Энергия сақтау аккумуляторларының ұзақ циклын қалай ұзартуға болады?

Ұзақ циклдық қызмет ету үшін разрядтау тереңдігін оптимизациялау

DoD және цикл саны арасындағы кері қатынас

Батареяларды қаншалықты терең разрядтау олардың қызмет ету мерзіміне әсер етеді, себебі бұл олардың ішіндегі белгілі бір химиялық процестерге байланысты. Егер адамдар орташа разрядтау тереңдігін шамамен 10%–ға азайтса, литийлік батареялар әдетте өз қызмет ету мерзімін 30–60%–ға ұзартады. Бұл негізінен батареяларды тым терең разрядтаған кезде катод құрылымына зиян келтіру жылдамдайды және «қатты электролиттік шекара» деп аталатын жерде тұнба түзілуі күшейеді. Мысалы, біреу батареясын әрдайым толығымен босату орнына 50%–ға дейін ғана разрядтаса, батареяның алғашқы сыйымдылығы 80%–дан төмендегенге дейін ол әдетте екіден төрт есе көп зарядтау циклдарын көтереді. Бұл неге болады? Себебі батареялар толығымен разрядталмаған кезде олардың ішіндегі кішкентай электрод құрылымдарына физикалық кернеу аз болады. Уақыт өте келе бұл батареяның ішкі құрылымын жүздеген немесе мыңдаған рет зарядтағаннан кейін де сақтауға көмектеседі.

Жағдай зерттеуі: торлық масштабтағы LiFePO жүйелеріндегі 80% пен 30% DoD

2023 жылы желілік сақтау орнатуларын талдау қолданыс мерзіміндегі айқын айырымдарды анықтады: DoD басқаруымен салыстырғанда

Аккумуляторлар тек 30% ғана разрядталатын болса, олар 80% тереңдікте разрядталған кезде болғанға қарағанда шамамен үш есе ұзақ қызмет істейді. Бұл тәсілден туындайтын құн үнемі де өте үлкен болуы мүмкін. Он жыл ішінде алмастыру шығындары шамамен 72% төмендейді, бірақ бұл бастапқыда қуаты 15% артық аккумулятор орнату керектігін білдіреді. Қазіргі заманғы аккумуляторларды басқару жүйелері барлық бұндай DoD шектеулерін қазір қолданыстағы уақытта автоматты түрде өңдейді. Олар әрбір жеке элементтің әр уақытта ішінде не болып жатқанына қарап, қанша қуат алынатынын үнемі реттеп отырады. Бұл аккумуляторлардың алмастыруға дейін көптеген циклдар бойы жақсы жұмыс істеуін қамтамасыз етеді.

Ұзақ циклдық тұрақтылықты максималдандыру үшін зарядтың оптималды күйін сақтаңыз

Заряд күйінің (SoC) 20–80% аралығы: Электродтарға түсетін кернеуді азайту

Литий-ионды аккумуляторлар 20% пен 80% арасындағы зарядта ұсталған кезде толық зарядталуға немесе толық разрядталуға қарағанда ұзағырақ қызмет істейді. Егер бұл аккумуляторлар 90%-дан аса зарядталса, катодтың материалдарына кернеу тудыратын «артықшылық интеркаляция» деп аталатын құбылыс пайда болады. Ал егер олар 20%-дан төмен деңгейге дейін разрядталса, анодтың бетінде «литийдің пластиналануы» деп аталатын құбылыс басталады. Бұл екі проблема аккумулятордың уақыт өте келе тезірек тозуын жеделдетеді. 2022 жылы Journal of Power Sources журналында жарияланған зерттеулерге сәйкес, заряд деңгейін осы ортаңғы ауқымда ұстау аккумулятордың механикалық тозуын толық разрядтау мен қайтадан толық зарядтауды қайталап отыруға қарағанда шамамен 40–60 пайызға азайтады. Аккумулятордың қызмет ету мерзімін максималды ұзартқысы келетіндер үшін бұл жартылай зарядтау әдісі аккумулятордың сыйымдылығын жоғалтпай қанша рет қолданылатынына нақты әсер етеді.

Зарядтың күйі (SoC) гистерезисі және календарлық старение: NREL деректерінен алынған өрістік деректер

Ұлттық жаңартылатын энергия зерттеу лабораториясының жүргізген зерттеулеріне сәйкес, тұрақты толық зарядта ұсталатын аккумуляторлар көлемі бойынша шамамен үш есе тезірек тозады, ал оларды шамамен жартылай зарядта ұстағанда бұл көрсеткіш төмендейді. Бұл құбылыс «кернеу гистерезисі» деп аталады және ол зарядтау мен разрядтау кезінде болатын процестер арасындағы айырманы білдіреді. Жиі терең разрядталатын жүйелерде 500 заряд циклынан кейін бұл айырма шамамен төрттен бір бөлікке ұлғаяды. Мәселені одан да ауырлататын фактор — бұл артық шығындалған энергия аккумуляторлардың уақыт өте келе тезірек старениеге ұшырауын тездетеді. Идеалды заряд ауқымында ұсталмайтын электр желісіне қосылған орнатылымдар үшін аккумуляторлардың алдын-ала есептелген қызмет ету мерзімінің 32% дейінін жоғалтуы мүмкін.

Ұзақ циклдық тұрақтылық үшін дәл температураны реттеу

Деградацияның жылулық үдеуі: 10°C ережесін сандық бағалау

Электрохимиялық ыдырау туралы сөз болғанда, температураның негізгі рөлі бар — ол процесті тездетеді. Жылу мен деградация арасындағы байланыс ғалымдар «Аррениус теңдеуі» деп атайтын заңдылыққа бағынады. Егер температура бөлме температурасынан (шамамен 25°C) 10°C-қа көтерілсе, көптеген энергия сақтау жүйелері ыдырауы екі есе жылдамдайды. Бұл олардың пайдалы қызмет ету мерзімін 30%–50% аралығында қысқартады. Шынында да, жылу осы жүйелердегі электродтарды жарықтатады және SEI қабаттарының тез өсуіне де әсер етеді. Мысалы, литий-ионды аккумуляторлар 35°C-та сақталған кезде 15°C-та сақталған аккумуляторларға қарағанда зарядтау циклдарының саны шамамен екі есе аз болады, басқа барлық факторлар бірдей қалса да. Осындай аккумуляторлармен тығыз толтырылған орнатулар үшін белсенді суыту тек ыңғайлы ғана емес — бұл міндетті талап, себебі уақыт өте келе қызу проблемалары күшейеді және бүкіл жүйенің жасы тезденеді.

Коммерциялық ЭЭЖ-де пассивті және белсенді жылу басқару

Фазалық ауысу материалдары немесе табиғи конвекция әдістері сияқты пассивті жүйелер кіші масштабды орнатулар үшін қол жетімді жылу басқару шешімдерін ұсынады, бірақ ауа райы жағдайлары жиі өзгерген кезде дәлдікке қол жеткізу қиын болады. Басқа жағынан, сұйықтықты суыту немесе буландырғыш циклын қамтитын белсенді суыту жүйелері температураны ±2 °C ауқымында тұрақты ұстай алады. Мұндай тұрақтылық жабдықтардың қызмет көрсету мерзімін шамамен 40 пайызға ұзартады, мәселен, бұл жүйелердің бастапқы құны жоғары болса да. Соңғы кездерде біз ірі масштабды жобаларда әртүрлі технологияларды біріктірудің көбеюін бақылаймыз, яғни белгілі бір қолданбалар үшін мағынасы бар жерлерде пассивті және белсенді элементтерді араластырамыз.

• Фазалық ауысу материалдары жоғары жылу жүктемелерін сіңіреді
• Алгоритм басқаратын суытқыштар негізгі температураны реттеуді қамтамасыз етеді
  Бұл стратегия энергия тиімділігі мен деградацияны бақылауды теңестіреді және қуаттық деңгейдегі жобаларда 15 жылдық жұмыс істеу мақсаттарына жетуге қажеттілігін көрсетеді.

Ұзақ циклдық өнімділік үшін ақылды зарядтау мен BMS стратегияларын қабылдаңыз

Энергияны сақтау қолданыстары үшін ұзақ циклдардың тиімділігін арттыруда күрделі зарядтау протоколдарын жетілдірілген аккумуляторларды басқару жүйелерімен (BMS) үйлестіру маңызды. Осы заманауи BMS блоктары аккумуляторлардың жеке элементтерінің кернеуін, аккумулятордың әртүрлі бөліктеріндегі температураның өзгеруін, сонымен қатар ішкі кедергіні өлшеуді бақылайды. Содан кейін олар литийдің пластиналану сияқты қауіпті жағдайларды болдырмау үшін зарядтау тогын нақты уақытта реттейді. Кейбір жүйелер адамдардың аккумуляторларды қалай пайдаланатынын уақыт өте келе үйренетін адаптивті алгоритмдерге ие болады. Аккумуляторлар ескірген сайын осы ақылды жүйелер өзінің бұрынғы бақылауларына сүйене отырып, зарядтауды бастау мен тоқтатудың уақытын реттейді. Нәтижесінде электродтарға тиісінше тәуелді кернеу шамамен 40% азаяды (бұл кейбір сынақтарға сүйенгенде ескі зарядтау әдістерімен салыстырғанда). Бұл аккумуляторлардың қауіпсіздікті қамтамасыз етпей, ұзақ уақыт қызмет етуін білдіреді, яғни тұрақты қуат беруге сүйенетіндер үшін бұл анықтай айтқанда жақсы жаңалық.

• Прогнозлық сақтау мүмкіндіктері батареяның жағдайын (SOH) бақылау арқылы қуаттың тез төмендеуін ерте анықтау
• Белсенді элементтерді теңестіру батареялардың бірліктері арасындағы өнімділік айырымын азайтады
• Жылу реттеуінің интеграциясы температураны бақылау жүйелерімен үйлесімді жұмыс істейді

Бұл стратегияларды енгізу тораптық масштабтағы орнатуларда батареялардың 5 000 циклден кейін 80% қуат сақталуын тұрақты қамтамасыз етеді — бұл ақылды басқару қолданыс мерзімінің толық потенциалын ашуға қалай ықпал ететінін көрсетеді.

Жиі қойылатын сұрақтар (ЖҚС)

Разряд тереңдігі (DoD) дегеніміз не?

Зарядтан шығу тереңдігі (DoD) — батареяны қайта зарядтауға дейін қаншалықты терең разрядталатынын көрсететін көрсеткіш. Ол батареяның жалпы қуатының пайызы ретінде өрнектеледі.

Заряд күйі (SoC) дегеніміз не?

Заряд күйі (SoC) — батареяның қазіргі заряд деңгейін, жалпы қуатының пайызы ретінде көрсететін көрсеткіш. Нақты SoC деңгейлерін сақтау батареяның қолданыс мерзімін оптималды етуге мүмкіндік береді.

Температура батарея циклының қолданыс мерзіміне қалай әсер етеді?

Жоғары температуралар электрхимиялық реакциялардың күшеюіне байланысты аккумулятордың тозуын жылдамдатады. Температураны бақылау аккумулятордың қызмет ету мерзімін ұзартуға көмектеседі.

Пассивті және белсенді жылу реттеу жүйелері дегеніміз не?

Пассивті жүйелер температураны реттеу үшін фазалық ауысу материалдары сияқты материалдарды қолданады, ал белсенді жүйелер дәл реттеу үшін суыту әдістерін қамтиды.

Аккумуляторды басқару жүйелері (BMS) циклдық қызмет ету мерзімін қалай жақсартады?

BMS аккумулятор компоненттеріне кернеу тигізбеу үшін зарядтау параметрлерін бақылайды және реттейді, соның нәтижесінде адаптивті стратегиялар арқылы циклдық қызмет ету мерзімі жақсарылады.