty kapacity, ktorá sa zvyčajne vyskytuje pri izolovanej nábojovej energii, a tak sa využiteľný výkon energie rok za rokom zhoduje s pôvodnými označenými hodnotami.

Aktívne vyváženie tiež prináša významné výhody rýchlosti počas rýchleho nabíjania. Úpravou odchýlok na úrovni jednotlivých článkov až o 85 % rýchlejšie ako pasívne alternatívy aktívne systémy zabránia tomu, aby sa jednotlivé články predčasne dotkli horných limitov napätia. To umožňuje celému batériovému systému prijímať vyššie trvalé nabíjacie prúdy počas krátkych časových okien absorpcie obnoviteľnej energie. Okrem toho zníženie lokálnych horúcich miest zníži priemernú prevádzkovú teplotu batériového balíka o niekoľko stupňov, čo predĺži celkovú kalendárnu životnosť inštalácie o odhadovaný počet rokov.

Integrácia aktívneho vyváženia do škálovateľných BMS puzier

Návrh komerčného batériového systému s aktívnym vyrovnaním vyžaduje modulárnu, inteligentnú architektúru BMS. Obvody aktívneho vyrovnania, postavené okolo kompaktných obojsmerných DC-DC meničov, sú priamo zabudované do jednotlivých modulových podriadených dosiek. Centrálny hlavný riadiaci zariadenie koordinuje reálne údaje z týchto modulov a vykonáva algoritmy vyrovnanie na základe dynamického impedančného profilu článkov, teplotných máp a okamžitých údajov o stave nabitia.

Výstavba spoľahlivých systémov energetického úložiska s vysokou hustotou energie vyžaduje hlboké odborné znalosti v oblasti balenia článkov, automatickej montáže a pokročilej tepelnej konštrukcie. Výrobní partneri ako Hano Energy poskytujú komplexné riešenia dodávateľského reťazca a inžiniersku podporu pre projekty podnikového energetického úložiska. Integráciou presného priradenia článkov s automatizovanými platformami BMS s aktívnym vyrovnaním Hano Energy pomáha vývojárom systémov, EPC dodávateľom a komerčným partnerom dodávať bezpečné, vysoko účinné batériové systémy navrhnuté na dlhú životnosť.