Kako sistem za aktivno uravnavanje energije rešuje težave z neskladnostjo baterij

Ohranjanje enotnega obnašanja celic na velikih baterijskih stojalih ostaja ena najtežjih izzivov v industriji za shranjevanje energije. V komercialnih in energetskih namestitvah na podlagi uporabniškega omrežja se posamezne celice redko ohranjajo popolnoma usklajene s časom. Nenazadnje se napetostna in SOC-razhajanja postopoma zmanjšujejo kapaciteto sistema, pospešujejo staranje in povzročajo resne toplotne tveganje.

Namestitev aktivnega sistema uravnavanja neposredno odpravi te neenakosti na ravni celic. S prenašanjem energije iz celic z višjo napolnjenostjo v šibkejše celice aktivno uravnavanje obnovi izgubljeno kapaciteto, zgladi temperaturne vrhove in zagotavlja varno delovanje sistemov za shranjevanje energije na veliko merilo več let.

Temeljni vzroki neenakosti celic v velikih sistemih za shranjevanje energije

Nobena dva litij-ionska člena nista enaka glede fizičnih lastnosti že ob izhodu s sestavljalske linije. Mikroskopske razlike v debelini prevleke elektrod, gostoti separatorja in porazdelitvi elektrolita povzročajo že od samega začetka razlike v kapaciteti in notranji upornosti.

Ko se stotine ali tisoči členov povežejo zaporedno in vzporedno, se te začetne razlike povečujejo. Člen z nekoliko višjo notranjo upornostjo izkuša večjo obremenitev med intenzivnimi cikli polnjenja ali razprazjevanja. Ta dodatna obremenitev pospeši njegovo staranje in povzroči hitrejši izgubljanje kapacitete kot pri sosednjih členih.

Delovno okolje igra enako uničujočo vlogo. Temperaturni gradienti po baterijskem stojalu – ki se pogosto gibljejo med 5 °C in 10 °C v velikih ohišjih – izkrivljajo lokalne hitrosti staranja. Celice, postavljene blizu močnostne elektronike ali v sredinskem delu stojala, delujejo topleje kot tiste ob zunanjih robovih. Ker višje obratovalne temperature pospešijo kemično razgradnjo, se toplejše celice starajo do 30 % hitreje. Ob stotinah ciklov ta neenakomerna toplotna slika povzroči širok razpon napetosti in nivojev napolnjenosti celic. Brez stalne korekcije se celotna baterijska veriga konča z omejitvijo, določeno z najšibkejšo celico.

Dejanski strošek neenakomernosti celic na uporabno kapaciteto in življenjsko dobo baterije

Manjša neskladnost nivoja polnjenja med celicami v zaporedni vezavi povzroči neproporcionalno hude izgube zmogljivosti. Ko se napetosti celic razlikujejo, standardni cikli polnjenja prekinjajo takoj, ko najvišje napetostna celica doseže zgornjo mejo napetosti. Nasprotno, razprazitev se konča takoj, ko najnižje napetostna celica doseže spodnjo mejo.

Ta predčasna prekinitev pusti uporabno energijo v preostalih celicah, kar drastično zmanjša uporaben kapacitetni razpon sklopa. Neodvisno poljsko testiranje potrjuje, da lahko vidno majhna neravnovesja nivoja polnjenja za 5 % v zaporedni vezavi zmanjša skupno uporabno shranjevalno kapaciteto za do 22 %.

Poleg izgube uporabnih kilovatnih ur neenakomernost celic značilno skrajša delovno življenjsko dobo celotnega sistema. Šibke celice v neenakomernem nizu so neprekinjeno izpostavljene svojim absolutnim napetostnim mejam. Ta stalna preobremenitev pospešuje rast trdne elektrolitske medfazne plasti, povečuje notranji upor in povečuje verjetnost litijevega prevlečenja na anodi. Podatki s komercialnih lokacij kažejo, da nekoregirana razhajanje celic pospeši degradacijo ciklusne življenjske dobe za 30 % do 40 %, kar prisili lastnike sredstev k dragim, predčasnim zamenjavam baterijskih modulov.

Kako nekontrolirana neenakomernost celic povečuje nevarnost toplotnega zbežanja

Poleg povzročanja izgube kapacitete razhajanje celic predstavlja temeljno grožnjo fizični varnosti lokacije. Ko postane ena sama celica hudo neenakomerna, je med polnjenjem z visoko močjo izpostavljena povečani električni obremenitvi. Ta obremenitev generira prekomerno toploto, kar ustvari lokalne tople točke znotraj tesno zaprtih modulov.

Pri kemijah z visoko gostoto energije lahko nekontrolirana toplotna točka, ki doseže povišane temperature, sproži samoodržujoče se eksotermne reakcije. Prekomerno polnjenje, povzročeno s trajnim odstopanjem napetosti, predstavlja pomemben delež dokumentiranih primerov termičnega zbežanja v stalnih shranjevalnih napravah.

Ko odpoveduje celica in izpušča plin, se intenzivno toplotno sevanje hitro širi na sosednje celice. V sistémih z visoko gostoto v kontejnerjih lahko ta efekt verižne reakcije v sekundah povzroči široko razširjanje. Pasivne zaščitne ukrepe ali grobe prekinitve na ravni celotnega paketa s sistemom za upravljanje baterij (BMS) pogosto aktivirajo prepozno, saj lahko povprečne napetosti na ravni omaric izgledajo popolnoma normalno, medtem ko posamezna celica doživlja hudo termično razgradnjo. Uravnavanje na ravni posamezne celice v realnem času omogoča preventivno ukrepanje, potrebno za ustavitev lokalnega prekomernega polnjenja, preden se začnejo termične verižne reakcije.

Topologije neprekinjene preusmeritve energije

Tradicionalno pasivno uravnavanje nadzoruje razhajanje celic tako, da prekomerno polnjenje izgubi prek upornikov, kar povzroča neželeno toploto znotraj baterijske omarice. Aktivni sistemi za uravnavanje odpravijo to slabost z nesprejemljivim pristopom: energija se izvleče iz močnejših celic z višjim polnjenjem in dinamično preusmeri v celice z nižjim polnjenjem.

Krogi za premikanje naboja na osnovi kondenzatorjev

Aktivno uravnavanje na osnovi kondenzatorjev uporablja visokofrekvenčne preklopnike v kombinaciji s standardnimi kondenzatorji za premikanje naboja med sosednjimi celicami. Sistem začasno poveže shranjevalni kondenzator prek celice z višjo napetostjo, s čimer se kondenzator takoj napolni. Preklopna matrika nato preklopi kondenzator na celico z nižjo napetostjo in izprazni shranjen naboj vanjo.

Ker ta proces prenaša naboj izključno prek razlik električnega potenciala brez upornostnega gorenja, ostanejo energijske izgube minimalne. Prehodni kondenzatorji izjemno dobro delujejo pri izravnavanju drobnih napetostnih razlik med sosednjimi celicami, hkrati pa notranjo toploto ohišja ohranjajo na najnižji možni ravni.

Topologije z induktorji in transformatorji

Za aplikacije, ki zahtevajo hitrejšo in izolirano prenos energije, magnetne aktivne poravnalne topologije uporabljajo sklopljene induktorje ali transformatorje z več navoji. Namesto da bi naboj zaporedno prenašali po verigi sosednjih celic, sistemi na osnovi induktorjev energijo prenašajo magnetno, pri čemer redno dosežejo učinkovitost 95 %.

Arhitekture dvosmernih DC-DC pretvornikov to prožnost še dodatno povečajo. Z usmerjanjem energije na skupno notranjo enosmerno napetostno omrežje sistem lahko izvleče moč iz celice na vrhu stojala in jo neposredno posreduje šibki celici na dalečem koncu verige. Ta zmogljivost prenosa med verigami povsem izogne vmesnim celicam in omogoča hitro izravnavo naboja v ogromnih, večmegavatnih elektrarnah za uporabo v omrežju.

Dejansko izmerjene prednosti v komercialnih namestitvah sistemov za shranjevanje energije

Vključitev aktivne izravnave v projekte za shranjevanje energije na ravni omrežja prinaša merljive operativne koristi. V dokumentirani komercialni namestitvi litij-ionskih akumulatorjev z zmogljivostjo 2,4 MWh, ki je bila podvržena dnevnemu cikliranju, je arhitektura za upravljanje aktivne izravnave uspešno ohranila enakomernost naboja na ravni paketa na 98,7 % več kot 1200 zaporednih ciklov.

Z ohranitvijo razlike napetosti med celicami pod 15 milivolti je skladiščna elektrarna izognila zmanjševanju kapacitete, ki ga običajno sproži zaklenjena nabita energija, kar omogoča, da se uporabna energijska izda leta za letom ujema z izvirnimi nazivnimi vrednostmi.

Aktivno uravnavanje prinaša tudi pomembne prednosti pri hitrem polnjenju. Z odpravo odstopanj na ravni posameznih celic do 85 % hitreje kot pasivne alternativne rešitve aktivni sistemi preprečujejo, da bi posamezne celice že zgodaj dosegle zgornjo mejo napetosti. To omogoča, da celoten baterijski sistem sprejme višje stalne tokove polnjenja v omejenih oknih za izkoriščanje energije iz obnovljivih virov. Poleg tega zmanjšanje lokaliziranih toplotnih točk zniža povprečno delovno temperaturo sklopa za več stopinj Celzija, kar poveča skupno koledarsko življenjsko dobo namestitve za nekaj let.

Vključitev aktivnega uravnavanja v skalabilne ohišja sistema za nadzor baterij (BMS)

Oblikovanje komercialnega baterijskega sistema z aktivnim uravnavanjem zahteva modularno in inteligentno arhitekturo sistema za upravljanje baterij (BMS). Aktivni uravnavalni tokokrogi, ki temeljijo na kompaktnih dvosmernih DC-DC pretvornikih, so neposredno vgrajeni v posamezne modulske podrejene plošče. Centralna nadrejena nadzorna enota koordinira podatke v realnem času iz teh modulov in izvaja algoritme uravnavanja na podlagi dinamičnega notranjega upora celic, temperaturnih kart in trenutnih meritev nivoja polnjenja.

Izgradnja zanesljivih sistemov za shranjevanje energije z visoko gostoto zahteva globoko strokovno znanje v področju pakiranja celic, avtomatizirane sestave ter naprednega toplotnega načrtovanja. Proizvodni partnerji, kot je Hano Energy ponujajo rešitve za celoten dobavni verigi in inženirsko podporo za projekte podjetij za shranjevanje energije. Z integracijo natančnega ujemanja celic z avtomatiziranimi platformami BMS z aktivnim uravnavanjem Hano Energy pomaga razvijalcem sistemov, izvajalcem projektov (EPC) in komercialnim partnerjem pri izdelavi varnih in visoko učinkovitih baterijskih sistemov, ki so načrtovani za dolgo življenjsko dobo.