Superare le sfide dei sistemi di immagazzinamento batterie: guida completa per massimizzare l’energia solare e eolica

L’energia solare ed eolica contribuisce all’uso delle rinnovabili in rete, ma gli squilibri fra domanda e offerta costituiscono una notevole limitazione all’impiego massiccio di queste fonti. Sebbene l’energia solare sia disponibile in abbondanza intorno a mezzogiorno, la domanda non è sufficientemente elevata alla stessa ora e i consumatori pagano un costo per watt più elevato.

Le applicazioni per i sistemi di immagazzinamento dell’energia (ESS, Energy Storage System) per scenari residenziali, commerciali e industriali catturano l’energia dalle fonti rinnovabili come il sole e il vento durante la giornata ed erogano questa energia immagazzinata quando la domanda o i prezzi dell’energia elettrica da rete aumentano. Immagazzinando l’energia per utilizzarla durante le ore di punta, un ESS è in grado di stabilizzare la rete e ridurre i costi dell’energia.

Fra le sfide di progettazione legate a un sistema di immagazzinamento dell’energia a batteria (BESS, Battery Energy Storage System), una delle tipologie di ESS più diffuse, vi sono il monitoraggio accurato della tensione, della temperatura e della corrente delle batterie e una notevole capacità di bilanciamento fra celle e pacchi batteria. Diamo un’occhiata a queste sfide in maggiore dettaglio.

 

Sfida n. 1: sicurezza

La prima sfida consiste nel garantire la sicurezza delle batterie per l’intera durata di vita di un BESS, che normalmente supera i 10 anni. Le applicazioni BESS utilizzano spesso batterie agli ioni di litio (Li-ion), in particolare batterie al litio-ferro-fosfato (LiFePO4).

Le batterie Li-ion tendono a sviluppare fumo, incendi o esplosioni se la tensione, la temperatura e la corrente superano i limiti massimi, rendendo quindi particolarmente importanti il monitoraggio dei dati e le protezioni della tensione, della temperatura e della corrente della batteria. Pertanto è necessario prendere in considerazione e analizzare il potenziale in termini di guasti delle batterie ed errori nel sistema di gestione della batteria.

La Figura 1 mostra un’architettura BESS. Il progetto di riferimento di un’unità di gestione della batteria sovrapponibile per sistemi di immagazzinamento dell’energia di TI illustra un’unità di gestione della batteria sovrapponibile (BMU) che utilizza il BQ79616 per rilevare le problematiche legate alla misurazione ridondante dei dati, mentre il progetto di riferimento di una centralina della batteria per sistemi di immagazzinamento dell’energia mostra una centralina della batteria (BCU) con interruttori che garantiscono la sicurezza del sistema.

Figura 1 Architettura BESS

  

Sfida n. 2: monitoraggio accurato della batteria

La disponibilità di dati accurati per la batteria garantisce la sicurezza e ottimizza l’uso dell’energia. Considerando l’ampia zona piatta della curva di carica e scarica del LiFePO4, errori anche minimi nella misurazione della tensione delle celle possono causare enormi errori nella capacità residua, facendo sì che le misurazioni accurate della tensione della batteria e della corrente del pacco batterie siano importanti per ottenere stime accurate dello stato di carica. Informazioni accurate sullo stato di carica sono fondamentali per evitare un bilanciamento erroneo delle celle, in seguito al quale l’energia massima utilizzabile delle batterie può essere compromessa dal sovraccarico e dalla scarica eccessiva.

Un’ulteriore misurazione importante riguarda la temperatura. La maggior parte degli incidenti per incendio ed esplosione delle batterie è causata dalla fuga termica delle batterie.

La Figura 2 mostra il progetto di riferimento di un’unità di gestione della batteria sovrapponibile di TI, che permette di ottenere un errore di tensione delle celle di ±3 mV tra –20 °C e 65 °C utilizzando il monitor per batterie BQ79616. Per i sistemi residenziali un’ulteriore alternativa è il monitor per batterie BQ76972, che può raggiungere un errore di tensione delle celle di ±5 mV tra –40 °C e 85 °C. Gli interruttori multiplexer aumentano i canali di misurazione della temperatura per garantire il monitoraggio di ciascuna cella della batteria e della temperatura dei connettori del bus di alimentazione. Il progetto di riferimento per batteria sovrapponibile riserva ulteriori canali di temperatura per un controllo diagnostico di interruttori multiplexer.

 

                                                  Figura 2 Progetto di riferimento di un’unità di gestione della batteria sovrapponibile

 

Una soluzione per la misurazione accurata e affidabile della corrente è necessaria anche per un monitoraggio dello stato di carica dell’ESS. Il sensore di tensione e corrente BQ79731-Q1 integra doppi convertitori analogico/digitale per il rilevamento della corrente a 24 bit, con canali ridondanti che aiutano a garantire la sicurezza e l’accuratezza dei dati della corrente.

Sfida n. 3: bilanciare le capacità di celle e pacchi

I pacchi batterie potrebbero consumare corrente a velocità diverse a causa delle variazioni di carico. Queste variazioni provocano uno squilibrio tra l’energia residua nei pacchi e riducono l’energia massima utilizzabile dell’intero ESS. Le incoerenze tra le nuove celle delle batterie e le diverse condizioni di raffreddamento termico possono causare inoltre uno squilibrio tra celle diverse, anche all’interno dello stesso pacco. Il bilanciamento passivo delle celle consuma l’energia delle batterie sulle resistenze e non è consigliato per il bilanciamento a livello del pacco, in quanto genera un eccessivo consumo di potenza e riscalda i pacchi.

Gli squilibri nei pacchi batterie peggiorano nel corso della vita di un prodotto e si ricorda che un ESS può durare più di 10 anni. Alcuni pacchi potrebbero invecchiare più rapidamente di altri nel corso di 10 anni, obbligando gli utenti a sostituire i pacchi deterioratisi con il tempo. In assenza di affidabili circuiti di bilanciamento a livello del pacco, è necessario che un addetto carichi o scarichi il nuovo pacco a un livello di energia quasi pari a quello dei pacchi rimanenti nell’ESS. Tuttavia, anche questa operazione è rischiosa, in quanto difficile, costosa e poiché richiede manodopera.

Gli squilibri nelle celle delle batterie, inoltre, sono influenzati anche dalla capacità delle celle. I costruttori di batterie stanno sviluppando celle per batterie di maggiore capacità (da 280 Ah a 314 Ah e addirittura fino a 560 Ah) per ottimizzare i costi dell’energia al chilowattora dell’intero ESS. I pacchi con celle di maggiore capacità richiedono una maggiore corrente di bilanciamento efficace per fare in modo che tutte le celle all’interno del pacco eroghino la stessa energia in modo continuo.

Sono molti i metodi per bilanciare i pacchi. La Figura 3 mostra uno dei modi per caricare e scaricare i pacchi attraverso un bus ad alta tensione per mezzo del progetto di riferimento di un convertitore risonante bidirezionale CLLLC per un sistema di immagazzinamento dell’energia. Controllando la corrente di carica e scarica, il convertitore CC/CC isolato è in grado di bilanciare i pacchi in modo che si adattino alla capacità residua o alla tensione del pacco. Poiché sia la corrente di carica che la corrente di scarica passano attraverso il convertitore CC/CC bidirezionale, l’efficienza complessiva è bassa e la potenza nominale del convertitore CC/CC bidirezionale è elevata.

                               Figura 3 Convertitore CC/CC isolato bidirezionale dal pacco batterie al bus ad alta tensione

 

 

                                                     Figura 4 Convertitore CC/CC isolato bidirezionale dal pacco al bus a bassa tensione

Conclusione

I sistemi di gestione della batteria affidabili e sicuri eliminano le problematiche poste dalla sicurezza delle batterie Li-ion e LiFePO4 e contribuiscono ad aumentare la durata dell’ESS con protezioni ben progettate, anche in caso di guasto di un singolo dispositivo. Il rilevamento accurato dei dati e il bilanciamento a livello di pacco e di cella consentono la carica e la scarica a pari capacità e ottimizzano l’utilizzo dell’energia solare e di altre fonti di energia rinnovabile, consentendo in definitiva agli utenti finali di ottenere energia rinnovabile sicura, stabile e a basso costo.

Risorse supplementari

Leggete il brief applicativo «La scalabilità di progetti accurati per la gestione delle batterie attraverso diversi sistemi di immagazzinamento dell’energia».

Guardate il video «La progettazione di un sistema di immagazzinamento dell’energia a batteria ad alta precisione».

Scoprite i prodotti e i progetti di riferimento per i sistemi di immagazzinamento dell’energia a batteria.

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