3 wyzwania w projektach magazynowania energii

Zastosowania systemów magazynowania energii (energy storage system, ESS) w zastosowaniach użyteczności publicznej, mieszkaniowych oraz komercyjnych i przemysłowych polegają na pozyskiwaniu energii ze źródeł odnawialnych w ciągu dnia i dostarczaniu jej w okresach wysokiego zapotrzebowania lub wysokich cen energii elektrycznej w sieci. Magazynując energię do wykorzystania w godzinach szczytu, ESS stabilizuje sieć i obniża koszty energii.

Wyzwania projektowe związane z systemem magazynowania energii w bateryjnych systemach magazynowania energii (BESS), obejmują bezpieczeństwo użytkowania; dokładne monitorowanie napięcia, temperatury i prądu akumulatora oraz skuteczne równoważenie obciążenia między ogniwami i pakietami. Przyjrzyjmy się tym wyzwaniom bardziej szczegółowo.

Wyzwanie nr 1: Bezpieczeństwo

Pierwszym wyzwaniem jest utrzymanie bezpieczeństwa akumulatora przez cały okres eksploatacji BESS, który zazwyczaj wynosi ponad 10 lat. W systemach BESS często wykorzystuje się akumulatory litowo-jonowe (Li-ion), a konkretnie akumulatory litowo-żelazowo-fosforanowe (LiFePO4).

Akumulatory litowo-jonowe są podatne na dymienie, pożar lub wybuch, jeśli napięcie, temperatura i natężenie prądu przekroczą ich maksymalne ograniczenia, dlatego monitorowanie danych dotyczących napięcia, temperatury i prądu oraz ich zabezpieczenia są niezwykle ważne. Dlatego należy rozważyć i przeanalizować potencjalne usterki akumulatorów i awarie systemu zarządzania nimi.

Rysunek 1. Architektura BESS.

Projekt referencyjny modułu zarządzania akumulatorami (battery management unit, BMU) firmy TI dla systemów magazynowania energii przedstawia moduł zarządzania akumulatorami z możliwością układania w stosy, który wykorzystuje układ BQ79616 do wykrywania problemów z redundantnym pomiarem danych, natomiast projekt referencyjny modułu sterowania akumulatorami (battery control unit, BCU) dla systemów magazynowania energii przedstawia moduł sterowania akumulatorami z przełącznikami, który zapewnia bezpieczeństwo systemu.

Wyzwanie nr 2: Monitorowanie akumulatorów

Dokładne dane dotyczące akumulatorów zapewniają bezpieczeństwo i maksymalizują zużycie energii. Biorąc pod uwagę szeroki, płaski obszar krzywej ładowania i rozładowania LiFePO4, nawet niewielkie błędy pomiaru napięcia ogniw mogą powodować ogromne błędy pozostałej pojemności, co sprawia, że ​​dokładne pomiary napięcia akumulatora i prądu pakietu są kluczowe dla precyzyjnego oszacowania stanu naładowania. Dokładne informacje o stanie naładowania są kluczem do uniknięcia przypadkowego zrównoważenia ogniw, w którym przeładowanie i nadmierne rozładowanie może zniweczyć maksymalną użyteczną energię akumulatora.

Innym ważnym parametrem jest temperatura. Większość pożarów i wybuchów akumulatorów jest spowodowana niekontrolowanym wzrostem temperatury.

Rysunek 2 przedstawia projekt referencyjny modułu zarządzania akumulatorami firmy TI, który osiąga błąd napięcia ogniwa ±3 mV w zakresie temperatur od –20°C do 65°C dzięki monitorowi akumulatora BQ79616. W przypadku systemów domowych alternatywą jest monitor akumulatora BQ76972, który osiąga błąd napięcia ogniwa ±5 mV w zakresie temperatur od –40°C do 85°C. Przełączniki multiplekserowe rozszerzają kanały pomiaru temperatury, aby zapewnić monitorowanie temperatury każdego ogniwa akumulatora i złącza magistrali zasilania. Referencyjna konstrukcja akumulatora piętrowego zapewnia dodatkowe kanały temperaturowe do diagnostyki przełączników multiplekserów.

Rysunek 2. Projekt referencyjny BMU z możliwością układania w stosy

Dokładne i niezawodne rozwiązanie pomiaru prądu jest również niezbędne do monitorowania stanu naładowania ESS. Czujnik napięcia i prądu BQ79731-Q1 integruje dwa 24-bitowe przetworniki analogowo-cyfrowe z detekcją prądu, z redundantnymi kanałami, które pomagają zapewnić bezpieczeństwo systemu i dokładność danych prądowych.

Wyzwanie nr 3: Równoważenie ogniw i pakietów

Ze względu na wahania obciążenia, pakiety akumulatorów mogą pobierać prąd z różną intensywnością. Wahania te powodują nierównowagę pozostałej energii w pakietach i obniżają maksymalną użyteczną energię całego ESS. Niespójność między nowymi ogniwami akumulatora a różnymi warunkami chłodzenia termicznego może również powodować nierównowagę między różnymi ogniwami, nawet w obrębie jednego pakietu. Pasywne równoważenie ogniw zużywa energię akumulatora na rezystorach i nie jest zalecane do równoważenia na poziomie pakietu, ponieważ generuje zbyt duże zużycie energii i nagrzewa pakiety.

Nierównowaga akumulatorów pogarsza się z biegiem czasu, a należy pamiętać, że system ESS powinien działać dłużej niż 10 lat. Niektóre ogniwa mogą starzeć się szybciej niż inne w ciągu 10 lat, zmuszając użytkowników do wymiany starzejących się akumulatorów. Bez solidnych, przystosowanych do wymiany ogniw na nowe układów równoważących poziom akumulatorów, pracownik musi ładować lub rozładowywać nowy akumulator, aby uzyskać podobny poziom energii, jaką mają pozostałe akumulatory w systemie ESS. Jednak jest to zadanie ryzykowne, kosztowne i pracochłonne.

Nierównowaga ogniw akumulatora zależy również od ich pojemności. Producenci akumulatorów opracowują ogniwa o większej pojemności – od 280 Ah do 314 Ah, a nawet 560 Ah – aby zoptymalizować koszty energii w przeliczeniu na kilowatogodzinę w całym systemie ESS. Akumulatory z ogniwami o większej pojemności wymagają większego efektywnego prądu równoważącego, aby wszystkie ogniwa w pakiecie dostarczały taką samą energię.

Istnieje kilka sposobów równoważenia pakietów. Rysunek 3 przedstawia jeden ze sposobów ładowania i rozładowywania pakietów z magistrali wysokiego napięcia za pomocą projektu referencyjnego dwukierunkowego rezonansowego konwertera CLLLC dla ESS. Kontrolując prąd ładowania i rozładowania, izolowany konwerter DC/DC może równoważyć pakiety, dopasowując je do pojemności lub napięcia pozostałych jednostek. Ponieważ zarówno prąd ładowania, jak i rozładowania przepływa przez dwukierunkowy konwerter DC/DC, ogólna sprawność jest niska, a moc znamionowa dwukierunkowego konwertera DC/DC jest duża.

Rysunek 3 Dwukierunkowy izolowany konwerter DC/DC z pakietu akumulatorów do magistrali wysokiego napięcia

Rysunek 4 Dwukierunkowy izolowany konwerter DC/DC z pakietu do magistrali niskiego napięcia

Źródło: opracowano na podstawie artykułu '3 major design challenges to solve in battery energy storage systems' autor: Ryan Tan © Texas Instruments