Az új villamosenergia-rendszerek felgyorsult építésének hátterében az energiatárolási rendszerek, mint az energiakereslet és -kínálat kiegyensúlyozásának, valamint a hálózat ellenálló képességének javításának alapvető eleme, az energiaforma-átalakítás, a rendszer együttműködésen alapuló vezérlése, valamint a biztonságos és gazdaságos működés köré épülnek. A cél az elektromos energia rugalmas tárolása és pontos felszabadítása tudományos architektúrán keresztül. Az alapvető tervezési cél nem csupán az adott forgatókönyvek teljesítmény- és kapacitásigényeinek kielégítése, hanem a biztonság, a hatékonyság, az élettartam és a gazdaságosság közötti optimális egyensúly elérése is.
Az energiatároló rendszerek tervezése az energiaátalakító mechanizmusok mögöttes logikájának kiválasztásával kezdődik. Az elektrokémiai energiatárolás a reverzibilis „elektrokémiai-elektrokémiai” reakción alapul, amely az energiatárolást a pozitív és negatív elektródák anyagainak redoxreakcióján keresztül éri el: töltés közben az elektromos energia töltéshordozókat (például lítium-ionokat) vándorol, és beágyazódik a negatív elektródába, kémiai energiává alakítva azokat; kisütés közben a töltéshordozók visszatérnek a pozitív elektródára, és a kémiai energia visszaalakul elektromos energiává. A fizikai energiatárolás a makroszkopikus energiaformák átalakulásán alapul. Például a szivattyús víztározó elektromos energiát használ egy szivattyú meghajtására, hogy növelje a víz potenciális energiáját, az áramtermelés során pedig a lehulló víz egy turbinát hajt, hogy a potenciális energiát elektromos energiává alakítsa. A sűrített levegős tárolás elektromos energiát használ a gáz tömörítésére és a nyomási energia tárolására; energia felszabadulásakor a nagynyomású-gáz kitágul, és generátort hajt. Különböző konverziós mechanizmusok határozzák meg a rendszer válaszsebességét, energiasűrűségét és az alkalmazható forgatókönyveket. A tervezésnek először a technológiai útvonalat kell rögzítenie a követelmények alapján.
A rendszerarchitektúra tervezése a több modul koordinációját és hierarchikus kezelését hangsúlyozza. A teljes energiatároló rendszer energiatároló egységekből, teljesítmény-átalakító rendszerből (PCS), akkumulátor menedzsment rendszerből (BMS), energiagazdálkodási rendszerből (EMS) és segédrendszerekből (hőmérsékletszabályozás, tűzvédelem, felügyelet) áll. Az energiatároló egység az energiatárolás magja, soros és párhuzamos csatlakozási módjait a célfeszültség, kapacitás és redundancia követelmények alapján optimalizálni kell. A PCS (Power Control System) felelős az AC/DC átalakításért és a teljesítményszabályozásért, topológiájának (például két-szintű vagy három-szintű) pedig meg kell felelnie a rendszer teljesítményszintjének és hatékonysági követelményeinek. Az "idegvégződésként" működő BMS-nek (Akkumulátorkezelő rendszernek) valós idejű figyelését és kiegyensúlyozott szabályozását kell elérnie az egyes cellák feszültsége, hőmérséklete és belső ellenállása tekintetében, hogy megelőzze a lokális túltöltés és túl{7}}kisülés okozta lépcsőzetes hibákat. Az EMS (Electric Power Management System) az "agy", amely dinamikusan optimalizálja a töltési és kisütési stratégiákat, és koordinálja az egyes modulok tevékenységét a hálózat terhelése, a megújuló energia kibocsátása és az áramár jelei alapján. A segédrendszerek környezetvédelmet biztosítanak a fenti alapfunkciókhoz; például a hőmérséklet-szabályozó rendszer megfelelő hőmérsékleti tartományban (jellemzően 25 fok ±5 fok) tartja a cellákat, a tűzvédelmi rendszer pedig korai figyelmeztető és eloltó védelmi vonalat épít ki a tűz ellen.
A tervezésnek mélyen integrálnia kell a forgatókönyv jellemzőit és korlátait. A hálózat-oldali energiatárolás a gyors reagálást és a nagy-léptékű szabályozási képességeket hangsúlyozza, ami megköveteli az energiatermelő rendszer (PCS) fokozott dinamikus teljesítményét és az energiatároló rendszer (EMS) hálózatbarát-barátságát. Az energiaforrás-oldali energiatárolásnak alkalmazkodnia kell a megújuló energia kibocsátásának ingadozásaihoz, optimalizálva a BMS-nek az időszakos töltés és kisütés tűrőképességét. A felhasználói oldali energiatárolás előnyben részesíti a gazdaságosságot és a helykihasználást, kiegyensúlyozza a kapacitáskonfigurációt és a telepítési költségeket, és moduláris integrációt is alkalmazhat a helytakarékosság érdekében. Ezenkívül a tervezésnek le kell foglalnia a bővítési interfészeket a jövőbeli kapacitásbővítések vagy technológiai iterációk fogadásához.
A biztonság és a gazdaságosság kulcsfontosságú a teljes életciklus során. Biztonsági szempontból egy több-rétegű védelmi rendszert kell kiépíteni elektromos szigetelési tervezéssel, túlfeszültség- és túláramvédelemmel, valamint hőkifutási korai figyelmeztető mechanizmusokkal. Gazdasági szempontból a jobb energiaátalakítási hatékonyság (pl. PCS hatékonysága 95%-nál nagyobb vagy egyenlő), a ciklus élettartamának meghosszabbítása (pl. a tervezési ciklusszám 6000-szer nagyobb vagy egyenlő) és a segédrendszerek energiafogyasztásának csökkentése szükséges az életciklus előnyeinek növeléséhez.
Összefoglalva, az energiatároló rendszerek tervezési elve egy energiaátalakító mechanizmusokon alapuló technológiai integrációs folyamat, amelynek középpontjában a több-modulos együttműködés áll, amelyet a forgatókönyvek adaptációja vezérel, és korlátoz a biztonság és a gazdaságosság. Lényege, hogy a diszkrét energiatároló egységeket tudományos architektúrán keresztül érzékelhető, szabályozható és optimalizálható energiaszabályozási rendszerré alakítsa át, kulcsfontosságú támogatást nyújtva az új villamosenergia-rendszerekhez, hogy megbirkózzanak a megújuló energia nagyarányú hozzáférésével.
