Когда какую батарею использовать? Литий-ионный против AGM

В последние годы на всех рынках все большую популярность набирают литий-ионные аккумуляторы . Непосвященным легко отмахнуться от литий-ионных технологий как от дорогой альтернативы технологиям VRLA (свинцово-кислотные технологии с клапанным регулированием), таким как AGM (поглощающий стекломат), если просто посмотреть на номинал в ампер-часах (Ач). Это была первая ошибка, которую я совершил несколько лет назад. Копнув глубже, мне стало ясно, что при выборе лучших аккумуляторов для вашего применения следует учитывать гораздо больше, чем просто номинал Ач.

В приведенных ниже сравнениях показаны гелевые батареи, но они имеют меньшую эффективную емкость при высоких токах разряда. Они стоят примерно так же, как AGM, при условии, что оба типа являются моноблоками, а не гелевыми элементами с длительным сроком службы 2 В. Батареи с мокрыми элементами или свинцово-кислотные аккумуляторы с затопленным электролитом (FLA), хотя и упоминаются, не рассматриваются в данном конкретном сравнении, в первую очередь из-за соображений технического обслуживания и безопасности в морской среде. Это, конечно, может не относиться к другим рынкам.

Полезная энергия и стоимость

Принято считать, что наиболее экономичная и практичная глубина разряда (DOD) для батареи AGM составляет 50%. Для литий-железо-фосфатных (LiFePO4 или LFP), которые являются самыми безопасными из основных типов литий-ионных аккумуляторов, используется 80% DOD.

Как это происходит в реальном мире? Давайте возьмем два примера аккумуляторов на 24 В и сравним полезную энергию для небольшой яхты:
1 x литий-ионный 24 В 180 Ач.

Номинальное напряжение элемента LFP составляет 3,3 В. Этот аккумулятор LFP на 26,4 В состоит из 8 ячеек, соединенных последовательно с 180 В. Ах, рейтинг. Доступная энергия составляет 26,4 x 180 = 4,75 кВтч. Полезная энергия составляет 26,4 х 180 х 0,80 = 3,8 кВтч.
2 x AGM 12 В 220 Ач.

Номинальное напряжение свинцово-кислотного элемента составляет 2,0 В/элемент. Каждая моноблочная батарея напряжением 12 В состоит из 6 последовательно соединенных ячеек емкостью 220 Ач. При последовательном соединении 2 аккумуляторов 12 В 220 Ач для получения 24 В и 220 Ач доступная энергия составит 24,0 x 220 = 5,28 кВтч. Полезная энергия составляет 24 х 220 х 0,50 = 2,64 кВтч.

Возникает вопрос: какой номинал Ач аккумуляторов AGM будет эквивалентен полезной энергии литий-ионного аккумулятора емкостью 3,8 кВтч? Чтобы получить 3,8 кВтч полезной энергии от батареи AGM, для начала она должна быть вдвое большего размера из-за правила экономии 50% DOD, то есть 3,8 x 2 = 7,6 кВтч. При 24 В это будет означать 7600/24, что дает нам емкость аккумулятора 316,66 Ач, что почти вдвое превышает номинальную емкость литий-ионного аккумулятора 24 В 180 Ач. Обратите внимание, что при этом не учитываются старение аккумуляторов, снижение характеристик из-за температуры или влияние более высоких нагрузок. Для аккумуляторов AGM более высокие нагрузки оказывают больший эффект, чем для литиевых. См. раздел «Полезная энергия: влияние на разрядную емкость и напряжение при различных нагрузках» ниже. Основываясь на всем этом, разумно сказать, что емкость батареи AGM должна быть вдвое больше, чем у литиевой.

Вес

Большинство аккумуляторов с номинальной емкостью Ач, независимо от типа, указаны из расчета на 20 часов работы. Это было нормально во времена легких нагрузок, но поскольку количество 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 светодиодным освещением, потребляющим за это время 100 Вт. Балансирование этих различных требований и всех промежуточных нагрузок становится ключевым моментом. Благодаря большой упаковке, показанной ниже, для достижения этой цели становится ясно, насколько тяжелая свинцово-кислотная кислота может сравниться с литием. 1360/336 = в 4 раза тяжелее.

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

Как указывалось ранее, номинальная емкость большинства аккумуляторов в Ач указана из расчета на 20 часов работы. На изображении ниже для свинцово-кислотной батареи, если бы это была батарея емкостью 100 Ач при работе в течение 20 часов, вы можете видеть, что 0,05C означает 100 x 0,05 = 5 Ампер в течение 20 часов = 100 Ач, доступных до тех пор, пока батарея полностью не разрядится. Поскольку мы используем только 50% батареи, мы видим, что напряжение по-прежнему будет 24 В при 50% DOD при нагрузке 5 А в течение 10 часов, и, следовательно, мы бы потребили 50 Ач.

Увеличение потребляемого тока (как показано на графиках ниже) может повлиять на доступную полезную энергию и напряжение батареи. Это эффективное снижение рейтинга известно как эффект Пейкерта. При использовании свинцово-кислотных аккумуляторов, чем выше нагрузка, тем больше вам нужно увеличить емкость аккумулятора в Ач, чтобы облегчить эту проблему. Однако при использовании лития нагрузка даже в 10 раз выше при температуре 0,5C все равно может иметь напряжение на клеммах 24 В при 80% DOD/20% SOC, без увеличения номинала батареи в Ач. Именно это делает литий особенно подходящим для высоких нагрузок.

Примечание. На графиках ниже показана зависимость разрядной емкости от напряжения на клеммах. Обычно вы увидите графики AGM как время разряда в зависимости от напряжения на клеммах. Причина, по которой мы отображаем разрядную емкость (вместо времени разряда), заключается в том, что литий имеет более высокое и стабильное напряжение на клеммах, чем AGM, поэтому построение кривых с учетом разрядной емкости дает более точное сравнение химических свойств, показывая, что литий увеличивает полезную энергию. при более высоких нагрузках благодаря более высоким и стабильным напряжениям на клеммах. Хотя вы можете считать это серой зоной (отчасти из-за разного внутреннего сопротивления батарей), это, вероятно, единственный верный способ сравнить технологии. Это дополнительно продемонстрировано на изображениях под графиками.

Литий – разрядная емкость в зависимости от напряжения на клеммах


Свинцово-кислотные – разрядная емкость в зависимости от напряжения на клеммах

Полезная энергия (свинцово-кислотная)

Полезная энергия (литий)

Эффективность зарядки

Многое из того, что мы видели в процессе разрядки, справедливо и для обратного процесса зарядки. Не пугайтесь больших размеров генераторов, показанных ниже, поскольку в этом блоге просто показан ряд сценариев. Решения в принципе масштабируемы. Сначала давайте сравним эффективность зарядки свинцово-кислотных аккумуляторов слева и литиевых аккумуляторов справа в течение полного цикла зарядки. Зарядка последних 20% свинцово-кислотных аккумуляторов всегда медленная и неэффективная по сравнению с литиевыми. Это подтверждается расходами на топливо (или какой бы источник зарядки вы ни использовали) на изображениях ниже. Обратите также внимание на разницу во времени зарядки.

Примечание: Скорость зарядки
Рекомендуемая скорость зарядки для аккумуляторов AGM большого размера составляет 0,2C, т.е. 120 А для аккумулятора на 600 А, состоящего из параллельных блоков емкостью 200 Ач.
Более высокая скорость зарядки приведет к нагреву аккумулятора (в этом случае абсолютно необходимы температурная компенсация, измерение напряжения и хорошая вентиляция для предотвращения теплового разгона), а из-за внутреннего сопротивления напряжение абсорбции будет достигнуто, когда аккумулятор заряжен только на 60 %. или меньше, что приводит к увеличению времени поглощения, необходимого для полной зарядки аккумулятора.
Таким образом, высокая скорость зарядки не приведет к существенному сокращению времени зарядки свинцово-кислотной батареи.
Для сравнения: литиевую батарею емкостью 200 Ач можно заряжать током до 500 А, однако рекомендуемая скорость зарядки для максимального срока службы составляет 100 А (0,5 С) или меньше. Это снова показывает, что как при разряде, так и при заряде литий превосходит.

Выбор батарей, рынки и срок службы циклов

В зависимости от того, как вы относитесь к батарее, вы можете разумно рассчитывать на диапазон циклов, указанный ниже, при условии, что Министерство обороны США и аккумуляторные батареи имеют правильный размер для нагрузок. Рабочая температура также имеет значение. Чем горячее аккумулятор, тем меньше времени он прослужит. Емкость аккумулятора также снижается с изменением температуры окружающей среды. Базовая линия для изменений в зависимости от температуры составляет 25 градусов по Цельсию.

Выводы

Очевидно, что батареи AGM придется заменять чаще, чем литиевые. Стоит иметь это в виду, поскольку это влечет за собой затраты времени, установки и транспортировки, что еще больше сводит на нет более высокие первоначальные капитальные затраты на литий, а также более низкую стоимость перезарядки лития.

Независимо от того, какую батарею вы выберете, с самого начала существует как капитальные затраты, так и технологический риск. Если у вас есть капитал для более высоких первоначальных затрат на литий, вы можете обнаружить, что жизнь стала проще и что со временем этот выбор станет экономически эффективным. Во многом это зависит от знаний оператора и того, как он обращается с аккумуляторной системой. Есть старая поговорка: батарейки не умирают, они умирают. Хорошие методы управления — это ваша страховка от преждевременных неудач, независимо от используемой технологии.

Литий-ионный или AGM? Выбор ваш. Настало время рассмотреть литий в морской промышленности как экономически эффективное, надежное и высокопроизводительное решение. Ни один уважающий себя производитель электромобилей сегодня не будет использовать технологии свинцово-кислотных аккумуляторов. Пришло ли время морской отрасли наверстать упущенное?