На всех рынках за последние годыЛитий-ионные аккумуляторынабирают обороты. Для непосвященных легко отмахнуться от литий-ионной технологии как дорогой альтернативы технологиям VRLA (свинцово-кислотная регулировка клапана), таким как AGM (абсорбированный стеклянный мат), если просто взглянуть на значение в ампер-часах (А-ч). Это была первоначальная ошибка, которую я сделал несколько лет назад. Углубившись вглубь, мне стало ясно, что при выборе лучших батарей для вашего приложения нужно учитывать гораздо больше, чем оценки А-А.

В приведенных ниже сравнениях, хотя показаны гелевые батареи, они имеют более низкую эффективную емкость при высоких токах разряда. Они стоят примерно столько же, сколько AGM, при условии, что оба типа являются моноблоками, а не 2-вольтовыми гелевыми ячейками с длительным сроком службы. Аккумуляторы с мокрым или свинцовым кислотным электролитом (FLA), хотя и упоминаемые, не рассматриваются для данного конкретного сравнения, главным образом из-за соображений обслуживания и безопасности в морской среде. Это, конечно, может не относиться к другим рынкам.

Полезная энергия и стоимость

Общепринято, что наиболее экономичная и практичная глубина разряда (DOD) для батареи AGM составляет 50%. Для литий-железо-фосфатного (LiFePO4 или LFP), который является самым безопасным из основных типов литий-ионных аккумуляторов, используется 80% DOD.

Как это работает в реальном мире? Давайте возьмем два примера батареи на 24 В и сравним полезную энергию для маленькой яхты:
1 х литий-ионный 24 В 180 Ач

Номинальное напряжение элемента LFP составляет 3,3 В. Эта батарея 26,4 В LFP состоит из 8 элементов, соединенных последовательно с номиналом 180 Ач. Доступная энергия составляет 26,4 х 180 = 4,75 кВт · ч. Полезная энергия составляет 26,4 х 180 х 0,80 = 3,8 кВтч.
2 х AGM 12 В 220 Ач

Номинальное напряжение свинцово-кислотного элемента составляет 2,0 В / элемент. Каждая 12 В моноблочная батарея состоит из 6 последовательно соединенных элементов с номиналом 220 Ач. При последовательном соединении 2 х 12 В 220 Ач аккумуляторов, обеспечивающих 24 В и 220 Ач, доступная энергия составляет 24,0 х 220 = 5,28 кВт · ч. Полезная энергия составляет 24 х 220 х 0,50 = 2,64 кВтч.

В связи с этим возникает вопрос, какой показатель АА для батарей AGM будет эквивалентен 3,8 кВт полезной энергии литий-ионной батареи? Чтобы получить 3,8 кВт-ч полезной энергии от батареи AGM, для начала потребуется вдвое больше этого размера из-за правила экономии 50% DOD, то есть 3,8 x 2 = 7,6 кВт-ч. При 24 В это означает 7600/24, что дает нам номинал батареи 316,66 А · ч, что приближается к удвоенной номинальной емкости литий-ионного аккумулятора 24 В 180 А · ч. Обратите внимание, что это не учитывает старение батарей, снижение температуры или влияние более высоких нагрузок. Для батарей AGM более высокие нагрузки оказывают большее влияние, чем на литиевые. См. Раздел «Полезная энергия: влияние на разрядную емкость и напряжение при различных нагрузках» ниже. Исходя из всего этого, разумно сказать, что батарея AGM должна быть в два раза больше А-ч, чем литиевая.

Вес

Номинальные характеристики батарей типа Ah, независимо от типа, указаны с частотой 20 часов. Это было хорошо в дни легких нагрузок, но, так как количество нагрузок и размер нагрузок со временем увеличивались, нам также необходимо учитывать высокие краткосрочные, среднесрочные и долгосрочные нагрузки для различных типов оборудования. Это может означать большой аккумулятор. В крайнем случае у нас может быть кондиционер, работающий в течение 10 часов с использованием 10 кВт, по сравнению со светодиодной лампой, потребляющей 100 Вт в то время. Уравновешивание этих различных требований и всех промежуточных нагрузок становится ключевым. С большой упаковкой, как показано ниже, для достижения этого становится ясно, насколько тяжелая свинцовая кислота может быть сравнена с литием. 1360/336 = в 4 раза тяжелее.

Полезная энергия: влияние на разрядную емкость и напряжение при различных нагрузках

Как указывалось ранее, большинство аккумуляторных батарей имеют рейтинг 20 часов. На рисунке ниже для свинцово-кислотной батареи, если это была батарея на 100 Ач с частотой 20 часов, вы можете видеть, что 0,05C означает 100 х 0,05 = 5 А в течение 20 часов = 100 Ач, пока батарея полностью не разрядится. Поскольку мы используем только 50% батареи, мы видим, что напряжение при напряжении 5% при 50% DOD все равно будет 24 В для нагрузки 5 А в течение 10 часов, и поэтому мы бы потребляли 50 Ач.

Увеличение потребления тока (как показано на графиках ниже) может повлиять на доступную полезную энергию и напряжение аккумулятора. Это эффективное сокращение рейтинга известно как эффект Пейкерта. Со свинцовой кислотой, чем выше нагрузка, тем больше вам нужно увеличить емкость батареи Ач, чтобы облегчить это. Однако, для Lithium нагрузка, даже в 10 раз большая при 0,5 ° C, может иметь напряжение на клеммах 24 В при 80% DOD / 20% SOC, не повышая значение Ач батареи. Это то, что делает литий особенно подходящим для высоких нагрузок.

Примечание. На графиках ниже показана емкость разряда в зависимости от напряжения на клеммах. Обычно вы видите графики AGM как время разряда и напряжение на клеммах. Причина, по которой мы определяем емкость разряда (вместо времени разряда), заключается в том, что у лития более высокое и более стабильное напряжение на клеммах, чем у AGM, поэтому построение графиков с учетом емкости разряда дает более точное сравнение химического состава, показывая, что литий увеличивает полезную энергию при более высоких нагрузках из-за более высоких и стабильных напряжений на клеммах. Хотя вы можете считать это серой зоной (отчасти и из-за различного внутреннего сопротивления батарей), это, вероятно, единственный верный способ сравнения технологий. Это дополнительно продемонстрировано на изображениях под графиками.

Литий - емкость разряда против напряжения на клеммах


Свинцово-кислотный - емкость разряда против напряжения на клеммах

Полезная энергия (свинцово-кислотная)

Полезная энергия (литий)

Эффективность зарядки

Многое из того, что мы видели в процессе разряда, верно и в обратном процессе зарядки. Не расстраивайтесь из-за больших размеров генератора, показанных ниже, так как этот блог просто показывает ряд сценариев. Решения в принципе масштабируемы. Сначала давайте сравним эффективность зарядки свинцово-кислотной кислоты слева и лития справа во время полного цикла зарядки. Зарядка последних 20% свинцово-кислотных аккумуляторных батарей всегда медленная и неэффективная по сравнению с литиевой. Это подтверждается расходами на топливо (или используемым вами источником зарядки) на изображениях ниже. Обратите внимание на разницу во времени зарядки тоже.

Примечание: ставки заряда
Рекомендуемая скорость зарядки для батарей AGM большого размера составляет 0,2C, то есть 120А для батареи 600А, состоящей из параллельных блоков по 200Ач.
Более высокие скорости зарядки нагревают батарею (температурная компенсация, измерение напряжения и хорошая вентиляция абсолютно необходимы в таком случае для предотвращения теплового разгона), а благодаря внутреннему сопротивлению поглощающее напряжение будет достигаться, когда батарея заряжена только на 60%. или меньше, что приводит к более длительному времени поглощения, необходимому для полной зарядки батареи.
Поэтому высокоскоростная зарядка существенно не сократит время зарядки свинцово-кислотной батареи.
Для сравнения, литиевая батарея 200 Ач может заряжаться до 500 А, однако рекомендуемая скорость зарядки для максимального срока службы составляет 100 А (0,5 С) или менее. Опять же, это показывает, что как в разряде, так и в заряде литий превосходит.

Выбор батареи, рынки и срок службы

В зависимости от того, как вы относитесь к аккумулятору, вы можете разумно ожидать, что диапазон циклов ниже, при условии, что DOD и банки аккумуляторов имеют правильный размер для нагрузки. Рабочая температура также входит в игру. Чем горячее батарея, тем меньше она прослужит. Емкость батареи также уменьшается с температурой окружающей среды. Базовая линия для изменений из-за температуры составляет 25 градусов по Цельсию.

Выводы

Очевидно, что батареи AGM необходимо будет заменять чаще, чем литиевые. Стоит помнить об этом, поскольку это влечет за собой затраты времени, установки и транспортировки, что дополнительно сводит на нет более высокие начальные капитальные затраты на литий, так же как и более низкую стоимость зарядки лития.

Независимо от того, какой тип батареи вы выберете, с самого начала есть и капитальные затраты, и технологический риск. Если вы обладаете достаточным капиталом для более высоких первоначальных затрат на литий, вы можете обнаружить, что жизнь проще, и этот выбор является экономически эффективным с течением времени. Многое из этого зависит от знаний оператора и того, как они относятся к системе батарей. Существует старая поговорка, что батареи не умирают, они убиты. Надлежащая практика управления - это ваша страховка от раннего отказа, независимо от используемой технологии.

Литий-ионный против AGM? Выбор ваш. Настало время считать литий в морской промышленности экономически эффективным, надежным и высокопроизводительным решением. Сегодня ни один уважающий себя производитель электромобилей не будет использовать технологии аккумуляторов на основе свинцово-кислотных аккумуляторов. Время для морской индустрии наверстать упущенное?