К вопросу создания гибридных систем накопления электроэнергии

Системы накопления электрической энергии находят широкое применение в электротранспорте, энергетике, для обеспечения автономного электроснабжения и регулирования нагрузки энергосистем. Один из способов увеличения технической и экономической эффективности накопителей – их гибридизация, т. е. создание накопителей, состоящих из блоков разнотипных батарей. В литературе отсутствуют систематический анализ качественно-количественных эффектов гибридизации и соответствующие методические рекомендации по выбору схемы и оценке эффективности гибридизации. В статье этот вопрос рассмотрен с теоретической и методической позиций, даны рекомендации для конструирования накопителей, обслуживающих солнечные или ветростанции малой мощности. Сделан краткий обзор данных по показателям стоимости буферизации электроэнергии литий-ионными, свинцовыми аккумуляторами и суперконденсаторами. Предложена методика определения необходимости и степени гибридизации накопителя энергии на основе простейших зависимостей параметров накопителя от степени гибридизации. Введены понятия коэффициента синергетического эффекта гибридизации и степени внутренней буферизации электроэнергии.  Представлена количественно-качественная модель оценки эффективности гибридизации. Предложен методический подход для расчета степени внутренней рекуперации и оценки коэффициента синергетического эффекта гибридизации. Показано, что в общем случае дополнение литий-ионных аккумуляторов блоком суперконденсаторов не приводит к снижению стоимости буферизации электроэнергии ввиду высокого отношения стоимости буферизации суперконденсатором к стоимости буферизации литий-ионными аккумуляторами.  При этом экономическая целесообразность использования суперконденсаторов для компенсации высоких импульсных нагрузок может быть определена на основе анализа частотного спектра графика нагрузок накопительного блока. Разработанные модели и подходы могут найти применение при проектировании электрохимических систем накопления энергии для заданных условий эксплуатации.

1. Эксперты: мировой рынок накопителей энергии до 2030 года будет расти на 23 % в год [Электронный ресурс] // Национальная ассоциация нефтегазового сервиса. 2021. Режим доступа: https://nangs.org/news/renewables/eksperty-mirovoy-rynok-nakopiteley-energii-do-2030-goda-budet-rasti-na-23-v-god. Дата доступа: 20.05.2022.

2. Grid Energy Storage Technology Cost and Performance Assessment: Technical Report Publication No. DOE/PA-0204, December 2020 [Electronic Resource] / K. Mongird [et al.]. Mode of access: https://www.pnnl.gov/sites/default/files/media/file/Final%20-%20ESGC%20Cost%20Performance%20Report%2012-11-2020.pdf.

3. Добрего, К. В. Моделирование аккумуляторных батарей и их сборок с учетом деградации параметров / К. В. Добрего, Ю. В. Бладыко // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2021. Т. 64, № 1. С. 27–39. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2021-64-1-27-39.

4. Hybrid Battery System for Electric and Hybrid Electric Vehicles: Рat. US2014016659A1 / S. K. Dhar, F. Albano, S. Venkatesan, D. Townsend. Publ. date 03.07.2014.

5. Hybrid Battery-Supercapacitor Storage for an Electric Forklift: a Life-Cycle Cost Assessment / M. Conte [et al.] // Journal of Applied Electrochemistry. 2014. Vol. 44. P. 523–532. https://doi.org/10.1007/s10800-014-0669-z.

6. Бондаренко, Ю. В. Гибридные энергонакопители на основе аккумуляторов и суперконденсаторов для контактной микросварки / Ю. В. Бондаренко, П. С. Сафронов // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2014. № 4. C. 33–38.

7. Гибридный накопитель электроэнергии для ЕНЭС на базе аккумуляторов и суперконденсаторов / Р. Н. Бердников [и др.] // Энергия Единой сети. 2013. № 2. С. 40–51.

8. New High-Performance Lithium LiFePO4 Cells [Electronic Resource]. Mode of access: https://www.powertechsystems.eu/new-high-performance-lithium-lifepo4-cells/. Date of access: 10.12.2022.

9. Добрего, К. В. Универсальная имитационная модель деградации аккумуляторных батарей с оптимизацией параметров по генетическому алгоритму / К. В. Добрего, И. А. Козначеев // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2022. Т. 65, № 6. С. 481–498. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2022-65-6-481-498.

10. 16 Volt Smart Module [Electronic Resource]. Mode of access: https://maxwell.com/wp-content/uploads/2021/08/3003212.2_Datasheet_BMOD0058-E016-C02.pdf. Date of access: 12.11.2022.

11. Mouser Electronics. [Electronic Resource] // Mouser Electronics. Mode of access: https://eu.mouser.com/ProductDetail/Maxwell-Technologies/BMOD0058-E016-C02?qs=W%2FMpXkg%252BdQ772gmnfQLCEw%3D%3D. Date of access: 12.11.2022.

12. NEW 48V MODULE (C0B) [Electronic Resource] // Maxwell Technologies Datasheet. Mode of access: https://maxwell.com/wp-content/uploads/2021/12/48V_ds_C0B_3001491-EN.6_20210713.pdf. Date of access: 12.11.2022.

13. Maxwell Ultra конденсатор 165F 48V 53Wh BMOD0165 P048 C0B 165 Farad 48VDC DuraBlue [Электронный ресурс] // EBAY. Режим доступа: https://www.ebay.com/itm/392705837809. Дата доступа: 12.11.2022.

14. XLR-48 Supercapacitor 48 V, 166 F Rugged Module [Electronic Resource]. Mode of access: https://www.eaton.com/content/dam/eaton/products/electronic-components/resources/data-sheet/eaton-xlr-48-supercapacitor-module-data-sheet.pdf. Date of access: 12.11.2022.

15. XLR-48R6167-R // Mouser Electronics [Electronic Resource]. Mode of access: https://eu.mouser.com/ProductDetail/PowerStor-Eaton/XLR-48R6167-R?qs=NtE2QagKf6SSazGy%2F3UkQA%3D%3D. Date of access: 12.11.2022.

16. XLR-51 Supercapacitor 51 V, 188 F Rugged module [Electronic Resource]. Mode of access: https://www.eaton.com/content/dam/eaton/products/electronic-components/resources/data-sheet/eaton-xlr-51-supercapacitor-module-data-sheet.pdf. Date of access: 12.11.2022.

17. XLR-51R3187-R Supercapacitor, Module, 188 F, 51.3 V, Screw, 0%, +20%, 1500 hours@65°C [Electronic Resource] // Newark. Mode of access: https://www.newark.com/eaton-bussmann/xlr-51r3187-r/supercapacitor-188f-51-3v-screw/dp/84AC4633. Date of access: 12.11.2022.

18. MCP0165C0-0048R0SHC [Electronic Resource]. Mode of access: https://spscap.de/fileadmin/Webdata/public/datenblaetter/Module/SPS_Data_sheet-MCP0165C0-0048R0SHC-V06_E.pdf. Date of access: 12.11.2022.

19. MCP0165C0-0048R0SHC – Super Capacitor, 165F, 48V, SPSCAP [Electronic Resource] // Distrelec. Mode of access: https://www.distrelec.de/en/super-capacitor-165f-48v-spscap-mcp0165c0-0048r0shc/p/30176484. Date of access: 12.11.2022.

20. DataSheet 48V Module MCP0083C0-0048R0SHC [Electronic Resource]. Mode of access: https://www.capcomp.de/fileadmin/Webdata/partner/SPSCAP/Datasheet_module/SPS_48V83F_20160725101337351.pdf. Дата доступа: 12.11.2022.

21. MDCL0083C0-0048R0SHC – Super Capacitor, 83F, 48V, SPSCAP [Electronic Resource] // Distrelec. Mode of access: https://www.distrelec.biz/en/super-capacitor-83f-48v-spscap-mdcl0083c0-0048r0shc/p/30294986?trackQuery=&pos=9&origPos=9&origPageSize=50. Date of access: 12.11.2022.

22. 48V SCM Series Series-Connected SuperCapacitor Modules SCMZ1EP167SRBB0 [Electronic Resource]. Mode of access: https://datasheets.kyocera-avx.com/AVX-SCM-48V.pdf. Date of access: 12.11.2022.

23. SCMZ1EP167SRBB0 [Electronic Resource] // Mouser Electronics. Mode of access: https://eu.mouser.com/ProductDetail/KYOCERA-AVX/SCMZ1EP167SRBB0?qs=r5DSvlrkXmIA4886fky0Vw%3D%3D. Date of access: 12.11.2022.

24. 48V SCM Series Series-Connected SuperCapacitor Modules [Electronic Resource]. Mode of access: https://eu.mouser.com/datasheet/2/40/AVX_SCM_48V-1648423.pdf. Date of access: 12.11.2022.

25. SCMZ1EK507SRBB0 [Electronic Resource] // Mouser Electronics. Mode of access: https://eu.mouser.com/ProductDetail/KYOCERAAVX/SCMZ1EK507SRBB0?qs=sGAEpiMZZMsCu9HefNWqplWseRo8tpnke2zs72MTLqCSE2JjEoVUxg%3D%3D. Дата доступа: 12.11.2022.

26. CAPMOD Specifications [Electronic Resource]. Mode of access: https://www.cap-xx.com/wp-content/uploads/2022/07/CAPmod-Data-Sheet-07-06-22.pdf. Date of access: 12.11.2022.

27. CAPMOD064V083A23. 64V, 83F, ESR 6.8mΩ 457x147x224 mm Datasheet [Electronic Resource]. Mode of access: https://www.cap-xx.com/product/capmod064v083a23. Date of access: 12.11.2022.

28. CAPMOD080V100A23 [Electronic Resource]. Mode of access: https://www.cap-xx.com/product/ capmod080v100a23/ Date of access: 12.11.2022.

29. CAPMOD032V250A23. 32V, 250F, ESR 3.4mΩ 309x147x224 mm Datasheet [Electronic Resource]. Mode of access: https://www.cap-xx.com/product/capmod032v250a23/ Date of access: 12.11.2022.

30. XLR-16 Supercapacitor 16.2 V, 500 F Module. (Technical Data 10945) [Electronic Resource]. Mode of access: https://www.eaton.com/content/dam/eaton/products/electronic-components/resources/data-sheet/eaton-xlr-16-supercapacitor-module-data-sheet.pdf. Date of access: 12.11.2022.

31. XLR-16R2507-R [Electronic Resource] // Mouser Electronics Mode of access: https://eu. mouser.com/ProductDetail/PowerStor-Eaton/XLR-16R2507-R?qs=BJlw7L4Cy78HoKwcukr%252B2w%3D%3D. Date of access: 12.11.2022.