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I laboratori di test delle batterie utilizzeranno apparecchiature efficienti ma potrebbero comunque richiedere una potenza elevata dalla rete elettrica AC. Comprendere come calcolare questa potenza è fondamentale per garantire di non sovraccaricare le linee di alimentazione AC del laboratorio di test.
Cosa imparerai:
Uno dei principali fattori che guidano la rapida crescita dell'industria delle batterie al litio è l'adozione dei veicoli elettrici (EV) nel mercato mainstream. Mentre gli EV rappresentano meno del 5% delle auto in circolazione oggi, preoccupazioni ambientali, il riscaldamento globale, mandati governativi, preferenze dei consumatori, approvvigionamento di petrolio e prezzi del gas stanno spingendo i produttori automobilistici ad accelerare i loro piani per portare gli EV sul mercato. La Figura 1 illustra l'impatto dell'adozione degli EV.
1. I produttori di celle e batterie sentiranno l'impatto dell'adozione degli EV che diventano mainstream, creando nuove necessità e sfide.
Di conseguenza, mentre gli EV diventano mainstream, i produttori di celle e batterie dovranno affrontare le seguenti sfide che impattano le loro attrezzature di progettazione, test e convalida:
Il testing richiede molta energia
Per condurre cicli di progettazione accelerati, sarà necessario utilizzare un maggior numero di tester per effettuare test paralleli aggiunti. Inoltre, poiché le capacità delle celle aumentano e i pacchi batterie crescono in dimensioni per affrontare una maggiore autonomia, la quantità di energia utilizzata durante ciascun test aumenterà. Alcuni test, come i test di ciclo di vita, consumano una grande quantità di energia totale a causa della lunga durata dei test, che potrebbero protrarsi per settimane e mesi.
Attrezzature ad alta efficienza energetica per ridurre i costi energetici
Per mantenere i costi operativi del laboratorio contenuti, gli ingegneri cercheranno attrezzature ad alta efficienza energetica. La Figura 2 mostra il flusso di energia, l'efficienza e le perdite durante la ricarica e la scarica delle celle. Presenta un primo passo verso la comprensione di come determinare i requisiti totali di potenza AC durante il funzionamento del laboratorio di test.
2. Viene mostrato il flusso di energia, l'efficienza e le perdite durante la ricarica e la scarica delle celle.
Durante la ricarica, la potenza AC viene fornita dalla linea AC, attraverso le fasi di conversione di potenza AC-DC, attraverso cablaggi e contatti, all'interno delle celle o batterie. Durante la scarica, l'energia immagazzinata nelle celle o batterie fluisce attraverso cablaggi e contatti, tornando nell'attrezzatura di test.
L'efficienza della conversione di potenza AC-DC durante la carica può variare dal 70% al 96%. Durante la scarica, l'efficienza può essere dello 0% o variare dal 70% al 96%, a seconda dell'attrezzatura. Tuttavia, queste efficienze dichiarate sono relative a un punto di funzionamento specifico in cui l'efficienza di conversione è al suo massimo. Le efficienze diminuiscono perché il punto di funzionamento è a una percentuale bassa della potenza di uscita a scala completa. A correnti e/o tensioni molto basse, l'efficienza può essere piuttosto bassa (Fig. 3).
3. Il grafico illustra l'efficienza del sistema in funzione della potenza di uscita per il sistema di test delle batterie Keysight SL1700 (vedi immagine in alto nell'articolo), che utilizza la tecnologia al carburo di silicio per ottenere un'alta efficienza di conversione.
Un'altra considerazione è la perdita di potenza nei cavi e nei contatti verso la cella o la batteria. Questa potenza verrà persa come calore, quindi è importante mantenere una dimensione del cavo grande, che comporti una bassa resistenza del cavo, e mantenere bassa la resistenza di contatto. Anche se si cercano di ridurre le perdite al minimo, è necessario tener conto di queste perdite durante il calcolo dei requisiti di potenza del laboratorio.
Durante la scarica, una volta che la potenza raggiunge l'attrezzatura, possono essere utilizzate due strategie di gestione dell'energia. Una strategia comunemente usata in apparecchiature a bassa potenza e a basso costo è quella di dissipare semplicemente la potenza come calore all'interno di un dissipatore. In questo caso, l'efficienza della scarica è del 0%, poiché il 100% dell'energia viene persa come calore nell'attrezzatura di test.
La seconda strategia è quella di utilizzare la rigenerazione. Lo scaricatore rigenerativo convertirà la potenza proveniente dalla cella o dalla batteria in potenza AC. I circuiti di scarica rigenerativa normalmente raggiungono un'efficienza di conversione CC-AC compresa tra il 70% e il 96%.
Calcolo dei requisiti di potenza AC per il testing
Sia che l'attrezzatura di test sia altamente efficiente con la rigenerazione o meno efficiente utilizzando la dissipazione, è necessario comprendere quanto consumo energetico l'attrezzatura richiede per determinare i requisiti di potenza AC del laboratorio di test.
Come punto di partenza, determinare la potenza massima richiesta dal dispositivo (cella o batteria). La potenza massima potrebbe essere durante la carica o la scarica. Se l'attrezzatura è rigenerativa, utilizzare il valore maggiore tra la potenza di carica o la potenza di scarica per determinare i requisiti massimi di potenza AC. Se l'attrezzatura non è rigenerativa, la potenza massima è presente durante la carica poiché lo scarico non ha un impatto sulla potenza AC.
La Figura 2 descrive le perdite nei cavi e nei contatti. In questo punto del calcolo, aggiungere la potenza persa nei cavi e nei contatti. Il risultato sarà la potenza massima necessaria, includendo la potenza richiesta per caricare o scaricare la cella o la batteria più le perdite durante la carica o la scarica. Ciò fornirà la potenza totale massima in corrente continua per dispositivo.
Successivamente, moltiplicare la potenza totale massima in corrente continua per il numero di dispositivi sottoposti a test. Nel caso di test di celle, è possibile testare molte celle in parallelo e la potenza totale può aumentare rapidamente.
Quando la rigenerazione è disponibile, si potrebbe argomentare che bilanciando la carica e la scarica all'interno delle celle o delle batterie, è possibile ridurre il consumo totale di energia e, quindi, ridurre i requisiti di potenza della linea AC. È vero che l'energia rigenerata dalla scarica compenserà parte dell'energia necessaria alla carica, riducendo così la richiesta di potenza AC netta.
Tuttavia, in alcuni scenari, tutti i dispositivi sono in fase di carica o scarica. Ad esempio, quando il sistema di test viene acceso per la prima volta, forse tutti i dispositivi hanno bisogno di essere caricati inizialmente, quindi è necessario dimensionare la potenza AC in modo da corrispondere a questo caso peggiore "tutti in carica".
Ora che si dispone della potenza totale in corrente continua richiesta, inclusa la perdita nei cavi, è necessario considerare l'efficienza di conversione in potenza AC. Dall'azienda produttrice dell'attrezzatura, sarà necessario ottenere la percentuale di efficienza alla potenza richiesta per il test. Quindi, per calcolare la potenza AC richiesta, utilizzare la formula: potenza AC totale = potenza DC totale / percentuale di efficienza.
Supponiamo che l'efficienza dell'attrezzatura sia del 85% e che tu abbia bisogno di un totale di 50 kW di potenza DC per testare le celle o le batterie. Questo porterebbe a 50 kW / 85% = 58,8 kW di potenza AC totale.
Sistemi trifase
I piccoli sistemi che richiedono pochi chilowatt di potenza totale possono essere facilmente alimentati da una singola fase AC, ma la maggior parte dei sistemi di test delle celle o delle batterie richiederà molta più potenza di quella disponibile con una sola fase AC. Pertanto, dovrai determinare la corrente di linea AC per fase per un sistema trifase.
Per iniziare, calcola la potenza AC per fase con questa formula: potenza AC per fase = potenza AC totale / 3. Quindi, per questo esempio di 58,8 kW totali, sarebbe 58,8 / 3 = 19,6 kW per fase.
Tipicamente, un sistema di alimentazione AC trifase è specificato in base alla tensione tra linee. Ad esempio, in Europa, la potenza industriale AC è di 400 V AC tra le linee. Negli Stati Uniti, la potenza industriale AC può essere di 208 V AC tra le linee o di 480 V AC tra le linee.
Per questo calcolo, poiché stiamo cercando di determinare la corrente AC per fase, dobbiamo conoscere le tensioni tra linea e neutro. In un sistema di alimentazione AC trifase, per convertire la tensione AC tra le linee in tensione AC tra linea e neutro, usa questa formula: tensione AC tra linee / √3. Se hai 400 V AC tra le linee, avrai 400 / √3 = 400/1,732 = 230 V AC tra linea e neutro.
Ora puoi calcolare la corrente AC per fase: corrente AC per fase = potenza AC per fase / tensione AC tra linea e neutro. Di nuovo, per questo esempio, 19.600 W AC per fase / 230 V AC tra linea e neutro = 85 A AC per fase per un sistema AC da 400 V tra le linee.
Infine, potresti voler considerare di aggiungere una certa margine a questi calcoli. La rete di alimentazione AC può variare l'ampiezza della tensione di linea AC (in volt picco-picco) del ±10%. Quando la tensione di linea diminuisce del 10%, per fornire la stessa potenza, la corrente di linea aumenterà del 10%. Pertanto, quando si specifica l'ingresso di corrente AC, si consiglia di aggiungere un certo margine. Raccomando un margine del 10% al 20%.
Sommario
L'espansione dei requisiti di potenza per i test richiede l'utilizzo di apparecchiature efficienti, ma anche le apparecchiature efficienti possono richiedere una potenza elevata dalla rete AC. Comprendere come calcolare la potenza è fondamentale per assicurarsi di non sovraccaricare le linee di alimentazione AC nel laboratorio di test.
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