Pagrindinių našumo rodiklių baterijų energijos kaupimo sistemose supratimas

Ratuko efektyvumas (Round-Trip Efficiency): nuostolių, kylančių dėl įtampų kritimo, keitiklio konvertavimo ir baterijų valdymo sistemos (BMS) papildomos apkrovos, kiekybinis įvertinimas

Aplinkos efektyvumas (angl. Round trip efficiency, RTE) esminiu būdu parodo, kiek energijos grąžinama iš akumuliatorių kaupimo sistemos palyginti su į ją įvesta energija įkrovos metu. Keliais būdais energija prarandama perduodant ją. Pirma, dėl vidinės akumuliatorių varžos susidaro įtampos kritimas, kuris šiluma išnaudoja apie 5–15 % energijos. Antra, vykstant nuolatinės srovės ir kintamosios srovės konvertavimui per invertorius paprastai daroma papildoma 3–8 % energijos nuostolių – priklausomai nuo sistemos konfigūracijos ir apkrovos. Be to, neverta pamiršti viso fono darbo, kurį atlieka akumuliatorių valdymo sistema (BMS), pvz., stebėdama elementus, palaikydama jų balansą ir užtikrindama saugos protokolus – tai sunaudoja maždaug 1–3 %. Visi šie veiksniai kartu sumažina bendrąjį aplinkos efektyvumą iki 80–95 % šiandieninėse litio jonų sistemose. Geros naujienos yra tai, kad gamintojai gali pagerinti našumą keisdami elementų chemiją – pavyzdžiui, pereidami prie LFP medžiagų, kurios užtikrina geresnį laidumą, – bei derindami jas su naujausiais silicio karbido invertoriais, kurie sunaudoja mažiau energijos. Šie pagerinimai ne tik sumažina energijos nuostolius, bet taip pat padeda pratęsti šių sistemų tarnavimo laiką iki pakeitimo.

Sukrovimo gilumo ir C-koeficiento subalansavimas, kad būtų išsaugota naudingumo koeficiento ir ciklų trukmės efektyvumas

Valdyti iškrovimo gylį (DoD) kartu su C-koeficientu yra tikrai svarbu, kad baterijos veiktų efektyviai ir tarnautų ilgiau. Viršijus 80 % DoD elektrodai susidėvi greičiau, todėl baterija išlaiko mažiau ciklų nei esant apie 60 % DoD. Šis skirtumas gali būti ganėtinai reikšmingas – nuo 30 iki 50 % mažiau naudingų ciklų. Be to, jei iškrovimo našta viršija 1C, padėtis dar labiau pablogėja dėl didesnio šilumos kaupimosi ir nepageidaujamų poliarizacijos nuostolių, kurie sumažina ratukinės efektyvumo koeficientą apie 8–12 %. Dauguma tyrimų rodo, kad optimalus diapazonas yra tarp 0,5–0,8C iškrovimo naštos ir 60–80 % DoD. Šis „šventasis taškas“ padeda išlaikyti litio jonų elektrodų fizinę struktūrą ir užtikrinti, kad talpos išlaikymas liktų aukštesnis nei 90 % net po 4000 įkrovimo ciklų. Pridėjus tinkamas šilumos valdymo sistemas šie parametrai puikiai išlaikomi nepriklausomai nuo sistemos apkrovos pobūdžio ar išorės temperatūros sąlygų pokyčių.

Šilumos valdymo strategijos ilgalaikės baterijų energijos kaupimo sistemos veiksmingumui užtikrinti

Aktyvusis ir neaktyvusis aušinimas: poveikis elementų vienodumui, degradacijos tempui ir RTE stabilumui

Baterijos elementų temperatūros palaikymas maždaug nuo 25 iki 35 laipsnių Celsijaus yra labai svarbus. Kai temperatūra nukrypsta už šio optimalaus diapazono, neigiamos cheminės reakcijos paspartėja, vidinė varža padidėja, o įtampa tiesiog nebegali likti stabilioje būsenoje. Skystojo aušinimo sistemos čia veikia puikiai – palyginti su paprastomis pasyviomis sistemomis jos sumažina temperatūros skirtumus tarp elementų maždaug 60–70 procentų. Tai lemia žymiai tolygesnį visų elementų nusidėvėjimą ir geriau bendrą sistemos našumą. Trūkumas? Šios aktyvios aušinimo sistemos sunaudoja apie 8–15 procentų visos baterijos kaupimo sistemos energijos talpos, todėl šie naudingumo pagerinimai dalinai neutralizuojami. Kita vertus, pasyvios priemonės, pvz., fazės perėjimo medžiagos, visiškai išvengia šios energijos sąnaudų problemos. Tačiau intensyvaus naudojimo metu jos leidžia temperatūros skirtumams pasiekti apytiksliai 10 laipsnių Celsijaus, dėl ko kai kurie baterijos elementai sensta greičiau nei kiti. Atsižvelgiant į tai, ką iš tikrųjų reikalauja UL 9540A standartas, sprendimas iš esmės priklauso nuo to, ko labiausiai reikia konkrečiai sistemai. Didelėse elektros tinklo masto sistemose, kur svarbi nuolatinė galia, dažniausiai renkamasi aktyvų aušinimą, nepaisant papildomų energijos sąnaudų. Mažesnėse atsarginėse sistemose dažniausiai naudojamos pasyviosios metodikos, nes jos paprastesnės priežiūrai ir ilgainiui patikimesnės.

Realiojo laiko sveikatos būklės įvertinimas naudojant elektrocheminius dirbtinio intelekto modelius

Naujausios elektrocheminės dirbtinio intelekto (AI) modelių sistemos derina realiuoju laiku gaunamus įtampų rodmenis, srovės matavimus ir temperatūros stebėjimą, kad baterijos būklę prognozuotų su maždaug 97 % tikslumu – tai viršija tradicinius požiūrius, pvz., paprastus įtampos slenksčius arba paprastas kulonų skaičiavimo technikas. Šie protingieji algoritmai gali aptikti nusidėvėjimo požymius daug anksčiau, nei problemos iš tikrųjų pasireiškia paviršiuje, nustatydami tokias reišmes kaip litio nuosėdos ar elektrolito tirpalo cheminis suskilimas maždaug 30–50 ciklų anksčiau. Kai šios sistemos integruojamos į baterijų valdymo programinę įrangą, jos automatiškai koreguoja aušinimo parametrus ir įkrovimo režimus remdamosi tuo, kas vyksta elementų viduje esant įvairioms sąlygoms. Toks veiksmingas koregavimas padeda sumažinti elementų nusidėvėjimą maždaug 18–22 %, kai kilsta staigūs galios poreikiai. Toliau tobulėjant mašininiam mokymuisi, neteisingų signalų taip pat tampa vis mažiau – klaidų dažnis sumažėja maždaug 40 %. Tai reiškia, kad baterijos nešvaisto energijos nereikalingam aušinimui, kai realios grėsmės nėra, o tai galiausiai padeda jiems ilgiau tarnauti ir veikti efektyviau visumai.

Dirbtinio intelekto valdoma baterijų energijos kaupimo sistemų veiklos optimizacija

Pratatinis mokymasis adaptuotai įkrovos/iškrovos tvarkaraščiui sudaryti, remiantis apkrova, kaina ir prognozės netikrumu

Stiprinamasis mokymasis arba RL padeda baterijų energijos kaupimo sistemoms nustatyti, kada įkrauti ir iškrauti, remiantis dabartinėmis elektros energijos kainomis, šiuo metu vykstančiais procesais elektros tinkle ir įvairiais neprognozuojamais veiksniais. Pagalvokite, kaip oras veikia paklausos svyravimus arba kada saulės/ vėjo energijos gamyba neveikia tikėtinais tikslais. Šie RL modeliai mokomi naudojant praeities duomenis bei sugalvotus scenarijus, kurie imituoja skirtingas elektros tinklo sąlygas. Laikui bėgant jie vis labiau tobulėja priimdami sprendimus, kad pasiektų maksimalią galimą naudą, vienu metu laikydamiesi svarbių taisyklių, kurios nustato, kaip baterijos turi veikti saugiai. Pavyzdžiui, jos turi išvengti per dažno pilno baterijų iškrovimo, kontroliuoti įkrovimo/iškrovimo greitį ir užtikrinti, kad temperatūra liktų saugių ribų viduje. Realiojo pasaulio bandymai parodė, kad šios protingos sistemos pelną gali padidinti nuo 12 % iki beveik 18 % palyginti su senaisiais tvarkaraščių sudarymo metodais. Kaip tai pasiekiamą? Iš tiesų paprasta – jos laukia brangių kainų šuolių prieš įkraudamos baterijas, o vėliau strategiškai išleidžia sukauptą energiją, kai tinklas patiria didelę apkrovą arba kainos staigiai pakyla. Šio požiūrio ypatingumas – gebėjimas valdyti neapibrėžtumą, nepažeisdant pačios baterijos. Dabar operatoriams nebėra reikalingas pasirinkimas tarp įrangos apsaugos ir greito reagavimo į rinkos pokyčius.

Vertės kaupimas: energijos arbitražo, dažnio valdymo rezervo (FCR) ir automatinio dažnio atstatymo rezervo (aFRR) integravimas

Vertės kaupimas naudoja dirbtinį intelektą, kad vienoje baterijų energijos kaupimo sistemoje būtų sujungtos kelios tinklo paslaugos, pvz., energijos arbitražas, dažnio valdymo atsarga (FCR) ir automatinė dažnio atstatymo atsarga (aFRR). Arbitražas iš esmės pasinaudoja šiomis valandinėmis rinkos kainų skirtumais. Tuo tarpu FCR įsijungia, kai per sekundes vyksta nedideli dažnio pokyčiai, o aFRR tvarko tai, kas lieka po to, kai išspręstos didesnės problemos – paprastai per apie 5–15 minučių. Visa sistema turi dirbtinio intelekto „smegenis“, kurios valdo, kiek galios yra prieinama bet kuriuo duotuoju metu, užtikrindamos, kad tinklo nestabilumo atveju pirmaujančią vietą užimtų FCR, tačiau kai kainos iš anksto atrodo palankios, sistema perjungiama į arbitražo režimą. Įmonės praneša, kad pajamos padidėja nuo 20 % iki 40 % lyginant su vienos paslaugos veikimu vien tik. Be to, joms nereikia nerimauti dėl saugos ribų viršijimo arba baterijų susidėvėjimo greitesnio nei įprasta. Šį sprendimą patvirtina taip pat standartų organizacijos, tokios kaip UL 1973 ir IEEE 1547-2018, parodančios, kad teisingai įgyvendinus vertės kaupimą baterijų elementų papildomas susidėvėjimas laikui bėgant sudaro tik apie 2 %.

Įrangos integravimo geriausios praktikos visuotinei akumuliatorių energijos kaupimo sistemos našumo optimizacijai

Įrangos komponentų tinkamo sąveikavimo užtikrinimas yra išties svarbus, jei norime geros ilgalaikės efektyvumo ir našumo charakteristikos viso sistemos veikimo laikotarpiu. Kai tokie komponentai kaip akumuliatoriai, maitinimo keitikliai ir aušinimo sistemos tikrai deramai bendradarbiauja, tai labai paveikia energijos nuostolius perduodant ją. Pavyzdžiui, per mažo skerspjūvio laidai ar ilgi nuolatinės srovės (DC) magistraliniai laidai gali sukelti apie 3 % nuostolių – to niekas nenorėtų matyti savo sąskaitoje. Be to, kai keitikliai ir baterijų valdymo sistemos bendrauja skirtingomis kalbomis (t.y. netinkamais ryšio protokolais), tai priverčia sistemas veikti atsargiai, todėl iš jų gaunama mažiau naudingos galios, nei būtų įmanoma. Pramonės ekspertai rekomenduoja šiuos sprendimus: DC jungtis laikyti kuo trumpesnėmis, kad išvengti įtampos kritimo; naudoti standartizuotus CAN FD arba Ethernet ryšio protokolus, kad viskas bendrautų žaibiškai; konstruoti korpusus su tinkamomis oro cirkuliacijos kanalais, kurie atitiktų vietą, kur susikaupia šiluma. Didelių gamintojų šiuos sprendimus išbandyta ir patvirtinta ilgalaikiuose bandymuose, o taip suprojektuotos sistemos po tūkstančių įkrovos ciklų išlaiko apie 92 % ratukinės („round trip“) efektyvumo, palyginti su tik 85 % efektyvumo, kurį pasiekia neapgalvotai sujungtos sistemos. Didelėse įrenginių sistemose naudojant UL 9540 sertifikuotas jungtis tarp rėmų pagerėja visos sistemos suderinamumas, sumažėja montavimo klaidų tikimybė ir išvengiama tų erzinančių 15 % efektyvumo nuostolių, kurie dažnai pasitaiko bandant sumažinti energijos poreikio viršūnes.

DUK

Kas yra akumuliatorių sistemų ratukinė naudingumo koeficientas (RTE)?

Ratukinė naudingumo koeficientas matuoja, kiek energijos išgaunama iš akumuliatorių kaupimo sistemos palyginti su energija, sunaudota ją įkrauti, atsižvelgiant į nuostolius, pvz., įtampos kritimą, keitiklio konversiją ir baterijų valdymo sistemos papildomą apkrovą.

Kaip išsikrovimo gylis (DoD) veikia baterijos tarnavimo laiką?

Didelis iškrovimo gylis gali pagreitinti elektrodų nusidėvėjimą, dėl ko žymiai sumažėja naudingų ciklų skaičius ir bendras akumuliatoriaus tarnavimo laikas. Vidutinio iškrovimo gylio palaikymas padeda pratęsti akumuliatoriaus tarnavimo laiką.

Kokie yra privalumai naudojant dirbtinį intelektą akumuliatorių energijos sistemose?

Dirbtinis intelektas patobulina akumuliatorių sistemas, optimizuodamas įkrovos/iškrovos grafikus ir prognozuodamas baterijos būklės būseną, taip pagerindamas efektyvumą, pratęsdamas akumuliatoriaus tarnavimo laiką ir maksimaliai padidindamas finansines grąžas.

Kokia yra skirtumas tarp aktyvaus ir neaktyvaus aušinimo akumuliatorių sistemose?

Aktyvus aušinimas, nors ir efektyvesnis palaikant vienodas temperatūras, sunaudoja daugiau energijos, tuo tarpu pasyvus aušinimas yra energiją taupantis, bet leidžia didesnį temperatūrų skirtumą tarp elementų.