Моделирование пассивного сопряжения блоков гибридной системы накопления электроэнергии

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».

1. Мировой рынок накопителей энергии [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://about.bnef.com/blog/1h-2023-energy-storage-market-outlook. Дата доступа: 07.04.2023.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.