energyЭнергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГENERGETIKA. Proceedings of CIS higher education institutions and power engineering associations1029-74482414-0341BNTU10.21122/1029-7448-2024-67-3-209-227energy-2384Research ArticleЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКАELECTRICAL POWER ENGINEERINGМоделирование пассивного сопряжения блоков гибридной системы накопления электроэнергииМodelling of Passive Coupling of Battery Units of Hybrid Energy Storage SystemДобрегоК. B.DobregoK. V.

Адрес для перепискиДобрего Кирилл ВикторовичБелорусский национальный технический университетпросп. Независимости, 65/13, 220013, г. Минск, Республика БеларусьТел.: +375 17 293-92-16dobrego@bntu.by

 

Address for correspondenceDobrego Kirill V.Belаrusian National Technical University65/13, Nezavisimosty Ave., 220013, Minsk, Republic of Belarus Tel.: +375 17 293-92-16dobrego@bntu.by

dobrego@bntu.byКозначеевИ. А.KoznacheevI. A.

г. Минск

Minsk

ЧервинскийВ. Л.CharvinskiV. L.

г. Минск

Minsk

Белорусский национальный технический университетБеларусьBelarusian National Technical UniversityBelarusИнститут тепло- и массообмена имени А. В. Лыкова НАН БеларусиБеларусьA.V. Luikov Heat and Mass Transfer Institute of National Academy of Sciences of BelarusBelarus202406062024673209227Copyright © Добрего К.B., Козначеев И.А., Червинский В.Л., 20242024Добрего К.B., Козначеев И.А., Червинский В.Л.Dobrego K.V., Koznacheev I.A., Charvinski V.L.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://energy.bntu.by/jour/article/view/2384

В связи с развитием электротранспорта и ростом «зеленой» энергетики в мире все шире применяются системы накопления электрической энергии. Рост рынка аккумуляторных батарей в последнее десятилетие составлял 20–30 %. Одним из способов повышения эффективности работы накопителя электроэнергии является его гибридизация, т.е. использование разнородных аккумуляторных блоков. В работе исследуются особенности пассивного сопряжения свинцово-кислотных и литий-ионных батарей в гибридном накопителе. Представлена модель для расчета электрических характеристик указанных блоков в процессе работы. Показана возможность выбора структуры гибридного накопителя, обеспечивающей сопоставимый диапазон рабочего напряжения блоков (работы без преобразователей напряжения). Промоделированы режимы работы гибридной системы накопления электроэнергии (СНЭ) как при простом параллельном соединении, так и при коммутации блоков по пороговому алгоритму. Показано, что для выравнивания темпа разрядки основного и дополнительного блоков необходимо согласование емкости СНЭ, степени гибридизации, типа нагрузки и электрических параметров батарей, что невозможно без моделирования системы. При пороговой коммутации блоков появляются дополнительные параметры управления, позволяющие изменять темп разрядки дополнительного блока и повышать экономическую эффективность гибридной СНЭ. Сделаны оценки экономической эффективности работы гибридных СНЭ при различных значениях порогового напряжения коммутации литий-ионного блока, а также для трех характерных нагрузок: вилочного электропогрузчика, 30-квартирного жилого дома и 300-квартирного жилого комплекса. Результаты демонстрируют особенности и технико-экономический потенциал пассивной гибридизации, могут быть использованы при проектировании гибридных СНЭ для небольших энергосистем с солнечными и ветроэлектростанциями, расчете и проектировании систем «генератор – накопитель – потребитель».

Due to the development of electric transport and the growth of “green” energy, electric energy storage systems (ESS) are increasingly being used in the world. The growth of the battery market in the last decade has been 20-30%. One of the ways to increase the efficiency of an electric power storage device is its hybridization, i.e. the use of heterogeneous battery units. The paper examines the features of passive coupling of lead-acid and lithium-ion batteries in a hybrid storage device. A model is presented for calculating the electrical characteristics of these units during operation. The possibility of choosing a hybrid drive structure that provides a comparable operating voltage range of the units (operation without voltage converters) is demonstrated. The modes of operation of a hybrid energy storage system are modeled both for simple parallel connection and for switching blocks according to a threshold algorithm. It is demonstrated that in order to equalize the discharge rate of the main and additional units, it is necessary to coordinate the capacity of the ESS, the degree of hybridization, the type of load and the electrical parameters of the batteries, which is impossible without modeling the system. When the threshold switching of the blocks takes place, additional control parameters, making it possible to change the discharge rate of the additional block and increase the economic efficiency of the hybrid ESS. Estimates of the economic efficiency of hybrid ESSs have been made for different values of the threshold switching voltage of the lithium-ion unit, as well as for three characteristic loads: an electric forklift truck, a 30-apartment apartment building and a 300-apartment residential complex. The results demonstrate the features and technical and economic potential of passive hybridization, can be used for the design of hybrid ESSs for small power systems with solar and wind power plants, in the calculation and design of generator – storage – consumer systems.

накопитель электроэнергииаккумуляторсвинцово-кислотный аккумуляторлитий-ионный аккумуляторгибридный накопительсистема управления батареей (BMS)взаимодействие блоковэквивалентная схемамоделированиеelectric power storagebatterylead-acid batterylithium-ion batteryhybrid storagebattery management system (BMS)block interactionequivalent circuitsimulationReferencesМировой рынок накопителей энергии [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://about.bnef.com/blog/1h-2023-energy-storage-market-outlook. Дата доступа: 07.04.2023.1H 2023 Energy Storage Market Outlook. Available at: https://about.bnef.com/blog/1h-2023-energy-storage-market-outlook (accessed 07 April 2023) (in Russian).Добрего, К. В. Моделирование функционального взаимодействия блоков гибридного накопителя электроэнергии / К. В. Добрего, И. А. Козначеев // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2023 Т. 66, № 5. С. 405–422. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2023-66-5-405–422.Dobrego K. V., Koznacheev I. A. (2023) Modelling of Functional Interaction of Hybrid Energy Storage System Battery Units. Energetika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 66 (5), 405–422. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2023-66-5-405-422 (in Russian).Добрего, К. В. К вопросу создания гибридных систем накопления электроэнергии / К. В. Добрего // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2023. Т. 66, № 3. С. 215–232. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2023-66-3-215-232.Dobrego K. V. (2023) On the Problem of Arrangement of Hybrid Energy Storage Systems. Energetika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 66 (3), 215–232. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2023-66-3-215-232 (in Russian).Ragone, D. V. Review of Battery Systems for Electrically Powered Vehicles / D. V. Ragone // SAE Technical Paper. 1968. 680453. https://doi.org/10.4271/680453.Ragone D. V. (1968) Review of Battery Systems for Electrically Powered Vehicles. SAE Technical Paper, 680453. https://doi.org/10.4271/680453.Application of Ultracapacitors as Traction Energy Sources / I. N. Varkin [et al.] // Proceedings of the 7th International Seminar on Double Layer Capacitors and Similar Energy Storage Devices 1997 Dec 8. Florida Educational Seminars, Boca Raton, 1997. P. 742–749.Varkin I. N., Klementov A. D., Litvinenko S. V., Starodubtsev N. F., Stepanov A. B. Application of Ultracapacitors as Traction Energy Sources. Proceedings of the 7th International Seminar on Double Layer Capacitors and Similar Energy Storage Devices 1997 Dec 8. Florida Educational Seminars, Boca Raton, 742–749.Dougal, R. A. Power and Life Extension of Battery-Ultracapacitor Hybrids / R. A. Dougal, S. Liu, R. E. White // IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies. 2002. Vol. 25, No 1. P. 120–131. https://doi.org/13110.1109/6144.991184.Dougal R. A., Liu S., White R. E. (2002) Power and Life Extension of Battery-Ultracapacitor Hybrids. IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, 25 (1), 120–131. https://doi.org/13110.1109/6144.991184.Cericola, D. Hybridization of rechargeable batteries and electrochemical capacitors: principles and limits / D. Cericola, R. Ko¨tz // Electrochim Acta. 2012. Vol. 72. P. 1–17. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2012.03.151.Cericola D., Kötz R. (2012) Hybridization of Rechargeable Batteries and Electrochemical Capacitors: Principles and Limits. Electrochim. Acta, 72, 1–17. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2012.03.151.A Frequency Domain Approach to Analyzing Passive Battery-Ultracapacitor Hybrids Supplying Periodic Pulsed Current Loads / A. Kuperman [et al.] // Energy Conversion and Management. 2011. Vol. 52, Is. 12. P. 3433–3438. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2011.07.013.Kuperman A., Aharon I., Kara A., Malki S. (2011) A Frequency Domain Approach to Analyzing Passive Battery-Ultracapacitor Hybrids Supplying Periodic Pulsed Current Loads. Energy Conversion and Management, 52 (12), 3433–3438. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2011.07.013.Kuperman, A. Battery-Ultracapacitor Hybrids for Pulsed Current Loads: A Review / A. Kuperman, I. Aharon // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2011. Vol. 15, Nо 2. P. 981–992. https://doi.org/10.1016/j.rser.2010.11.010.Kuperman A., Aharon I. (2011) Battery-Ultracapacitor Hybrids for Pulsed Current Loads: A Review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 15 (2), 981–992. https://doi.org/10.1016/j.rser.2010.11.010.Catenaro, E. Framework for Energy Storage Selection to Design the Next Generation of Electrified Military Vehicles / E. Catenaro, D. M. Rizzo, S. Onori // Energy. 2021. Vol. 231. P. 120695. https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.120695.Catenaro E., Rizzo D. M., Onori S. (2021) Framework for Energy Storage Selection to Design the Next Generation of Electrified Military Vehicles. Energy, 231, 120695. https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.120695.Shepherd, C. M. Design of Primary and Secondary Cells: II. An Equation De-scribing Battery Discharge // Journal of the Electrochemical Society. 1965. Vol. 112, No 7. P. 657–664. https://doi.org/10.1149/1.2423659.Shepherd C. M. (1965) (1965). Design of Primary and Secondary Cells: II. An Equation Describing Battery Discharge. Journal of the Electrochemical Society, 112 (7), 657–664. https://doi.org/10.1149/1.2423659.Добрего, К. В. Модель электрической нагрузки жилищно-коммунального объекта для исследования систем «генератор – накопитель – потребитель» методом Монте-Карло / К. В. Добрего // Наука и техника. 2017. Т. 16, № 2. С. 160–170. https://doi.org/10.21122/2227-1031-2017-16-2-160-170.Dobrego K. V. (2017) Model for Electric Load of Community Housing Projects to Investigate “Generator – Accumulator – Consumer” System while Using Monte-Carlo Method. Nauka i Tehnika = Science & Technique, 16 (2), 160–170. https://doi.org/10.21122/2227-1031-2017-16-2-160-170 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.