Съвременни системи и технологии за съхранение на електроенергия

• Най-популярни в момента са BESS, базирани на литиево-йонни акумулатори, следвани от класическите оловно-киселинни и натриево-йонните, на които се възлагат големи надежди
  
  
• Ако преди 10 години суперкондензатори се използваха предимно при часовници за реално време, днес те имат многобройни приложения, изискващи много по-високи напрежения и токове
  
  
• Суперкондензаторите имат предимства в импулсните приложения – висока енергийна плътност и ниско вътрешно съпротивление, обуславящо отдаване на голям ток за милисекунди без спад на капацитета

Димитър Колев

Съхранението на електроенергия е ключов компонент в устойчивото развитие на енергийния сектор. Развитието на иновативни технологии в тази област се налага от необходимостта да се осигури стабилност и непрекъсваемост в енергийните мрежи, особено при интензивно използване на възобновяеми източници на енергия. Съвременните системи за съхранение на електроенергия са наричани с различни имена и съкращения, сред които най-популярни са Battery Energy Storage Systems (BESS) или Battery Energy Grid Storage (BEGS). Можем да направим и аналогия със системите за непрекъсваемо захранване, въпреки че последните обикновено и често неправилно се свързват само с по-елементарни резервиращи захранвания за единични компютри или устройства. BESS системите подсигуряват резервиращо, пиково или алтернативно захранване на цели сгради, индустриални или военни комплекси.

В Таблица 1 са обобщени някои от популярните и достъпни съвременни технологии за съхранение на електроенергия
Най-популярни в момента са BESS, базирани на литиево-йонни акумулатори, следвани от класическите оловно-киселинни и от натриево-йонните, на които се възлагат големи надежди. Енергията за зареждане на батериите идва от съществуващата електропреносна мрежа (предимно в периоди, когато цената на тока е ниска), както и от локални възобновяеми източници (слънчеви батерии, ветрогенератори, ВЕЦ).

Цената на литиево-йонните батерии постоянно намалява, като в същото време възможностите за управление и безопасността им се повишават. Последните 25 години изучаването и усъвършенстването на литиевите батерии доведоха до въвеждането им в почти всяка една област на съвременния живот. В същото време оловните акумулатори във всичките им разновидности са все още много разпространени (в почти всеки лек или товарен автомобил с вътрешно горене и дори в повечето от електрическите автомобили като базов захранващ източник за бордовите системи), по-евтини и по-достъпни, както и относително по-безопасни при евентуално неправилно използване. Натриевите батерии набират популярност, имат потенциала да бъдат много по-евтини и по-безопасни, но все още имат производствени проблеми пред себе си. В таблици 2 и 3 е направено сравнение на тези популярни видове батерии според някои от най-важните им параметри.
Нека да разгледаме пример за типичната конфигурация на

BESS система, базирана на литиево-йонни клетки

От определен брой клетки обикновено се асемблира батериен пакет (Battery pack). Моментното състояние и параметри, балансирането на напреженията на отделните клетки, броят цикли заряд/разряд, безопасността и други параметри обикновено се контролират от локална система за управление, наречена BMS (Battery management system). След това, според нужното напрежение и ток пакетите се свързват последователно и паралелно в съответните комбинации. Често пакетите са подредени в колони, като всяка от тях може да е снабдена с допълнителен контролен модул (rack BMS/sub control box).

Добавят се и системи за активна (базирана на температурни, газови, димни и др. датчици) защита и пасивна защита (термо- и огнезащитни материали), както и системи за активно (HVAC) и пасивно охлаждане. Също така е необходим и контролер за заряда, който се грижи за оптимален режим на зареждане на батериите.

Последният важен елемент от системата е хибридният инвертор, който позволява двупосочно преобразуване от AC-DC (в режим на заряд на батериите) и от DC-AC (в режим на разряд, от батериите към консуматорите – локално за съответното приложение или глобално – към захранващата мрежа). Разбира се, не трябва да забравяме допълнителните програмируеми контролери (PLC), както и кутиите / контейнерите, физическото разположение и възможностите за сервиз, поддръжка и безопасна работа и безопасно съхранение на всички описани компоненти.

Суперкондензаторите

са едни от най-перспективните елементи за изграждане на съвременни BESS системи. Предимствата им включват много бързо зареждане и разреждане, дълъг експлоатационен живот, голям брой цикли заряд-разряд без осезателна промяна на капацитета, нисък ток на утечка / саморазряд, както и по-ниска цена в сравнение с батериите и контейнерите за тях. Те обикновено са напълно специфицирани за целия индустриален температурен обхват, като ниските температури не повлияват съществено на капацитета им. Освен това транспортът им е по-евтин и безопасен (кондензаторите не се смятат за опасен товар).
Сред недостатъците им могат да се споменат сравнително ниската плътност на енергията/мощността и все още големите размери, както и относително високата цена.
Основните им приложения включват от часовници за реално време и резервиращо захранване за памети, измервателни системи, медицинска електроника, индустриални и автомобилни контролери, компютри и периферия, комуникационно оборудване и потребителска техника до задвижващи системи в транспортни средства. Това се осъществява от единични и малки суперкондензатори до големи суперкондензаторни батерии и масиви от такива батерии, според специфичното приложение и изискваната консумация.

В Таблица 4 са представени основни характеристики и данни за някои типични серии суперкондензатори от популярни производители. В Таблици 5 и 6 е направен кратък обзор на материалите и технологиите, използвани в суперкондензаторите.

Управление на суперкондензатори

Както вече споменахме, суперкондензаторите навлизат все по-широко в комерсиални, индустриални и медицински устройства, задвижващи и сензорни системи, резервиращи батери и т.н. Ако до преди десетина години 1F суперкондензатор се използваше предимно за захранване на интегрални схеми на часовници за реално време, днес суперкондензаторите имат много нови приложения, изискващи и работещи с много по-високи напрежения и токове.

Ако приемем, че единичният суперкондензатор има номинално напрежение от 2 – 5 V, често приложенията изискват по-високи напрежения. Възможностите са свързване последователно в кондензаторен пакет или използване на повишаващи захранвания, или комбинация от двете. Вследствие на разликите в капацитета, различни токове на утечка и различно еквивалентно съпротивление при успоредно свързване (ESR), напрежението обикновено не се разпределя еднакво, което може да доведе до твърде висок дисбаланс и съоветно по-високо от граничното работно напрежение на единичния суперкондензатор, което ще доведе до повреждането му.

Ето защо е важно напреженията върху всеки суперкондезатор в последователния пакет да бъдат прецизно измервани, контролирани и балансирани. Така може да се осигури оптимален режим на работа, дълъг експлоатационен живот на батерийния пакет и безаварийна работа на крайното устройство. Типичен пример за интегриране на суперкондензатор в електронна апаратура е представен на фиг. 1.

Специализирани ИС за работа със суперкондензатори

Интегралната схема LTC3351 на Analog Devices съдържа няколко захранвания, контролирани чрез серийна шина. Приложенията са за сменяеми по време на работа (hot-plug) PCIE компютърни модули с полупроводникова памет, непрекъсваеми захранващи устройства, сървъри, запаметяващи масиви и високонадеждни системи.

Основната задача на този тип ИС е да наблюдава и подсигурява непрекъснато захранване на избрания товар, като в същото време се грижи за зареждането и балансирането на 1 – 4 суперкондензатора, които служат като резервоар за енергия. Токът на заряд/разряд може да бъде по-голям от 10 А. В случай на временно отпадане на основното входно захранване, заредените суперкондензатори отдават съхранения заряд и осигуряват нормална работа на товара. Първоналните настройки, пълното наблюдение и контрол се извършват чрез допълнителен микроконтролер през I2C серийна шина. Подсигурени са защити от понижено и повишено напрежение. LTC4425 e подобна ИС, с изходен ток до 3 А, но работеща самостоятелно. Подържат се два суперкондензатора. Подходяща е за електронно оборудване, което изисква високи моментни / пикови стойности на консумираната мощност, индустриални таблети, портативни измервателни и регистриращи устройства, измерватели на мощност, UPS супекондезаторни устройства, PC card/USB модеми. Ограничението на изходния ток се задава чрез резистор. LTC3225 на същия производител e подобна ИС, с изходни токове до 150 mA и основно приложение осигуряване на пикови моментни стойности на изходния ток за светодиоди, GSM модеми и резервиращи запасни устройства.

Серията интегрални схеми MAX38886, MAX38888, MAX38889 на Maxim/ADI обхваща регулатори за серийно свързани суперкондензатори. Чрез тях съхранената енергия се използва ефективно в моменти на необходимост и се осъществява баланс между външното захранване и суперкондензаторите. Осъществено е реверсивно повишаващо и понижаващо захранване чрез използване на един и същи индуктивен елемент. Когато основното външно захранване е в зададени граници, регулаторът работи в понижаващ режим, захранва основния товар и зарежда суперкондензатори с предварително зададен ток. Ако основното захранване бъде изключено или излезе за момент от зададените граници, регулаторът заработва в повишаващ режим и захранва основния товар със зададеното номинално напрежение, като разрежда суперкондезаторите с предварително зададен ток.

Интегралните схеми LS0502SCD33 и LS0502SCD33S на Littelfuse са предназначени за реализиране на защитно решение за единичен или пакет от суперкондензатори. Напрежението върху крайния товар е 2,5 – 5,5 V, входът е защитен от пренапрежения до 18 V, като има защита и по максимален входен ток до 1,4 А. Напрежението за заряд може да се конфигурира – от 1,1 до 5,3 V, както и зарядният ток 75 – 125 mA @ 3,3 V. Допустимият вход на разряд към товара е ограничен до 2 А.

Чипът TPS61094 на TI (фиг. 2) съдържа специализиран регулатор / превключвател между батерията, суперкондензатора и товара. Когато напрежението на батерията Vin е равно или по-високо от изискваното от товара Vout, батерията е директно свързана към товара. Работи понижаващият блок, който зарежда суперкондензатора с предварително конфигурирано напрежение и ток. Когато консумацията рязко се повиши (например по време на радиочестотно предаване / приемане), и Vout < Vin захранването автоматично се превключва към повишаващото захранване и суперкондензатора. Той осигурява нужния по-висок токов импулс, след което захранването отново се превключва към батерията. По-този начин се осигурява безпроблемна работа на приемо-предавателя без нужда от използване на по-голяма като капацитет и напрежение батерия. В автоматичен режим токът на утечка е ограничен до 60 nA. Възможно е батерията постоянно да бъде разделена от товара и тогава токът на утечка се ограничава до 4 nA. TPS61094 e добра едночипова алтернатива на ИС TPS61022, TPS63802, които изискват и допълнителни елементи.

Интегралната схема BQ24640 на TI е високоефективен синхронен понижаващ DC-DC контролер, специализиран за зареждане на суперкондензатори. Захранването работи с фиксирана работна честота 600 kHz и управление на NMOS-NMOS мост. Напрежението върху суперкондензаторите може да се програмира в обхвата от 2,1 до 26 V, а входното захранващо напрежение може да бъде от 5 до 28 V. Зареждането може да се извършва с програмируем постоянен ток / постоянно напрежение. Токът на зареждане достига до 10 A при 90% ефективност. Допълнително са интегрирани термична защита, спиране на зареждането при излизане извън указания температурен обхват, плавен старт и вътрешна компенсация. Предвидена е светодиодна индикация за статус и наличие на номинално напрежение. ИС работи напълно самостоятелно и нужда няма от допълнителен микроконтролер. Когато входното напрежение падне под зададеното зарядно напрежение, ИС влиза в режим на ниска консумация и черпи под 15 uA. Примерна схема на свързване е представена на фиг. 3.

Любопитно приложение на суперкондензаторите има в някои съвременни влакови модели. При превключване на коловозите или в други подобни ситуации, захранването се прекъсва, което води до проблеми в управлението и сигнализацията. В определени случаи моделът спира напълно и се налага да бъде избутан ръчно до положение, в което захранването ще бъде възстановено. Свързването на няколко суперкондензатора в локомотива осигурява запасно захранване в ”мъртвата зона”. Суперкондензаторите се зареждат постоянно и осигуряват просто, но надеждно решение. Същата идея се използва в реални условия при някои тролейбуси, трамваи и метровлакове.

Суперкондензатори се използват също и за регенеративно спиране и последващо ускорение в електрическите автобуси. Има примери за пълно (Supercap bus) или хибридно (Skoda, CRCC, Chariot) захранване на автобуси в публичния транспорт, където спирките са на относително кратки и добре дефинирани разстояния. В тежките и строителни машини суперкондензаторите намаляват натоварването от хидравличните системи. При фериботите пък се компенсира по-голямата консумация при маневриране за отплаване и спиране, както и допълнително захранване на бордовите системи.

Друго типично приложение на суперкондензаторите е в старт-стоп системите на превозни средства с вътрешно горене. Все още обичайните акумулатори са оловно-киселинни AGM (Absorbent Glass Mat), но сравнително високият стартов ток и големият брой старт-стоп цикли в градски условия бързо изтощават и деградират батериите, особено в сезоните с отрицателни температури. Затова класическите акумулатори все по-често се комбинират със суперкондензатори. Те имат сериозни предимства в импулсните приложения – много по-висока енергийна плътност, ниско вътрешно съпротивление – отдаване на голям ток за милисекунди, без спад на капацитета дори при -40 до 65oC, повече от милион цикъла без изискване за поддръжка, като са по-леки и по-компактни – което, комбинирано с класическа батерия, означава надеждна работа за целия живот на превозното средство.

Съвременните технологии за съхранение на електроенергия играят решаваща роля в прехода към устойчива енергетика. Макар че всяка от тях има своите силни и слаби страни, комбинацията от различни методи може да осигури ефективно управление на енергийните системи. Инвестициите в научни изследвания, иновации и нови инсталации ще бъдат критични за по-нататъшното развитие на тези технологии.