مفهوم بسته باتری لیتیومی قابل انباشته

ذخیره انرژی مدولار و مقیاس‌پذیر در انرژی‌های تجدیدپذیر امروزی، پشتیبان‌گیری تجاری و سیستم‌های خاموش{0}}شبکه اهمیت فزاینده‌ای دارد. مفهوم بسته باتری قابل انباشته شدن-سیستمی ساخته شده از ماژول‌های باتری مجزا که می‌توانند به صورت فیزیکی روی هم چیده شوند یا در قفسه‌ها چیده شوند-راه‌حلی انعطاف‌پذیر برای رشد، نگهداری و بهینه‌سازی سیستم ارائه می‌دهد. در این مقاله به بررسی این موضوع می پردازیم که یک بسته باتری لیتیومی روی هم چیده می شود، چگونه ساخته می شود، چگونه ماژول ها به صورت سری و موازی به هم متصل می شوند، ملاحظات ایمنی و طراحی، و چرا این رویکرد در سیستم های انرژی مدرن مورد توجه قرار گرفته است.

 

1. بسته باتری لیتیومی قابل انباشته چیست؟

چیدمان باتری لیتیومی قابل انباشته شدن به مجموعه ای از ماژول های استاندارد شده لیتیوم-یون یا فسفات آهن لیتیوم (LiFePO4) اشاره دارد که به گونه ای طراحی شده اند که-هم به صورت مکانیکی و هم الکتریکی{2}}برای ساختن یک بانک ذخیره انرژی بزرگتر به یکدیگر متصل شوند. هر ماژول معمولاً شامل سلول‌ها، یک سیستم مدیریت باتری (BMS)، پایانه‌ها و پوشش مناسب است و طوری مهندسی شده است که با واحدهای یکسان برای افزایش ظرفیت (به کیلووات-ساعت) یا ولتاژ سیستم ترکیب شود. با توجه به توصیفات اخیر صنعت، این واحدهای برق ماژولار "رویکردی بسیار قابل تنظیم برای ایجاد ذخایر انرژی شما، به ویژه برای انرژی خورشیدی یا پشتیبان ارائه می دهند." معماری ماژولار به کاربران این امکان را می‌دهد تا با حجم کم شروع کنند و با افزایش تقاضا یا بودجه، ماژول‌های اضافی را «پشته» یا قفسه کنند.

 

از آنجا که هر ماژول برای انباشته کردن-هم از نظر فیزیکی و هم از نظر الکتریکی-رویکرد از استقرار مقیاس پذیر، تعمیر و نگهداری آسان تر (جایگزینی واحدهای جداگانه به جای کل بانک ها) و ارزش چرخه عمر دارایی بهتر- پشتیبانی می کند. برای مثال، زمانی که ماژول‌ها از شیمی ایمن LiFePO4 ساخته می‌شوند، طول عمر طولانی-دوره پایداری حرارتی-ویژگی‌هایی را به ارمغان می‌آورند که برای چیدمان‌های انباشته مناسب هستند.

 

2. چرا Stackable Modules؟ مزایای رویکرد مدولار

مقیاس پذیری و کارایی هزینه

یکی از مزایای کلیدی بسته‌های باتری قابل انباشته، توانایی افزایش تدریجی فضای ذخیره‌سازی است. یک کسب و کار ممکن است در ابتدا یک ماژول را مستقر کند و بعداً واحدها را به صورت موازی یا سری اضافه کند تا تقاضای رو به رشد را برآورده کند. این مدل «پرداخت-هنگامی که{3}}شما-رشد می‌کنید» به همسویی سرمایه‌گذاری با استفاده واقعی کمک می‌کند و از سرمایه‌گذاری بیش از حد-در ابتدا جلوگیری می‌کند. از آنجایی که هر ماژول یکسان است، نگهداری، مدیریت قطعات یدکی، راه اندازی و آزمایش ساده تر می شود.

 

تعمیر و نگهداری و قابلیت اطمینان

سیستم های مدولار جایگزینی جزئی را امکان پذیر می کنند. اگر یک ماژول پیش از موعد خراب شود، می توان آن را بدون خاموش کردن کل بانک تعویض کرد. افزونگی آسان‌تر است: برخی از تاسیسات ظرفیت کمی بیش از- را پیکربندی می‌کنند تا حتی اگر یک واحد از کار بیفتد، سیستم در سطوح قابل قبول به کار خود ادامه می‌دهد. چنین شیوه‌های طراحی، زمان و قابلیت اطمینان کلی سیستم را افزایش می‌دهد.

 

مهندسی استاندارد و زنجیره تامین

استفاده از ماژول‌های باتری یکسان زنجیره تامین، مستندات و مهندسی را ساده می‌کند: کابل‌ها، اتصالات، نرم‌افزار نظارت، سیستم‌های مدیریت حرارتی همگی استاندارد می‌شوند. این به نوبه خود خطر خرید و یکپارچه سازهای سیستم را کاهش می دهد زیرا ماژول ها مطابقت دارند، روش های اتصال برقرار شده اند و بار لجستیکی کمتر است.

 

ولتاژ و ظرفیت سیستم انعطاف پذیر

ماژول های انباشته به طراحان سیستم اجازه می دهد تا هم ولتاژ و هم ظرفیت را تنظیم کنند. به عنوان مثال، ماژول ها را می توان به صورت سری برای افزایش ولتاژ (که جریان را برای یک سطح توان معین کاهش می دهد) یا به صورت موازی برای افزایش ظرفیت در همان ولتاژ متصل کرد. انعطاف‌پذیری پیکربندی، سیستم‌های ماژولار قابل انباشته شدن را بسیار سازگار با کاربردهای مختلف-از ذخیره‌سازی خورشیدی مسکونی گرفته تا ESS تجاری و صنعتی (سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی) می‌سازد.

 

3. اصول فنی: اتصالات سری و موازی در بسته های قابل انباشته

اتصالات سری - افزایش ولتاژ

هنگامی که ماژول ها به صورت سری متصل می شوند، ترمینال مثبت یک ماژول به ترمینال منفی ماژول بعدی متصل می شود و زنجیره ای از ماژول ها را ایجاد می کند. ولتاژ کل سیستم مجموع ولتاژ نامی هر ماژول است، در حالی که ظرفیت آمپر{1}ساعت (Ah) برابر با کوچکترین ظرفیت ماژول در رشته باقی می ماند. به عنوان مثال، چهار ماژول 51.2 ولتی یکسان در سری، ولتاژ سیستم ~204.8 ولت را تولید می کنند، اما ظرفیت بر حسب Ah یکسان باقی می ماند. این رویکرد زمانی مفید است که طراحی سیستم به ولتاژ باس DC بالاتری برای تبدیل کارآمد نیاز دارد، یا زمانی که رشته های موازی کمتری مورد نظر باشد.

 

اتصالات موازی - افزایش ظرفیت

برعکس، ماژول های متصل به موازات ولتاژ سیستم را حفظ می کنند اما ظرفیت کلی (Ah) و ذخیره انرژی (کیلووات ساعت) را افزایش می دهند. هر ماژول ظرفیت آمپر ساعتی خود را دارد، بنابراین اگر سه ماژول دارای 100 Ah با ولتاژ 51.2 ولت موازی شوند، سیستم 51.2 V و ~300 Ah خواهد بود. این پیکربندی زمانی رایج است که یک ولتاژ ماژول استاندارد انتخاب شده باشد و برای پوشش مدت زمان پشتیبان گیری طولانی تر یا بارهای انرژی بالاتر نیاز به گسترش باشد.

 

تنظیمات ترکیبی

در تاسیسات بزرگ، معماری‌های موازی سری‌های ترکیبی-هم ولتاژ و هم ظرفیت بالاتری را ارائه می‌کنند و در عین حال جریان سیستم، اندازه کابل و سازگاری اینورتر را بهینه می‌کنند. با این حال، صرف نظر از پیکربندی، ضروری است که ماژول ها از نظر مشخصات (ولتاژ، ظرفیت، شیمی، سن) یکسان باشند تا از عدم تعادل جلوگیری شود که می تواند طول عمر را کاهش دهد یا باعث مشکلات ایمنی شود.

 

4. ملاحظات طراحی برای ماژول های باتری قابل انباشته

انباشته مکانیکی و ساختار پشتیبانی

ماژول های قابل انباشته شدن باید با در نظر گرفتن پشتیبانی مکانیکی طراحی شوند. چه ماژول‌ها مستقیماً روی هم چیده شوند یا در قفسه‌ها نصب شوند، سیستم باید از توزیع وزن پایدار، تثبیت‌های ایمن، فاصله مناسب برای تهویه و محافظت در برابر لرزش یا رویدادهای لرزه‌ای اطمینان حاصل کند. بسیاری از طرح ها شامل محفظه های به هم پیوسته، ریل های راهنما یا قفسه ها هستند.

 

مدیریت حرارتی و تهویه

هنگامی که ماژول ها روی هم چیده می شوند یا در قفسه های متراکم قرار می گیرند، مدیریت حرارتی حیاتی می شود. هر ماژول تحت شارژ/تخلیه گرما تولید می کند. بدون خنک کننده و جریان هوا کافی، دمای ماژول ممکن است افزایش یابد و تخریب را تسریع کند و ایمنی را به خطر بیندازد. طراحی برای فاصله کافی بین ماژول ها، کانال های خنک کننده هوای اجباری یا خنک کننده مایع و حفظ دما در محدوده های مشخص شده سازنده بسیار مهم است.

 

اتصال برق و ایمنی

اتصالات-شیشه‌ها، کابل‌ها، پایانه‌ها-باید جریان‌های مورد انتظار را بدون مقاومت زیاد، گرمایش یا افت ولتاژ پشتیبانی کنند. هنگامی که ماژول ها به صورت سری یا موازی متصل می شوند، سیستم های حفاظتی مانند فیوزها، قطع کننده های مدار، و ویژگی های BMS به تشخیص عدم تعادل، جریان بیش از حد، بیش از-ولتاژ یا خرابی سلول کمک می کنند. ماژول های طراحی شده برای انباشته اغلب شامل BMS یکپارچه در هر ماژول به همراه یک کنترل کننده مرکزی هستند.

 

سیستم مدیریت باتری (BMS)

یک BMS قوی اساسی است. در یک بسته قابل انباشته، هر ماژول ممکن است BMS خود را برای تعادل سلول، نظارت بر دما و ولتاژ داشته باشد. یک BMS اصلی بر کل رشته نظارت می کند، اطمینان حاصل می کند که ماژول ها به طور ایمن همکاری می کنند، خطاها را جدا می کند و با کنترل کننده سیستم ارتباط برقرار می کند. طراحی صحیح BMS به طور قابل توجهی بر عمر چرخه، ایمنی و عملکرد سیستم تأثیر می گذارد.

 

5. شیمی و انتخاب ماژول برای سیستم های انباشته

چرا لیتیوم آهن فسفات (LiFePO4) اغلب انتخاب است

بسیاری از بسته های باتری قابل انباشته شدن از ترکیب شیمیایی LiFePO4 به دلیل مزایای ذاتی آن در سیستم های مدولار استفاده می کنند. در مقایسه با سایر مواد شیمیایی لیتیوم، آستانه‌های فرار حرارتی بالاتری دارد، هزاران چرخه (اغلب 3000 تا 6000 یا بیشتر) ارائه می‌کند، محدوده دمایی وسیع‌تری را کنترل می‌کند، و رفتار ولتاژ پایداری دارد. این ویژگی ها زمانی که ماژول ها در پشته های متراکم قرار می گیرند بسیار مطلوب هستند. به عنوان مثال، طرح های LiFePO4 اغلب برای سیستم های ذخیره انرژی که برای عمر طولانی و عملکرد ایمن طراحی شده اند انتخاب می شوند.

 

ماژول های تطبیق: ولتاژ، ظرفیت و شیمی

برای سیستم های انباشته، انتخاب ماژول هایی با ولتاژ اسمی یکسان، ظرفیت (Ah یا کیلووات ساعت)، شیمی و دسته ساخت بسیار مهم است. عدم تطابق می تواند باعث عدم تعادل، کاهش ظرفیت قابل استفاده، کوتاه شدن عمر چرخه، یا راه اندازی سیستم های حفاظت ایمنی شود. ولتاژ نامی ماژول ولتاژ رشته سری را تعریف می کند. ظرفیت ذخیره سازی قابل استفاده را تعریف می کند. و مقاومت داخلی بر گرما و طول عمر تأثیر می گذارد.

 

عمق تخلیه (DoD) و عمر چرخه

ماژول‌هایی که برای انباشته شدن طراحی شده‌اند باید از عمق تخلیه بالا (مثلا 80 تا 90%) پشتیبانی کنند و عمر چرخه بالایی داشته باشند. در سیستم‌های مقیاس بزرگ ممکن است انتظار می‌رود که ماژول 3000 تا 10000 چرخه را بسته به طراحی و نحوه عملکرد محافظه‌کارانه ارائه دهد. عمر چرخه بالاتر هزینه تعویض را کاهش می دهد و از هزینه کل مالکیت بهتر پشتیبانی می کند.

 

6. کاربرد بسته های باتری قابل انباشته شدن در سیستم های دنیای واقعی

ماژول های باتری قابل انباشته به طور گسترده در برنامه های زیر استفاده می شوند:

● ذخیره سازی انرژی خورشیدی مسکونی و تجاری:ماژول‌ها را می‌توان به مرور زمان با نصب پانل‌های خورشیدی یا بارهای اضافی اضافه کرد که باعث افزایش تدریجی ذخیره‌سازی می‌شود.

● سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی تجاری و صنعتی (ESS):تسهیلات می‌توانند ماژول‌های{0}}راک نصب‌شده را برای دستیابی به ظرفیت‌های بزرگ (در ده‌ها تا صدها کیلووات- ساعت یا بیشتر) و توانمندی با توان بالا مستقر کنند.

● برق پشتیبان و منبع تغذیه بدون وقفه (UPS):بسته‌های باتری مدولار امکان افزایش مدت زمان پشتیبان‌گیری را صرفاً با چیدن واحدهای بیشتر بدون طراحی مجدد کل سیستم می‌کنند.

● نصب‌های ریزشبکه و خاموش-شبکه:باتری‌های روی هم از طراحی مدولار، افزونگی و قابلیت نگهداری در سیستم‌های راه دور یا در حال تکامل پشتیبانی می‌کنند.

● زیرساخت شارژ وسایل نقلیه الکتریکی (EV) و آربیتراژ انرژی:همانطور که شارژ EV و خدمات شبکه رشد می‌کنند، بانک‌های باتری مدولار مقیاس‌بندی ظرفیت انعطاف‌پذیر و استقرار سریع را ارائه می‌دهند.

 

در همه این موارد{0}}رویکرد ماژولار و قابل انباشته شدن، سرمایه‌گذاری اولیه را کاهش می‌دهد، لجستیک را ساده می‌کند، از تعمیر و نگهداری و ارتقاء پشتیبانی می‌کند، و با تقاضای انرژی در حال تکامل همسو می‌شود.