על רקע הבנייה המואצת של מערכות חשמל חדשות, מערכות אחסון אנרגיה, כמרכיב ליבה לאיזון בין היצע וביקוש לאנרגיה ולשיפור עמידות הרשת, מתוכננות סביב המרת צורות אנרגיה, בקרה משותפת של המערכת ותפעול בטוח וחסכוני. המטרה היא להשיג אחסון גמיש ושחרור מדויק של אנרגיה חשמלית באמצעות ארכיטקטורה מדעית. מטרת התכנון המרכזית היא לא רק לעמוד בדרישות ההספק והקיבול של תרחישים ספציפיים אלא גם להשיג איזון אופטימלי בין בטיחות, יעילות, תוחלת חיים וחסכון.
התכנון של מערכות אגירת אנרגיה מתחיל בבחירת ההיגיון הבסיסי של מנגנוני המרת אנרגיה. אחסון אנרגיה אלקטרוכימית מבוסס על התגובה ה"אלקטרוכימית-אלקטרוכימית" הפיכה, השגת אגירת אנרגיה באמצעות תגובת חיזור של חומרי אלקטרודה חיוביים ושליליים: במהלך הטעינה, אנרגיה חשמלית מניעה את נושאי המטען (כגון יוני ליתיום) לנדוד ולהטמיע באלקטרודה השלילית, והופכת אותם לאנרגיה כימית; במהלך הפריקה, נושאי המטען חוזרים לאלקטרודה החיובית, והאנרגיה הכימית מומרת בחזרה לאנרגיה חשמלית. אחסון אנרגיה פיזית מסתמך על המרה של צורות אנרגיה מקרוסקופיות. לדוגמה, אחסון הידרו שאוב משתמש בחשמל כדי להניע משאבה כדי להגדיל את האנרגיה הפוטנציאלית של מים, ובמהלך ייצור החשמל, המים הנופלים מניעים טורבינה כדי להמיר את האנרגיה הפוטנציאלית לאנרגיה חשמלית. אחסון אוויר דחוס משתמש בחשמל כדי לדחוס גז ולאגור אנרגיית לחץ; בעת שחרור אנרגיה, הגז בלחץ הגבוה- מתרחב ומניע גנרטור. מנגנוני המרה שונים קובעים את מהירות התגובה של המערכת, צפיפות האנרגיה והתרחישים הישימים. התכנון חייב קודם כל לעגן את המסלול הטכנולוגי בהתאם לדרישות.
עיצוב ארכיטקטורת המערכת מדגיש את התיאום והניהול ההיררכי של מספר מודולים. מערכת אגירת אנרגיה מלאה מורכבת מיחידות אחסון אנרגיה, מערכת המרת הספק (PCS), מערכת ניהול סוללות (BMS), מערכת ניהול אנרגיה (EMS), ומערכות עזר (בקרת טמפרטורה, הגנה מפני אש, ניטור). יחידת אגירת האנרגיה היא הליבה של אגירת אנרגיה, ויש לבצע אופטימיזציה של שיטות החיבור הסדרתי והמקבילי בהתבסס על דרישות מתח היעד, הקיבולת והיתירות. ה-PCS (מערכת בקרת כוח) אחראית להמרת AC/DC ולוויסות הספק, והטופולוגיה שלו (כגון שתי-רמות או שלוש-רמות) צריכה להתאים לרמת ההספק ולדרישות היעילות של המערכת. מערכת ה-BMS (מערכת ניהול הסוללות), הפועלת כ"קצות העצבים", צריכה להשיג-ניטור בזמן אמת ובקרה מאוזנת של מתח, טמפרטורה והתנגדות פנימית של תאים בודדים כדי למנוע כשלים מדורגים שנגרמים כתוצאה מטעינת יתר מקומית ופריקת יתר-. ה-EMS (מערכת ניהול חשמל חשמלי) הוא ה"מוח", מייעל באופן דינמי את אסטרטגיות הטעינה והפריקה ומתאם את הפעולות של כל מודול בהתבסס על עומס רשת, תפוקת אנרגיה מתחדשת ואותות מחיר החשמל. מערכות עזר מספקות הגנה על הסביבה עבור פונקציות הליבה לעיל; לדוגמה, מערכת בקרת הטמפרטורה שומרת על פעילות התאים בטווח טמפרטורות מתאים (בדרך כלל 25 מעלות ± 5 מעלות), ומערכת ההגנה מפני אש בונה קו התרעה מוקדמת ודיכוי מפני שריפות.
התכנון צריך לשלב עמוקות מאפיינים ואילוצים של תרחישים. אחסון אנרגיה בצד-רשת מדגיש תגובה מהירה ויכולות ויסות-בקנה מידה גדול, הדורשות ביצועים דינמיים משופרים של מערכת ייצור החשמל (PCS) וידידותיות-של מערכת אחסון האנרגיה (EMS). אחסון אנרגיה צדדי-צריך להסתגל לתנודות בתפוקת האנרגיה המתחדשת, ולמטב את הסבילות של ה-BMS לטעינה ופריקה לסירוגין. אחסון אנרגיה בצד המשתמש נותן עדיפות לכלכלה וניצול שטח, מאזן תצורת קיבולת ועלויות התקנה, ועשוי להפעיל אינטגרציה מודולרית כדי לחסוך במקום. יתר על כן, על התכנון לשמור ממשקי הרחבה כדי להתאים לשדרוגי קיבולת עתידיים או איטרציות טכנולוגיות.
בטיחות ויעילות כלכלית הם קריטיים לאורך כל מחזור החיים. מנקודת מבט בטיחותית, מערכת הגנה רב-שכבתית חייבת להיבנות באמצעות תכנון בידוד חשמלי, הגנה מפני מתח יתר וזרם יתר ומנגנוני התרעה מוקדמת של בריחת תרמית. מנקודת מבט כלכלית, יעילות המרת אנרגיה משופרת (למשל, יעילות PCS גדולה או שווה ל-95%), חיי מחזור מורחבים (למשל, ספירת מחזורי תכנון גדולה או שווה ל-6000 פעמים), וצריכת אנרגיה מופחתת של מערכת עזר נחוצים כדי לשפר את היתרונות של מחזור החיים.
לסיכום, עקרון התכנון של מערכות אחסון אנרגיה הוא תהליך אינטגרציה טכנולוגי המבוסס על מנגנוני המרת אנרגיה, שבמרכזו שיתוף פעולה מרובי-מודולים, מונחה על ידי התאמה לתרחישים, ומוגבל על ידי בטיחות וכלכלה. המהות שלה היא להפוך יחידות אחסון אנרגיה בדידות למערכת וויסות אנרגיה ניתנת לשליטה, ניתנת לשליטה ולאופטימיזציה באמצעות ארכיטקטורה מדעית, המספקת תמיכה מרכזית למערכות חשמל חדשות כדי להתמודד עם השיעור הגבוה של גישה לאנרגיה מתחדשת.
