Su larga scala sistemi di accumulo di energia al litio ad alta tensione , il funzionamento parallelo di cluster di batterie è un'architettura comune utilizzata per ottenere maggiore capacità, scalabilità di potenza e affidabilità del sistema. A EverExceed Questa architettura è ampiamente utilizzata nell'accumulo di energia su scala di rete, nei sistemi di alimentazione di backup UPS e nelle soluzioni di alimentazione industriale. Tuttavia, sebbene la connessione parallela offra vantaggi significativi, introduce anche sfide tecniche che devono essere gestite con attenzione.

Vantaggi principali (Pro)

1. Scalabilità flessibile e design modulare

Capacità e espansione di potenza su richiesta:
Aumentando o diminuendo il numero di cluster di batterie in parallelo, la capacità e la potenza del sistema possono essere scalate in modo flessibile senza dover riprogettare l'intero sistema di batterie. Questo rende l'architettura parallela ideale per applicazioni modulari ESS e UPS.

Produzione standardizzata:
Ogni gruppo di batterie può essere progettato e prodotto in modo standardizzato e in serie, contribuendo a ridurre i costi di produzione e garantendo al contempo la coerenza e la qualità del prodotto.

Facilità di manutenzione e sostituzione:
In caso di guasto di un singolo cluster, è possibile isolarlo elettricamente, ripararlo o sostituirlo senza dover spegnere l'intero sistema, migliorando notevolmente la disponibilità e la manutenibilità del sistema.

2. Maggiore ridondanza e affidabilità del sistema

Ridondanza N+1:
È possibile configurare un ulteriore gruppo di batterie in modo che, anche in caso di guasto di un gruppo, il sistema possa continuare a funzionare alla potenza nominale, garantendo un'alimentazione ininterrotta per carichi critici come data center e impianti industriali.

Capacità di isolamento dei guasti:
Guasti come cortocircuiti interni o malfunzionamenti del BMS possono essere confinati all'interno di un singolo cluster. Utilizzando isolatori e contattori CC, i guasti possono essere disconnessi rapidamente, riducendo il rischio sistemico.

3. Miglioramento dell'efficienza e ottimizzazione operativa

Corrente ridotta per cluster:
La condivisione parallela della corrente riduce la corrente che scorre attraverso ciascun cluster di batterie, riducendo lo stress elettrico su connettori, cavi e celle. Ciò riduce le perdite per effetto Joule all'interno del cluster.

Ploss=I2RP_{perdita} = I^2R P l oss = IO 2 R

e può migliorare l'efficienza complessiva del sistema.

Flessibilità operativa attraverso una pianificazione intelligente:
Avanzato Sistemi di gestione dell'energia (EMS) può distribuire in modo intelligente i cluster in base alle condizioni in tempo reale. Ad esempio, è possibile dare priorità ai cluster con SOC più elevato e resistenza interna inferiore, mentre i cluster surriscaldati possono essere temporaneamente disattivati per il raffreddamento, prolungando la durata del sistema.

Sfide e rischi principali (contro)

1. Corrente circolante (lo svantaggio principale)

Causa ultima:
A causa delle inevitabili differenze nella tensione di uscita tra i cluster, causate da SOC, temperatura, resistenza interna e invecchiamento, i cluster con tensione più elevata possono caricare quelli con tensione più bassa, generando corrente circolante che non fluisce verso il carico esterno o la rete.

I rischi includono:

• Perdita di energia: La corrente circolante viene convertita direttamente in calore, riducendo l'efficienza del sistema.

• Invecchiamento accelerato: In alcuni cluster si verificano cicli di carica/scarica non necessari, che accelerano il degrado della capacità.

• Rischio di sovracorrente: Le forti correnti circolanti possono superare i valori nominali di fusibili, contattori o dispositivi di potenza, causando potenzialmente guasti.

2. Incoerenza amplificata e maggiore complessità del controllo

“Effetto anello debole”:
Nei sistemi paralleli, la capacità totale utilizzabile è limitata dal cluster che raggiunge per primo i limiti di carica o scarica. Qualsiasi incoerenza riduce direttamente la capacità effettiva del sistema.

Complessità BMS multistrato:
I sistemi paralleli ad alta tensione in genere richiedono un architettura di controllo a tre livelli :
BMS a livello di cella → BMS a livello di cluster → EMS a livello di sistema.
L'EMS deve eseguire algoritmi sofisticati per il bilanciamento della corrente, l'equalizzazione SOC e la valutazione dello stato, aumentando significativamente la complessità del software e della comunicazione.

3. Coordinamento della protezione e rischi per la sicurezza

Corrente di guasto estremamente elevata:
Durante i cortocircuiti lato CC, tutti i gruppi di batterie in parallelo scaricano simultaneamente nel punto di guasto, generando correnti di cortocircuito estremamente elevate. Ciò impone requisiti rigorosi agli interruttori automatici CC e ai dispositivi di protezione.

Sfide relative alla selettività della protezione:
Le soglie di protezione e i tempi di risposta devono essere coordinati con precisione a tutti i livelli (cella, modulo, cluster, sistema) per garantire che venga isolata solo la più piccola unità guasta, evitando guasti a cascata.

4. Investimento iniziale e costo del sistema

Componenti ridondanti aggiuntivi:
Ogni gruppo di batterie necessita del proprio BMS, contattori, fusibili e, in alcuni casi, convertitori CC/CC per il bilanciamento attivo della corrente, con conseguente aumento dei costi hardware.

Costi di integrazione del sistema più elevati:
La progettazione elettrica complessa, la gestione termica coordinata e lo sviluppo di software di controllo avanzato aumentano significativamente i costi di progettazione e messa in servizio.

Soluzioni tecniche chiave: come massimizzare i benefici e mitigare i rischi

1. Isolamento attivo e regolazione basati su convertitore CC/CC

Ogni gruppo di batterie è dotato di un convertitore CC/CC bidirezionale in uscita.

Vantaggi:

• Elimina completamente la corrente circolante

• Consente il controllo indipendente di carica/scarica per ciascun cluster

• Massimizza la capacità utilizzabile e la stabilità del sistema

• Rappresenta la soluzione più efficace per la gestione dell'incoerenza

Compromessi:

• Aumento dei costi e del volume del sistema

• Leggera perdita di efficienza (in genere ancora >97%)

2. Bilanciamento passivo della corrente con gestione avanzata

Corrispondenza rigorosa dei cluster:
Prima del collegamento in parallelo, i cluster vengono attentamente abbinati in termini di tensione, resistenza interna e capacità.

Algoritmi BMS avanzati a livello di cluster:
Una stima accurata di SOC e SOH consente all'EMS di ottimizzare le strategie di invio e di controllare dinamicamente la partecipazione del cluster.

Misure di soppressione della corrente circolante:
Utilizzo di resistori di smorzamento o topologie ottimizzate per limitare l'entità della corrente circolante.

Riepilogo e conclusione

Raccomandazione finale

Funzionamento parallelo di gruppi di batterie al litio ad alta tensione è essenziale per scalare la moderna sistemi di accumulo di energia , ma la sua implementazione di successo dipende in larga misura da:

1. Corrispondenza precisa di celle e cluster

2. Potente, intelligente multilivello BMS ed EMS

3. Progettazione elettrica e di sicurezza rigorosa, in particolare per il coordinamento della protezione e la soppressione della corrente circolante

4. Compromessi tra costi e prestazioni:

   • Per applicazioni esigenti massima efficienza e coerenza , sono consigliate architetture isolate DC/DC

   • Per progetti sensibili ai costi con cluster ben abbinati, è possibile applicare soluzioni avanzate di gestione passiva

A EverExceed , questi principi sono pienamente integrati nella progettazione del nostro sistemi di batterie al litio ad alta tensione per l'accumulo di energia, alimentazione di backup UPS, data center e applicazioni energetiche industriali , garantendo un funzionamento sicuro, elevata efficienza e affidabilità a lungo termine.