En batteripack för lagring gör att en elbilsladdningsstation kan dra stabilt låg effekt från nätet samtidigt som den levererar korta strömböljor till fordonen. Operatörer lägger till en sådan för att minska efterfrågesteknikerna, stabilisera tillförseln och öppna upp platser där nätkapaciteten är bristfällig. Denna buffertbatteri ger sin ersättning i elräkningen och i samband med sammanlänkningen. Denna buffertbatteri är dock endast tillförlitlig om själva batteriet hanteras termiskt: snabb laddning kan orsaka kraftig belastning, och en varm och ojämnt fördelad batteri kan snabbt försämras. Den här artikeln behandlar var batteripackningens lagring hjälper, hur buffertens storlek ska bestämmas på en begränsad plats och vad den termiska vägen i batteriet kräver. Den täcker inte solcellsanläggningars eller mikronätets elektriska design, som ligger utanför batteripackens gränser.
Fördelar med batteripaket för energilagring för laddningsstationer för elbilar
En batteripackning ger sig väl igen på efterfrågestekniska kostnader. Avgifter från elnätsbolag betalas delvis av kommersiella anläggningar baserat på den högsta kortvariga strömbelastningen under en faktureringscykel, som vanligtvis mäts över en 15-minutersperiod. En serie snabbladdare som laddas samtidigt kan skapa en dyr toppbelastning även när den totala energianvändningen är måttlig. Batteriet laddas långsamt under tystperioder och urladdas vid dessa toppar, så mätaren visar en jämnare strömåtgång.
Peak shaving är mekanismen bakom de flesta besparingarna, och dess omfattning beror på platsen. Batteriet fördelar lagrad energi när efterfrågan stiger under laddning. Detta minskar den fakturerade toppbelastningen och kan på ett betydande sätt sänka kostnaderna relaterade till efterfrågan, även om den exakta minskningen beror på platsens belastningsprofil, elnätsföretagets prisstruktur och avsändningsstrategi. Avsändningspriser varierar kraftigt mellan olika elnätsföretag och tariff, från nära noll till flera dollar per kilowatt peak, så värdet av att skära ned på efterfrågan är specifikt för varje enskilt ställe.
Batteribuffering gör det också möjligt att ha en station där elnätet ensamt inte skulle kunna hantera snabbladdning. Batteriet täpper till bristen under toppbelastning och laddar om när efterfrågan minskar. Enligt analys från NREL kan ett system med batteribuffer av lämplig storlek minska en anläggnings behov av elnätstjänster med ungefär 50% –80 procent jämfört med en station som drivs helt av elnätet, samtidigt som förare upplever samma laddningsupplevelse. Det är skillnaden mellan att behöva vänta på en kostsam uppgradering av elnätet och att kunna använda en befintlig elnätstjänst.
Backupkapaciteten beror på hur webbplatsen är konstruerad, inte på närvaron av ett batteri ensamt. En pack som har användbar laddning kan i princip hålla uppladdarna igång även under en kort strömavbrott. Fortsatt drift under en strömavbrott kräver att webbplatsen är konfigurerad för islandning, med kraftomvandlings-, kontroll- och skyddssystem som kan koppla bort och köra själva. Där där sådana konfigurationer finns kan bufferten också utjämna spänningsfluktuationer som annars skulle stressa kraftelektroniken. All sådan backup är begränsad av packens laddningsstatus, dess strömbegränsning och dess termiska utrymme.
Att dimensionera en batteribuffer för en nätbaserad laddningsanläggning
Större dimensionering av bufferten börjar med avståndet mellan den tillgängliga nätströmförsörjningen och den toppbelastning som anläggningen måste hantera. Packen täpper till bristen under toppbelastningsperioder och laddar om under lugna perioder. Två faktorer styr konstruktionen: den kontinuerliga nätströmförsörjningen som anslutningen kan leverera och den energi som packen måste ha kvar för att klara den mest trafikerade sträckan innan den kan ladda om. Om man underdimensionerar något av dessa faktorer minskar stationen laddningskapaciteten, och om man överdimensionerar något av dem står kapitalet oanvänt.
NRELs batteribaserade arbeten presenterar detta med två praktiska kriterier som är värda att låna. En “First Hour”-vy kontrollerar om batteriet kan klara den kraftiga ökningen av efterfrågan innan nätet kan återladda batteriet. En “Design Day”-vy kontrollerar om den tillgängliga nätströmförsörjningen kan tillgodose eller överstiga den genomsnittliga laddningsbehovet under den mest trafikerade dagen, så att batteriet kan fylla på. Som en publicerad illustration beskrev NREL ett batteribaserat koncept för snabbladdning i landsbygden som begränsade efterfrågan till omkring 100 kW. En jämförbar DC-snabbladdningsstation med en effekt på 600 kW som drar ström direkt från nätet skulle dra omkring 600 kW.
Kostnadsvariabler hör hemma i diskussionen om dimensionering eftersom de påverkar återbetalningen. Enligt NREL:s analys från 2019 av mer än 7 500 kommersiella och industriella priser i USA varierade den effektiva elkostnaden för snabbladdning med likström från under $0,10 till över $2,00 per kilowattimme, beroende på stationens design och utnyttjande. En och samma batteripack kan därför betala tillbaka snabbt med en tariff och långsamt med en annan. Att matcha batteriets effekt och energiförbrukning med anslutningen, tariffen och den förväntade användningen är kärnan i en välfungerande Konfiguration av batterilagringssystem. Detta arbete bör utföras innan någon val av cellkemikalie eller skåplayout görs.
Termisk hantering av lagringsbatterier för laddstationer
Termisk hantering är det som håller en buffertbatteri på en laddstation pålitligt. Hur hårt batteriet är belastat beror på dess energiproduktionsförmåga, den samtidiga laddningsbelastningen, avsändningsstrategin och omgivande förhållanden. Värmelasten måste därför beräknas för det specifika området, inte antas utifrån applikationen. Arbetet handlar om att hålla varje cell inom en smal temperaturintervall och hålla spridningen mellan cellerna liten. Temperaturvariabilitet, inte bara topptemperaturen, är det som gör att batteriet åldras ojämnt och minskar den användbara kapaciteten, och det är där system för värmehantering gör sitt jobb.
Temperaturfönster och målsättningar för jämnhet
Paketet bör hålla cellerna inom ett arbetsområde med endast några grader av variation mellan dem. Peer-reviewed forskning om batteriets termiska hantering placerar det praktiska driftsområdet för litiumjonceller på ungefär 20–50 °C och kräver att temperatureffekten inom paketet hålls inom cirka 5 °C. Många konstruktioner strävar efter en tätare variation, närmare 15–35 °C, för bästa livslängd, där prestandan sjunker över cirka 40 °C. Att hålla cellernas variation inom belastning är det svårare målet, och det driver kylningskonceptet.
Kylplatta, luft eller PCM: anpassa kylningsmetoden till uppgiften
Kylningsmetoden bör följa den beräknade värmenivån och målet för jämnhet, inte etiketten “snabb laddning”. När belastningen är hög är flytande kylplattor ofta det bästa valet, eftersom vätska transporterar värme mycket effektivare än med kraftflöde. Indirekt flytande kylning med kylplattor för batterier Det är vanligt i kommersiella förpackningar att hålla temperaturhöjningen och cell-till-cell-uniformiteten vid kraftiga belastningar. Faseromvandlingsmaterial tillför en passiv buffert som absorberar korta värmesprickor utan att dra ström, och hybriddesignen kombinerar de två. I en granskad studie av en kombination av PCM-material plus vätska uppnådde en cell en temperatur på cirka 48 °C med en temperaturskillnad på nära 4,3 °C vid en urladdning på 3 °C vid en omgivningstemperatur på 40 °C. Denna effekt motsvarade målet om en temperaturuniformitet på 5 °C. Höjden på 48 °C låg dock inom ramen för den bredare gränsen på 20–50 °C, som ligger över det optimala livslängdsintervallet på 15–35 °C, och den gäller endast för den specifika testbetingelsen, inte som ett generellt bevis på att någon laddningsstation är tillräcklig. Luftkylning är dock enklare och billigare, men den ger upp värmeledningsförmågan och har svårt att upprätthålla en jämn temperatur vid höga belastningar. Det verkliga beslutet väger sammanlagd värmebelastning, temperaturuniformitet, kylmedel och omgivningsgränser, tryckfall och pumpstyrka, samt tillgång till underhåll. Matchad ESS-kyllösningar Bestämdes utifrån packets verkliga värmbelastning och geometri, inte en generisk mall.
Gränssnittsmaterial och värmeledningsvägen från cellen till kylvätskan
Värmeledningen från cellen till kylmedlet är bara så bra som gränssnittet mellan dem. En kall platta kan inte ta upp värme som den inte når, så material för termiska gränssnitt Fyll de små luftgapen mellan celler eller moduler och kylytan, vilket minskar kontakttåligheten över fogen. Valet baseras på packens mekaniska verklighet: den fyllning som ska göras, planheten och monteringsbelastningen vid gränsen, om materialet även måste fästa sig eller vara bearbetningsbart och hur det distribueras i produktionen. Gör man fel på gränsen kan även en välkonstruerad kallplatta skapa en varmare och mindre jämn packning.
Ansökningsscenarier för lagring på laddstationer
Lagring på laddstationer förekommer i några återkommande webbplatstyper. Varje typ har en annan belastningsform som påverkar hur bufferten och dess kylning specificeras. Nedanstående scenarier beskriver konstruktionsfrågor, inte projektresultat.
Urban laddningspunkter
Stadsnäten möter varierande och fluktuerande efterfrågan, så buffern är dimensionerad för att hantera ofta förekommande korta toppar. Långvarig avbrottsuppsättning är oftast en sekundär fråga här. Många fordon som anländer i kluster pressar den momentana belastningen på platsen betydligt över dess genomsnittliga nivå, vilket är det mönster som packningstryckning av trafiken syftar till att minska. Den frekventa cyklorn höjer prioriteringen av snabb termisk kontroll för att skydda batteriernas livslängd.
Lokaliseringar av motorvägskorridorer
Lokaler i korridorer prioriterar pålitliga sessioner med hög effekt, ofta där nätkapaciteten är begränsad. Buffertsystemen är inriktade på att klara långvariga snabbladdningssessioner och att klara instabilitet. Dessa lokaler drar ofta mest nytta av den tidigare beskrivna minskningen av nätkapaciteten. Brevskiftningar i omgivningen gör dessutom att en kylningsdesign som håller jämn temperatur året runt blir en verklig utmaning.
Kommersiella flottaförråd
Fartygsdepåerna har förutsägbara, schemalagda lastvolymer, vilket gör att buffertlasten kan levereras mot kända laddningsperioder och prisbaserat elförbrukning. Utmaningen är oftast hur mycket peak-kraft depån kan överföra från dyra perioder utan att utarmas under nästa schemalagda laddning. Regelbunden och kraftig cykling sätter igenom termisk jämnhet och kvalitet på gränssnittet i centrum för förpackningarnas livslängd.
Framtida trender inom energilagring för laddning av elbilar
Lagring i laddstationer utvecklas i några tydliga riktningar, även om tidslinjer och prestanda fortfarande är osäkra. Solid-state- och flödesbatterier nämns ofta för sin högre energitäthet eller säkerhet, men de håller fortfarande på att utvecklas och är inte stabila alternativ för dagens anläggningar. Integrering av smarta nät och IoT är mer omedelbar: den möjliggör schemaläggning som svarar på realtidspriser och nätförhållanden och samordnar laddning med lagring. Regeringspolitik och tjänsteföretagsprogram fortsätter att forma återbetalningen genom incitament och takträdning, vilket är anledningen till att ekonomin förtjänar en lokal analys innan man gör några allmänna antaganden.
Slutsats
Det praktiska slutsatsen är att vi måste lösa frågan om nätverkskapacitet och efterfrågan samt den termiska gränsen innan vi kan diskutera kemi eller leverantör. Mät buffertens storlek utifrån avståndet mellan den tillgängliga nätverkskapaciteten och topplasten för laddning. Använd tariffen och kapacitetsutnyttjandet för att bedöma återbetalningen. Se till att packens termiska design är en krav på tillförlitlighet, inte en extra funktion: håll cellerna inom den tillåtna intervallet och håll cellernas spridning inom några grader, och matcha kylningsmetoden och gränssnittsmaterialen med den verkliga belastningen. Vi arbetar med batteripaketteam för att matcha kylplattorna och gränssnittsmaterialen med en specifik packats värmekrav, geometri och monteringsbegränsningar, så att bufferten som sparar pengar på räkningen också håller i drift på platsen.
VANLIGA FRÅGOR
Hur mycket kan batterilagring faktiskt minska efterfrågesteknikerna vid en elbilsladdstation?
Batterilagring kan minska efterfrågesteknologiska kostnader genom att minska den fakturerade elströmförbrukningen på platsen. Denna mängd är dock individuell för varje enskilt område. Kommunerna fakturerar för den högsta kortvariga toppbelastningen, vanligtvis över 15 minuter, så besparingarna beror på hur kraftigt laddningsbelastningen är, kommunens pris för elförbrukning och avlastningsstrategin. Områden med kraftiga, sammanhängande toppar och höga prisnivåer för elförbrukning får bäst utdelning.
Kan en laddstation med förvaring fortsätta fungera under ett elavbrott?
En batteripackning kan täcka över en kort strömavbrott, men bara om platsen är utformad för det. En packning med användbar laddning håller laddarna igång när stationen är konfigurerad för islandning, med kraftomvandlings-, kontroll- och skyddssystem som kan fungera oberoende av elnätet. Om sådana system finns, kan bufferten också utjämna spänningsfluktuationer som annars skulle stressa kraftelektroniken. All sådan backup är begränsad av batteriets laddningsnivå, dess effektgräns och dess termiska utrymme.
Vilken celltemperatur och spridning bör en buffertbatteri i en laddstation ha?
Paketet bör hålla sina litiumjonceller inom cirka 20–50 °C och hålla temperatureffekten mellan cellerna på omkring 5 °C, enligt en granskad forskning om termisk hantering. Många konstruktioner strävar efter ett snävare intervall, nära 15–35 °C, för bästa livslängd, där prestandan försämras över cirka 40 °C. Att hålla cellernas temperatur mellan varandra under belastning, inte bara topptemperaturen, är det svårare och viktigare målet.
Har flytande kylning eller luftkylning någon mening för en buffertbatteri som används hårt under snabb laddning?
Flytande kylning är oftast det bästa valet för ett batteri med lång cykeltid eftersom det transporterar värme mycket effektivare än luft och bibehåller cell-till-cell-enhetlighet med hög effektivitet. Luftkylning är enklare och billigare men har svårt att upprätthålla enhetlighet vid kraftig belastning. Faseromvandlingsmaterial kan tillföra en passiv buffert mot korta toppbelastningar. Det rätta valet väger samman den beräknade värmebelastningen, målet för enhetlighet, kylmedlet och de omgivande temperaturgränserna samt underhållstillgången.
Hur stor ska en batteribuffer vara för en plats med begränsad elförsörjning från elnätet?
En buffert är dimensionerad utifrån skillnaden mellan den tillgängliga elnätsproduktionen och den toppbelastning som platsen måste hantera. Packen täcker skillnaden under toppbelastningar och vid återladdning när efterfrågan minskar, vilket bekräftar att den kan täcka den ökade efterfrågan och att den tillgängliga elnätsproduktionen motsvarar den genomsnittliga dagliga efterfrågan på återladdning. Analyser från NREL visar att en korrekt dimensionerad buffert kan minska den erforderliga kapaciteten för elnätet med ungefär 50–80%.
Vidare läsning
- Nätbaserade snabbladdningsplatser för elbilar: alternativ med batteribackup — DOE Joint Office of Energy and Transportation / NREL-fallstudie. Stöder dimensioneringskriterierna (första timmen/konstruktionsdagen) och minskningen av nätkapaciteten som diskuteras under dimensioneringen; gäller för nätkapacitetsbegränsade stråkplatser.
- Batterilagring för laddstationer för elfordon — DOE Joint Office help-ark. Stöder fördelarna med efterfrågan-kostnads- och nätkapacitetsmodellen i avsnittet om förmåner.
- Termisk kontroll av litiumjonbatterier med CPCM/vätskekylning (Materials, 2022) — Studie som har genomgått granskning av experter. Stöder temperaturfönstret och kylningsmetoderna i avsnittet om termisk hantering.
Relaterade artiklar
- Fallstudier av lagringssystem för solenergi i kommersiella byggnader — Fallstudier av kommersiell solenergi plus lagring, inklusive peak shaving och nödströmskapacitet som formar ekonomin för laddstationer här.
- Optimering av termisk hantering av industriell energilagring — Hur industriella energilagringssystem hanterar värme för att förlänga utrustningens livslängd, vilket utgör en fortsättning på den här artikeln om värme.
- Vilka är fördelarna med ESS vätskekylning? — Jämför vätskekylning mot luftkylning för energilagring, vilket utökar det övergripande jämförelsetabellen för kylningsmetoder som beskrivits ovan.
- Installera flytande kalla plattor steg för steg — En stegvis guide till installation av kylplattan för kontakt, flöde och förberedelse av ytan – beroende på vilken kylning som krävs för en buffertpackning.
- Typer och egenskaper för termiska gränssnittsmaterial — Förklarar TIM-typer och hur de minskar termisk resistans, vilket fördjupar valet av gränssnittmaterial som beskrivs här.
