حلول تخزين الطاقة القابلة للتطوير لمحطات شحن السيارات الكهربائية عالية الطاقة

إجابة سريعة

تُعدّ قابلية التوسع التحدي الهندسي الأبرز في محطات شحن المركبات الكهربائية عالية الطاقة: إذ يجب أن يتحول موقع الشحن الحالي ذو الأربع شواحن إلى مركز شحن غدًا بستة عشر شاحنًا بقدرة ميغاواط دون الحاجة إلى إعادة بناء شاملة. وتُقدّم حلول تخزين الطاقة بالبطاريات المعيارية حلًا لهذه المشكلة من خلال ثلاثة أشكال تتطور معًا: وحدات الخزائن (120-300 كيلوواط ساعة)، وشواحن تخزين الطاقة بالبطاريات المتكاملة (200-625 كيلوواط ساعة مع شحن مدمج)، والأنظمة المُعبأة في حاويات (1-2 ميغاواط ساعة فأكثر) - وكلها تُدار بواسطة نظام إدارة طاقة واحد يُعامل التخزين والشواحن وربط الشبكة كمورد واحد. ونظرًا لإضافة سعة البطارية ووحدات الطاقة تدريجيًا أثناء تشغيل الموقع، يُمكن للمشغلين تنظيم الإنفاق الرأسمالي بما يتناسب مع نمو حركة المرور، والحفاظ على ربط الشبكة صغيرًا، ومواكبة الانتقال من 120 كيلوواط إلى 960 كيلوواط وما بعدها وصولًا إلى شحن ميغاواط باستخدام أنظمة الشحن متعددة المراحل. القاعدة الأساسية: حدد حجم ربط الشبكة بما يتناسب مع حركة المرور الحالية، وحدد حجم بنية تخزين الطاقة بالبطاريات بما يتناسب مع حركة المرور المستقبلية.

أهم النقاط

• تتيح الأشكال المعيارية - الخزانة، والمتكاملة، والحاوية - للمراكز زيادة السعة بالكيلوواط والكيلوواط ساعة دون إيقاف العمليات.
• يساهم نشر أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات على مراحل في مواءمة الإنفاق الرأسمالي مع نمو حركة المرور وتجنب الإفراط في البناء في اليوم الأول.
• نظام إدارة الطاقة المشترك هو العمود الفقري لقابلية التوسع: مستوى تحكم واحد للتخزين والشواحن وخدمات الشبكة على أي نطاق.
• تحتاج المحاور عالية الطاقة (480 كيلوواط - 2 ميجاواط) إلى وحدات طاقة مبردة بالسوائل وإدارة حرارية للبطارية للحفاظ على الإنتاج المقدر.
• تستخدم المواقع ذات القدرة المحدودة على الوصول إلى الشبكة أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات لزيادة طاقة الشحن دون انتظار ترقيات المحولات.

مشكلة التوسع في الشحن عالي الطاقة

لا ينمو الطلب على الشحن العام بشكل خطي، بل يتزايد بشكل متسارع. قد يشهد مركز شحن على طريق سريع، يُفتتح بأربعة شواحن بقدرة 120 كيلوواط، زيادة في الاستخدام بمقدار ثلاثة أضعاف خلال 24 شهرًا مع تحول أساطيل المركبات المجاورة إلى الكهرباء، مما يستدعي التوسع إلى 12 أو 16 منفذًا. ويصطدم الحل التقليدي، المتمثل في محول كهربائي أكبر وعدد أكبر من الشواحن، بواقعين: تكلفة ترقية المحولات تتراوح بين 50,000 و200,000 دولار أمريكي، مع فترة انتظار تتراوح بين 12 و18 شهرًا، وإعادة التفاوض على اتفاقيات ربط المرافق العامة بشكل مُرهق. الشركات التي تُنشئ محطات شحن لتلبية احتياجات حركة المرور الحالية تُحد من نموها؛ أما الشركات التي تُنشئ محطات شحن لتلبية احتياجات حركة المرور المستقبلية فتُهدر رأس مالها على طاقة غير مُستغلة.

يفصل نظام تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) طاقة الشحن عن طاقة الشبكة. يمكن للمحطة المركزية تركيب شواحن عالية الطاقة فورًا، وتشغيلها من تفريغ البطاريات خلال فترات الذروة، وسحب طاقة ثابتة ومحدودة من الشبكة. عند ازدياد حركة الشحن، يضيف المشغل خزائن أو حاويات بطاريات ووحدات طاقة - وليس محولات كهربائية. هذا هو نموذج قابلية التوسع الذي تتجه إليه المحطات المركزية الضخمة في أوروبا وأمريكا الشمالية، ولهذا السبب تحديدًا تشمل منتجات MIDA الخزائن والمحطات المتكاملة والحاويات المبنية حول وحدات طاقة مشتركة.

ثلاثة أشكال مختلفة، قصة واحدة عن قابلية التوسع

تتوفر حلول تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) للموزعات عالية الطاقة بثلاثة أشكال متوافقة. ولا يُعدّ الاختيار بينها قرارًا بين أمرين فقط، إذ تعمل الموزعات المتطورة مع جميع الأشكال الثلاثة.

الفكرة الأساسية: جميع أشكال أنظمة تخزين الطاقة متوافقة مع لغة أنظمة إدارة الطاقة وتستخدم نفس المكونات الأساسية - تحويل التيار المتردد إلى تيار مستمر ثنائي الاتجاه، ووحدات بطاريات مبردة بالسوائل، ووحدات طاقة تيار مستمر معيارية. يمكن للمشغل البدء بشاحنين متكاملين لنظام تخزين الطاقة بالبطاريات، وإضافة خزانة شحن عند إبرام عقد أسطول، ثم إضافة حاوية سعة 2 ميغاواط/ساعة عندما يصل حجم المركز إلى ميغاواط، وذلك باستخدام منصة تحكم واحدة ومجموعة مهارات صيانة موحدة لجميع الأنظمة.

منهجية تحديد الحجم: من أربعة شواحن إلى أربعة وعشرين

السؤال العملي الذي يطرحه كل مشغل هو "كمية البطارية المطلوبة، ومتى؟" وقد أثبتت منهجية تحديد الحجم الموضحة أدناه فعاليتها في مستودعات الأساطيل ومراكز الطرق السريعة ومواقع الوجهات:

1. قم بنمذجة منحنى الحمل.ملف تعريف الجلسات المتوقعة على مدار 12 شهرًا: عدد الجلسات يوميًا، ومتوسط ​​الطاقة لكل جلسة، وتجمعات الوصول. تحدد فترة الذروة (عادةً من الساعة 16:00 إلى 20:00 أو منتصف النهار بالنسبة للأسطول) فترة التفريغ. 2.حدد حجم وصلة الشبكة الكهربائية لليوم.يتم التعاقد على 60-70% فقط من ذروة الطلب على الشحن كسعة للشبكة. وتُغطي البطارية الفرق خلال فترات الذروة. 3.حدد حجم البطارية بما يتناسب مع مرحلة النمو.ينبغي أن تغطي كل زيادة في السعة (مثلاً، +200 كيلوواط ساعة) نمو الطلب خلال الـ 18-24 شهرًا القادمة. وهذا هو التوازن الأمثل بين كفاءة رأس المال وتكرار إعادة طرح المناقصات. 4.أضف الطاقة على شكل وحدات متزايدة.تُحدد وحدات الطاقة (30-60 كيلوواط قياسية، 40-125 كيلوواط مبردة بالسوائل) خرج الشاحن. ولأن الوحدات قابلة للاستبدال أثناء التشغيل في خزائن MIDA، فإن ترقيات الطاقة لا تتطلب صناديق شاحن جديدة. 5.إعادة التقييم كل ثلاثة أشهر.تُستخدم بيانات حركة المرور في وضع خطة متجددة؛ ويمكن إضافة الحاويات خلال دورة الشراء العادية عندما يتجاوز الاستخدام الحد الأدنى.

يوضح الجدول أدناه العلاقة بين مستويات المحاور التمثيلية وتكوينات أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS):

حدود الميغاواط: من 960 كيلوواط إلى 2 ميغاواط ساعة وما بعدها

يدفع التوسع في استخدام الكهرباء الثقيلة مراكز الشحن إلى تجاوز حاجز 1 ميغاواط، حيث يُغيّر عاملان أساسيان التصميم الهندسي: تصل مستويات طاقة الشواحن الآن إلى 600 كيلوواط - 1.5 ميغاواط لكل منفذ (نظام التحكم في الطاقة للشاحنات)، وتُصبح إدارة الحرارة هي العامل الحاسم. عند هذه المستويات من الطاقة، تُصبح الكابلات المبردة بالسوائل بقدرة 500 أمبير فأكثر ووحدات الطاقة المبردة بالسوائل ضرورية - إذ لا يُمكن للتبريد الهوائي ببساطة التخلص من كثافة الحرارة. تدعم وحدات الطاقة المبردة بالسوائل من MIDA (40-125 كيلوواط) وهياكل الجهد الواسع 1000 فولت تكوينات من فئة الميغاواط، مع محطات شحن BESS كاملة مثل وحدة 960 كيلوواط/2 ميغاواط ساعة وأنظمة 480 كيلوواط/1 ميغاواط ساعة المصممة خصيصًا لهذا الغرض.

بالنسبة لمشغلي مراكز التوزيع، يعزز التحول إلى الميغاواط مبدأ قابلية التوسع: فالحاوية بسعة 2 ميغاواط/ساعة ليست مجرد خزانة أكبر، بل هي نوع مختلف من أصول الطاقة التي تغذي ناقل التيار المستمر بالكامل في المركز. ويقوم نظام إدارة الطاقة (EMS) بالموازنة بين الحاويات والخزائن والمركبات المتصلة، مما يضمن أن التكلفة الحدية لإضافة قابس إضافي بقدرة 600 كيلوواط هي تكلفة وحدة طاقة وكابل - وليست تكلفة محطة فرعية.

قيود الشبكة: عندما يكون نظام تخزين الطاقة بالبطاريات هو مسار التوسع الوحيد

تقع العديد من المواقع المحورية ذات القيمة العالية - كالمناطق الحضرية المكتظة، والمجمعات الصناعية، ومناطق خدمات الطرق السريعة - على خطوط تغذية مشبعة حيث لا تستطيع شركات الكهرباء ضمان سعة إضافية لسنوات. في هذه المواقع، لا يُعد نظام تخزين الطاقة بالبطاريات مجرد تحسين اقتصادي، بل هو التقنية الأساسية. يسحب الموقع سعته المتعاقد عليها باستمرار، ويخزن الطاقة خلال فترات انخفاض حركة المرور (بما في ذلك الليل)، ويوفر طاقة شحن تفوق بكثير قدرة الربط لفترات طويلة. وبذلك، يُنشئ المشغلون فعليًا شبكة كهربائية مصغرة خاصة فوق خدمة الشبكة الرئيسية المحدودة.

يُغيّر هذا النمط التشغيلي من مستوى المخاطر لصالح المُشغّل: فلا انتظار للربط، ولا ارتفاع مفاجئ في رسوم الطلب، وتدفق مضمون للعملاء حتى خلال فترات ذروة استهلاك الشبكة. مع ذلك، يجب أن يتضمن التصميم حماية قوية ضدّ العزل، وعواكس متوافقة مع معايير الشبكة، بحيث ينفصل المحور بسلاسة أثناء انقطاع التيار الكهربائي، ويعيد الاتصال تلقائيًا - وهو امتثال تُثبته الشهادات الإقليمية (CE، UL، معايير الشبكة المحلية).

اعتبارات التشغيل على نطاق واسع

يؤدي توسيع نطاق الأجهزة دون توسيع نطاق العمليات إلى تدهور ربحية المركز. هناك أربعة ركائز تشغيلية تحافظ على صحة المركز المتنامي:

1. خدمة طبية طارئة واحدة، حقيقة واحدة.تجمع منصة واحدة لإدارة الطاقة بيانات حالة شحن أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات، وحمل الشاحن، والطلب المقاس، وإشارات الشبكة. ويُعدّ تشتت التحكم بين الموردين أكثر أسباب فشل المحاور واسعة النطاق شيوعًا. 2.بروتوكول OCPP 2.0.1 والبروتوكولات المفتوحة.يجب أن توفر أجهزة الشحن والتخزين واجهات التحكم والقياس عن بُعد التي يحتاجها نظام إدارة الطاقة. تُعدّ إمكانيات الشحن الذكي وإدارة الأجهزة في بروتوكول OCPP 2.0.1 الأساس العملي لتنسيق الأصول المتعددة. 3.إدارة الحرارة كنظام من الدرجة الأولى.يجب تصميم نظام التبريد السائل لكل من رفوف البطاريات ووحدات الطاقة العالية ضمن بنية النظام، وليس إضافته بشكل منفصل. عند قدرة 960 كيلوواط، يؤدي انخفاض القدرة الحرارية بنسبة 10% فقط إلى خسائر في الإيرادات تصل إلى مئات الآلاف من الدولارات سنويًا. 4.التكرار لتحقيق الإيرادات.على مستوى مراكز التوزيع، يُعدّ تعطل شاحن واحد حدثًا يؤثر على تجربة العميل، بينما يُمثل تعطل نظام إدارة الطاقة انقطاعًا في الإيرادات. لذا، يُنصح بنشر وحدات تحكم احتياطية، وتوزيع ناقل التيار المستمر على الحاويات، والاحتفاظ بوحدات طاقة احتياطية في الموقع - حيث تُتيح الوحدات القابلة للاستبدال أثناء التشغيل إصلاحًا سريعًا في غضون 15 دقيقة بدلًا من عطل استمر ثلاثة أيام.

التعليمات

1. كيف تجعل تقنية تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) مركز الشحن قابلاً للتوسع؟يفصل نظام تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) طاقة الشحن عن طاقة الربط بالشبكة. ويضيف المشغلون أجهزة الشحن وسعة البطاريات على مراحل مع سحب طاقة محدودة من الشبكة، مما يتجنب ترقيات المحولات وتأخيرات الربط التي تعيق التوسع عادةً.

2. ما هي أحجام أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) المتاحة للمحاور عالية الطاقة؟يتراوح النطاق العملي من وحدات الخزائن بسعة 120-300 كيلوواط ساعة، مروراً بشواحن أنظمة تخزين الطاقة المتكاملة بسعة 200-625 كيلوواط ساعة، وصولاً إلى الأنظمة المعبأة في حاويات بسعة 800 كيلوواط ساعة إلى 2 ميغاواط ساعة. ويغطي خط إنتاج MIDA جميع هذه الأشكال الثلاثة على منصات وحدات الطاقة الشائعة.

3. هل يمكنني توسيع نطاق وحدة تخزين الطاقة بالبطاريات دون إيقاف التشغيل؟نعم. تسمح الخزائن والوحدات المعيارية ووحدات الطاقة القابلة للاستبدال أثناء التشغيل بإضافة سعة تخزينية مع استمرار عملية الشحن في الموقع. التوسعة عملية شراء وليست مشروع بناء.

4. ما هو حجم وصلة الشبكة التي أحتاجها لمحور 480 كيلو وات مع نظام تخزين الطاقة بالبطاريات؟يعمل مركز توزيع بقدرة 480 كيلوواط مزود بنظام تخزين طاقة بالبطاريات بسعة تتراوح بين 625 كيلوواط ساعة و1 ميغاواط ساعة عادةً على وصلة بقدرة 250-400 كيلو فولت أمبير. تُغطي البطارية ذروة الطلب بينما تُغطي الشبكة الكهربائية متوسط ​​الطلب.

5. لماذا يُعد التبريد السائل ضروريًا على نطاق الميغاواط؟عند قدرة تتراوح بين 600 كيلوواط و1.5 ميغاواط لكل قابس، لا يستطيع التبريد الهوائي التخلص من كثافة الحرارة العالية للإلكترونيات الكهربائية ووحدات البطاريات. تحافظ الوحدات والكابلات المبردة بالسوائل على القدرة المقدرة وعمرها الافتراضي في ظروف درجات الحرارة المحيطة المرتفعة، وهو أمر ضروري عند قدرة موزع الطاقة التي تتجاوز 480 كيلوواط تقريبًا.

6. كيف أختار بين الخزائن والمحطات المتكاملة والحاويات؟مطابقة عامل الشكل مع مرحلة النمو: شواحن BESS متكاملة للنشر التدريجي على شكل كبسولة، وخزائن لزيادة السعة بجانب الشواحن الحالية، وحاويات لاحتياطيات الطاقة على مستوى المركز وخدمات الشبكة على نطاق 1 ميغاواط ساعة فأكثر.

7. ما هو الدور الذي يلعبه نظام إدارة الطوارئ في مركز موسع؟نظام إدارة الطاقة (EMS) هو مستوى التحكم الذي ينسق تفريغ البطاريات، وحمل الشاحن، والطلب المقاس، وإشارات الشبكة عبر جميع الأصول. وهو ما يجعل مراكز الشحن متعددة الحاويات والشواحن تعمل كنظام واحد موثوق به ومُحسَّن لتحقيق الإيرادات، بدلاً من كونها مجموعة من الأجزاء.