Na dużą skalę systemy magazynowania energii litowej wysokiego napięcia Równoległe działanie klastrów baterii to powszechna architektura stosowana w celu osiągnięcia większej pojemności, skalowalności zasilania i niezawodności systemu. EverExceed Ta architektura jest szeroko stosowana w magazynowaniu energii w sieciach elektroenergetycznych, systemach zasilania awaryjnego UPS oraz przemysłowych rozwiązaniach energetycznych. Jednak, choć połączenie równoległe oferuje znaczące korzyści, wiąże się ono również z wyzwaniami technicznymi, które wymagają starannego zarządzania.

Główne zalety (zalety)

1. Elastyczna skalowalność i modułowa konstrukcja

Możliwość rozbudowy mocy i zwiększenia wydajności na żądanie:
Zwiększając lub zmniejszając liczbę równoległych klastrów baterii, można elastycznie skalować pojemność i moc systemu bez konieczności przeprojektowywania całego systemu baterii. Dzięki temu architektura równoległa idealnie nadaje się do modułowych aplikacji ESS i UPS.

Standaryzacja produkcji:
Każdy klaster akumulatorów może zostać zaprojektowany i wyprodukowany w sposób standardowy i masowy, co pozwala obniżyć koszty produkcji, a jednocześnie zapewnia spójność i jakość produktu.

Łatwość konserwacji i wymiany:
W przypadku awarii pojedynczego klastra można go odizolować elektrycznie, naprawić lub wymienić bez wyłączania całego systemu, co znacznie poprawia dostępność i łatwość konserwacji systemu.

2. Zwiększona redundancja i niezawodność systemu

Redundancja N+1:
Dodatkowy klaster baterii można skonfigurować tak, aby nawet w przypadku awarii jednego z nich system mógł kontynuować pracę z mocą znamionową, zapewniając nieprzerwane zasilanie dla obciążeń krytycznych, takich jak centra danych i obiekty przemysłowe.

Możliwość izolacji usterek:
Awarie, takie jak zwarcia wewnętrzne czy awarie BMS, mogą być ograniczone do pojedynczego klastra. Dzięki izolatorom prądu stałego i stycznikom, awarie można szybko odłączyć, zmniejszając ryzyko systemowe.

3. Poprawa wydajności i optymalizacja operacyjna

Zmniejszony prąd na klaster:
Równoległy podział prądu obniża natężenie prądu przepływającego przez każdy klaster akumulatorów, zmniejszając obciążenie elektryczne złączy, kabli i ogniw. Zmniejsza to straty Joule'a wewnątrz klastra.

Ploss=I2RP_{strata} = I^2R P ja oss = I 2 R

i może poprawić ogólną wydajność systemu.

Elastyczność operacyjna dzięki inteligentnemu harmonogramowaniu:
Zaawansowany Systemy zarządzania energią (EMS) może inteligentnie zarządzać klastrami w oparciu o warunki w czasie rzeczywistym. Na przykład klastry o wyższym SOC i niższej rezystancji wewnętrznej mogą być traktowane priorytetowo, a przegrzane klastry mogą być tymczasowo wyłączane w celu schłodzenia, co wydłuża żywotność systemu.

Główne wyzwania i zagrożenia (wady)

1. Prąd krążący (główna wada)

Przyczyna główna:
Ze względu na nieuniknione różnice w napięciu wyjściowym pomiędzy klastrami — spowodowane stanem naładowania, temperaturą, rezystancją wewnętrzną i starzeniem — klastry o wyższym napięciu mogą ładować klastry o niższym napięciu, generując prąd krążący, który nie płynie do obciążenia zewnętrznego ani do sieci.

Do zagrożeń zalicza się:

• Strata energii: Prąd krążący zamienia się bezpośrednio w ciepło, co obniża wydajność systemu.

• Przyspieszone starzenie: W niektórych klastrach występują niepotrzebne cykle ładowania/rozładowania, co przyspiesza degradację pojemności.

• Ryzyko nadprądowe: Duże natężenie prądu w sieci może przekroczyć parametry bezpieczników, styczników lub urządzeń energetycznych, co może prowadzić do awarii.

2. Wzmocniona niespójność i zwiększona złożoność sterowania

„Efekt najsłabszego ogniwa”:
W systemach równoległych całkowita użyteczna pojemność jest ograniczona przez klaster, który jako pierwszy osiągnie limity ładowania lub rozładowania. Każda niespójność bezpośrednio zmniejsza efektywną pojemność systemu.

Złożoność wielowarstwowego BMS:
W przypadku równoległych systemów wysokiego napięcia zwykle wymagane jest architektura sterowania trójpoziomowego :
BMS na poziomie komórki → BMS na poziomie klastra → EMS na poziomie systemu.
System EMS musi wykonywać zaawansowane algorytmy w celu równoważenia prądu, wyrównywania SOC i oceny stanu, co znacznie zwiększa złożoność oprogramowania i komunikacji.

3. Koordynacja ochrony i zagrożenia bezpieczeństwa

Ekstremalnie wysoki prąd zwarciowy:
Podczas zwarć po stronie prądu stałego wszystkie równoległe klastry akumulatorów rozładowują się jednocześnie w punkcie zwarcia, generując ekstremalnie wysokie prądy zwarciowe. Nakłada to surowe wymagania na wyłączniki i urządzenia zabezpieczające prądu stałego.

Wyzwania związane z selektywnością ochrony:
Progi ochrony i czasy reakcji muszą być precyzyjnie skoordynowane na wszystkich poziomach (komórka, moduł, klaster, system), aby mieć pewność, że izolowana będzie tylko najmniejsza uszkodzona jednostka, zapobiegając w ten sposób kaskadowym awariom.

4. Początkowa inwestycja i koszt systemu

Dodatkowe zbędne komponenty:
Każdy klaster akumulatorów wymaga własnego systemu BMS, styczników, bezpieczników, a w niektórych przypadkach przetworników DC/DC do aktywnego równoważenia prądu, co zwiększa koszty sprzętu.

Wyższe koszty integracji systemu:
Złożone projektowanie instalacji elektrycznych, skoordynowane zarządzanie ciepłem i opracowywanie zaawansowanego oprogramowania sterującego znacznie zwiększają koszty projektowania i uruchomienia.

Kluczowe rozwiązania techniczne: Jak zmaksymalizować korzyści i ograniczyć ryzyko

1. Aktywna izolacja i regulacja oparta na przetwornicy DC/DC

Każdy klaster baterii wyposażony jest na wyjściu w dwukierunkową przetwornicę DC/DC.

Zalety:

• Całkowicie eliminuje prąd krążący

• Umożliwia niezależną kontrolę ładowania/rozładowywania dla każdego klastra

• Maksymalizuje użyteczną pojemność i stabilność systemu

• Stanowi najskuteczniejsze rozwiązanie w zakresie zarządzania niespójnością

Kompromisy:

• Zwiększony koszt i objętość systemu

• Niewielka utrata wydajności (zwykle nadal >97%)

2. Pasywne równoważenie prądu z zaawansowanym zarządzaniem

Ścisłe dopasowywanie klastrów:
Przed łączeniem równoległym klastry są starannie dopasowywane pod względem napięcia, rezystancji wewnętrznej i pojemności.

Zaawansowane algorytmy BMS na poziomie klastra:
Dokładne oszacowanie SOC i SOH umożliwia EMS optymalizację strategii dyspozycji i dynamiczną kontrolę udziału klastra.

Środki tłumienia prądu krążącego:
Zastosowanie rezystorów tłumiących lub zoptymalizowanych topologii w celu ograniczenia wielkości prądu krążącego.

Podsumowanie i wnioski

Ostateczna rekomendacja

Praca równoległa klastry baterii litowych wysokiego napięcia jest niezbędny do skalowania nowoczesnego systemy magazynowania energii , ale jego pomyślne wdrożenie w dużej mierze zależy od:

1. Precyzyjne dopasowywanie komórek i klastrów

2. Potężny, inteligentny, wielopoziomowy BMS i EMS

3. Rygorystyczna konstrukcja elektryczna i bezpieczeństwa, zwłaszcza w zakresie koordynacji zabezpieczeń i tłumienia prądu krążącego

4. Kompromisy między kosztami a wydajnością:

   • Do zastosowań wymagających maksymalna wydajność i spójność Zalecane są architektury z izolacją DC/DC

   • W przypadku projektów wrażliwych na koszty, z dobrze dobranymi klastrami, można zastosować zaawansowane rozwiązania z zakresu zarządzania pasywnego

Na EverExceed zasady te są w pełni zintegrowane z projektem naszego systemy akumulatorów litowo-jonowych wysokiego napięcia do magazynowania energii, zasilania awaryjnego UPS, centrów danych i zastosowań w energetyce przemysłowej , zapewniając bezpieczną eksploatację, wysoką wydajność i długoterminową niezawodność.