Trong bối cảnh tăng tốc xây dựng các hệ thống điện mới, hệ thống lưu trữ năng lượng, với tư cách là thành phần cốt lõi để cân bằng cung cầu năng lượng và tăng cường khả năng phục hồi lưới điện, được thiết kế xoay quanh việc chuyển đổi dạng năng lượng, điều khiển hợp tác hệ thống và vận hành an toàn và tiết kiệm. Mục đích là đạt được khả năng lưu trữ linh hoạt và giải phóng năng lượng điện chính xác thông qua kiến trúc khoa học. Mục tiêu thiết kế cốt lõi không chỉ là đáp ứng các yêu cầu về công suất và công suất trong các tình huống cụ thể mà còn đạt được sự cân bằng tối ưu giữa an toàn, hiệu quả, tuổi thọ và tính kinh tế.
Việc thiết kế hệ thống lưu trữ năng lượng bắt đầu bằng việc lựa chọn logic cơ bản của các cơ chế chuyển đổi năng lượng. Việc lưu trữ năng lượng điện hóa dựa trên phản ứng "điện hóa{1}}điện hóa" thuận nghịch, đạt được sự tích trữ năng lượng thông qua phản ứng oxi hóa khử của vật liệu điện cực dương và âm: trong khi sạc, năng lượng điện thúc đẩy các hạt mang điện (chẳng hạn như ion lithium) di chuyển và nhúng vào điện cực âm, chuyển đổi chúng thành năng lượng hóa học; trong quá trình phóng điện, các hạt mang điện quay trở lại điện cực dương và năng lượng hóa học được chuyển đổi trở lại thành năng lượng điện. Việc lưu trữ năng lượng vật lý dựa vào việc chuyển đổi các dạng năng lượng vĩ mô. Ví dụ, hệ thống lưu trữ thủy điện được bơm sử dụng điện để điều khiển máy bơm nhằm tăng thế năng của nước và trong quá trình phát điện, nước rơi xuống sẽ điều khiển tua-bin chuyển đổi thế năng thành năng lượng điện. Kho khí nén sử dụng điện để nén khí và tích trữ năng lượng áp suất; khi giải phóng năng lượng,-khí áp suất cao sẽ nở ra và chạy máy phát điện. Các cơ chế chuyển đổi khác nhau xác định tốc độ phản hồi, mật độ năng lượng và các tình huống áp dụng của hệ thống. Thiết kế trước tiên phải bám sát lộ trình công nghệ dựa trên yêu cầu.
Thiết kế kiến trúc hệ thống nhấn mạnh đến sự phối hợp và quản lý phân cấp của nhiều mô-đun. Một hệ thống lưu trữ năng lượng hoàn chỉnh bao gồm các bộ lưu trữ năng lượng, hệ thống chuyển đổi năng lượng (PCS), hệ thống quản lý pin (BMS), hệ thống quản lý năng lượng (EMS) và các hệ thống phụ trợ (kiểm soát nhiệt độ, phòng cháy chữa cháy, giám sát). Bộ lưu trữ năng lượng là cốt lõi của việc lưu trữ năng lượng và các phương thức kết nối nối tiếp và song song của nó cần được tối ưu hóa dựa trên các yêu cầu về điện áp, công suất và dự phòng mục tiêu. PCS (Hệ thống điều khiển nguồn) chịu trách nhiệm chuyển đổi AC/DC và điều chỉnh nguồn điện, đồng thời cấu trúc liên kết của nó (chẳng hạn như hai-cấp hoặc ba-cấp) cần phải phù hợp với các yêu cầu về hiệu suất và mức công suất của hệ thống. BMS (Hệ thống quản lý pin), hoạt động như "các đầu dây thần kinh", cần đạt được-giám sát theo thời gian thực và kiểm soát cân bằng điện áp, nhiệt độ và điện trở bên trong của từng tế bào để ngăn ngừa sự cố xếp tầng do sạc quá mức và-xả quá mức cục bộ. EMS (Hệ thống quản lý năng lượng điện) là "bộ não", tối ưu hóa linh hoạt các chiến lược sạc và xả cũng như điều phối hoạt động của từng mô-đun dựa trên tải lưới, sản lượng năng lượng tái tạo và tín hiệu giá điện. Hệ thống phụ trợ bảo vệ môi trường cho các chức năng cốt lõi trên; ví dụ, hệ thống kiểm soát nhiệt độ duy trì các tế bào hoạt động trong phạm vi nhiệt độ thích hợp (thường là 25 độ ± 5 độ) và hệ thống phòng cháy chữa cháy xây dựng tuyến phòng thủ ngăn chặn và cảnh báo sớm chống lại hỏa hoạn.
Thiết kế cần tích hợp sâu sắc các đặc điểm và ràng buộc của kịch bản. Việc lưu trữ năng lượng phía lưới điện-nhấn mạnh vào khả năng phản hồi nhanh và khả năng điều chỉnh quy mô-lớn, đòi hỏi hiệu suất động nâng cao của hệ thống phát điện (PCS) và tính thân thiện với lưới điện của hệ thống lưu trữ năng lượng (EMS). Bộ lưu trữ năng lượng phía nguồn điện-cần thích ứng với những biến động trong sản lượng năng lượng tái tạo, tối ưu hóa khả năng chịu đựng của BMS đối với việc sạc và xả không liên tục. Bộ lưu trữ năng lượng-phía người dùng ưu tiên tính kinh tế và việc sử dụng không gian, cân bằng công suất cấu hình và chi phí lắp đặt, đồng thời có thể sử dụng tích hợp mô-đun để tiết kiệm không gian. Hơn nữa, thiết kế phải dự trữ các giao diện mở rộng để phù hợp với việc nâng cấp công suất hoặc lặp lại công nghệ trong tương lai.
An toàn và hiệu quả kinh tế là rất quan trọng trong toàn bộ vòng đời. Từ góc độ an toàn, hệ thống phòng thủ nhiều lớp phải được xây dựng thông qua thiết kế cách điện, bảo vệ quá điện áp và quá dòng cũng như cơ chế cảnh báo sớm rò rỉ nhiệt. Từ góc độ kinh tế, hiệu suất chuyển đổi năng lượng được cải thiện (ví dụ: hiệu suất PCS Lớn hơn hoặc bằng 95%), vòng đời kéo dài (ví dụ: số chu kỳ thiết kế Lớn hơn hoặc bằng 6000 lần) và giảm mức tiêu thụ năng lượng của hệ thống phụ trợ là cần thiết để nâng cao lợi ích vòng đời.
Tóm lại, nguyên tắc thiết kế của hệ thống lưu trữ năng lượng là một quy trình tích hợp công nghệ dựa trên cơ chế chuyển đổi năng lượng, tập trung vào sự cộng tác nhiều{0}}mô-đun, được hướng dẫn bởi khả năng thích ứng với kịch bản và bị ràng buộc bởi sự an toàn và kinh tế. Bản chất của nó là biến các đơn vị lưu trữ năng lượng riêng biệt thành một hệ thống điều tiết năng lượng có thể nhận biết, kiểm soát và tối ưu hóa thông qua một kiến trúc khoa học, cung cấp hỗ trợ chính cho các hệ thống điện mới để đáp ứng tỷ lệ tiếp cận năng lượng tái tạo cao.
