Na wszystkich rynkach w ostatnich latachBaterie litowo-jonowezyskiwały przyczepność. Dla niewtajemniczonych łatwo jest odrzucić litowo-jonowy jako kosztowną alternatywę dla technologii VRLA (kwasowo-ołowiowy regulowany zaworem), takiej jak AGM (mata szklana pochłaniana), jeśli spojrzy się na wskaźnik amperogodzin (Ah). To był początkowy błąd, który popełniłem kilka lat temu. Głębsze kopanie stało się dla mnie jasne, że przy wyborze najlepszych akumulatorów do zastosowania należy wziąć pod uwagę znacznie więcej niż wartości Ah.

W poniższych porównaniach, gdy pokazano akumulatory żelowe, mają one niższą efektywną pojemność przy wysokich prądach rozładowania. Kosztują mniej więcej tyle samo, co AGM, zakładając, że oba typy są monoblokami, w przeciwieństwie do komórek żelowych 2 V o długiej żywotności. Wymienione mokre ogniwa lub zalane akumulatory ołowiowo-kwasowe (FLA) nie są brane pod uwagę w przypadku tego szczególnego porównania, głównie ze względu na względy konserwacji i bezpieczeństwa w środowisku morskim. To oczywiście może nie dotyczyć innych rynków.

Użyteczna energia i koszty

Ogólnie przyjmuje się, że najbardziej ekonomiczna i praktyczna głębokość rozładowania (DOD) dla baterii AGM wynosi 50%. W przypadku fosforanu litowo-żelazowego (LiFePO4 lub LFP), który jest najbezpieczniejszym z głównych typów akumulatorów litowo-jonowych, stosuje się 80% DOD.

Jak to działa w prawdziwym świecie? Weźmy dwa przykłady akumulatorów 24 V i porównajmy użyteczną energię dla małego jachtu:
1 x litowo-jonowy 24 V 180 Ah

Napięcie nominalne ogniwa LFP wynosi 3,3 V. Ten akumulator 26,4 V LFP składa się z 8 ogniw połączonych szeregowo o wartości znamionowej 180 Ah. Dostępna energia wynosi 26,4 x 180 = 4,75 kWh. Energia użyteczna wynosi 26,4 x 180 x 0,80 = 3,8 kWh.
2 x AGM 12 V 220 Ah

Napięcie nominalne ogniwa kwasowo-ołowiowego wynosi 2,0 V / ogniwo. Każdy monoblokowy akumulator 12 V składa się z 6 ogniw połączonych szeregowo o wartości znamionowej 220 Ah. Łącząc szeregowo akumulatory 2 x 12 V 220 Ah szeregowo, aby uzyskać napięcie 24 V i 220 Ah, dostępna energia wynosi 24,0 x 220 = 5,28 kWh. Energia użyteczna wynosi 24 x 220 x 0,50 = 2,64 kWh.

To nasuwa pytanie, jaka ocena Ah akumulatorów AGM byłaby równoważna 3,8 kWh energii użytkowej akumulatora litowo-jonowego? Aby uzyskać 3,8 kWh energii użytecznej z akumulatora AGM, musiałby być dwa razy większy, aby zacząć od reguły 50% DOD, tj. 3,8 x 2 = 7,6 kWh. Przy 24 V oznaczałoby to 7600/24, co daje nam akumulator o wartości 316.66 Ah, który zbliża się do dwukrotności pojemności znamionowej litowo-jonowej 24 V 180 Ah. Uwaga: nie bierze to pod uwagę, starzenia się akumulatorów, obniżania temperatury lub wpływu wyższych obciążeń. W przypadku akumulatorów AGM większe obciążenia mają większy wpływ niż na lit. Patrz rozdział - Energia użyteczna: wpływ na pojemność rozładowania i napięcie przy różnych obciążeniach, poniżej. Opierając się na tym wszystkim, uzasadnione jest stwierdzenie, że bateria AGM będzie musiała być dwa razy większa niż Ah w porównaniu z baterią litową.

Waga

Większość znamionowych akumulatorów Ah niezależnie od typu jest określana według stawki 20-godzinnej. W czasach niewielkich obciążeń było to w porządku, ale ponieważ liczba ładunków i ich rozmiar z czasem wzrosły, musimy również przyjrzeć się wysokim obciążeniom krótkookresowym, średnio- i długoterminowym dla różnych rodzajów urządzeń. Może to oznaczać duży zestaw akumulatorów. W skrajnych przypadkach możemy mieć klimatyzację działającą przez 10 godzin przy mocy 10 kW, w porównaniu do światła LED o mocy 100 watów w tym czasie. Kluczem staje się zrównoważenie tych różnych wymagań i wszystkich obciążeń między nimi. Dzięki dużej paczce, jak pokazano poniżej, staje się jasne, jak ciężki kwas ołowiowy można porównać do litu. 1360/336 = 4 razy cięższy.

Energia użyteczna: wpływ na pojemność rozładowania i napięcie przy różnych obciążeniach

Jak wspomniano wcześniej, większość akumulatorów Ah jest podana w stawce 20 godz. Na poniższym obrazie dla akumulatora kwasowo-ołowiowego, jeśli byłby to akumulator 100 Ah z szybkością 20 godzin, widać, że 0,05C oznacza 100 x 0,05 = 5 amperów przez 20 godzin = 100 Ah dostępne, aż akumulator będzie całkowicie rozładowany. Ponieważ zużywamy tylko 50% baterii, widzimy, że napięcie będzie nadal wynosić 24 V przy 50% DOD dla obciążenia 5 A przez 10 godzin, a zatem zużylibyśmy 50 Ah.

Zwiększenie poboru prądu (jak pokazano na poniższych wykresach) może wpłynąć na dostępną energię użytkową i napięcie akumulatora. Ten skuteczny skurcz w rankingu znany jest jako efekt Peukerta. W przypadku kwasu ołowiowego im większe obciążenie, tym bardziej trzeba zwiększyć pojemność Ah akumulatora, aby to złagodzić. Jednak w przypadku litu obciążenie nawet 10-krotnie większe w 0,5 ° C może nadal mieć napięcie końcowe 24 V przy 80% DOD / 20% SOC, bez zwiększania wartości znamionowej akumulatora. Właśnie dlatego lit nadaje się szczególnie do dużych obciążeń.

Uwaga: Na poniższych wykresach pokazano Wydajność rozładowania a napięcie na zaciskach. Zazwyczaj wykresy AGM są wyświetlane jako czas rozładowania vs napięcie na zaciskach. Powodem, dla którego wykreślamy Pojemność rozładowania (zamiast Czas rozładowania) jest to, że lit ma wyższe i bardziej stabilne napięcie końcowe niż AGM, więc wykreślanie krzywych z uwzględnieniem pojemności rozładowania daje dokładniejsze porównanie chemii, pokazując, że lit zwiększa użyteczną energię przy wyższych obciążeniach z powodu wyższych i bardziej stabilnych napięć na zaciskach. Chociaż można uznać to za szary obszar (częściowo również ze względu na zmienną wewnętrzną rezystancję akumulatorów), jest to prawdopodobnie jedyny prawdziwy sposób na porównanie technologii. Jest to dodatkowo zademonstrowane na obrazach poniżej wykresów.

Lit - pojemność rozładowania a napięcie na zaciskach


Kwas ołowiowy - pojemność rozładowania a napięcie na zaciskach

Użyteczna energia (kwas ołowiowy)

Użyteczna energia (lit)

Efektywność ładowania

Wiele, co widzieliśmy w procesie rozładowania, jest również prawdziwe w odwrotnym procesie ładowania. Nie zniechęcaj się pokazanymi poniżej dużymi generatorami, ponieważ ten blog pokazuje jedynie szereg scenariuszy. Rozwiązania są zasadniczo skalowalne. Najpierw porównajmy efektywność ładowania kwasu ołowiowego po lewej stronie do litu po prawej, podczas pełnego cyklu ładowania. Ładowanie ostatnich 20% akumulatorów ołowiowo-kwasowych jest zawsze wolne i nieefektywne w porównaniu z litem. Jest to odzwierciedlone w kosztach paliwa (lub jakimkolwiek źródle ładowania, którego używasz) na obrazach poniżej. Zwróć też uwagę na różnicę w czasie ładowania.

Uwaga: stawki opłat
Zalecana szybkość ładowania dla dużych akumulatorów AGM wynosi 0,2 ° C, tj. 120 A dla akumulatora 600 A składającego się z równoległych bloków 200 Ah.
Wyższe prędkości ładowania nagrzeją akumulator (kompensacja temperatury, wykrywanie napięcia i dobra wentylacja są absolutnie potrzebne w takim przypadku, aby zapobiec niekontrolowanemu wzrostowi temperatury), a ze względu na rezystancję wewnętrzną napięcie absorpcyjne zostanie osiągnięte, gdy akumulator zostanie naładowany tylko w 60% lub mniej, co skutkuje dłuższym czasem absorpcji potrzebnym do pełnego naładowania akumulatora.
W związku z tym ładowanie z dużą szybkością nie skróci znacząco czasu ładowania akumulatora ołowiowo-kwasowego.
Dla porównania, bateria litowa 200 Ah może być ładowana do 500 A, jednak zalecana szybkość ładowania dla maksymalnego cyklu życia wynosi 100 A (0,5 ° C) lub mniej. Ponownie pokazuje to, że zarówno pod względem rozładowania, jak i ładunku lit jest lepszy.

Wybór baterii, rynki i cykl życia

W zależności od tego, jak traktujesz akumulator, możesz rozsądnie spodziewać się poniższego zakresu cykli, pod warunkiem, że DOD i baterie akumulatorów będą odpowiednio dobrane do obciążeń. W grę wchodzi również temperatura robocza. Im cieplejsza bateria, tym krócej będzie działać. Pojemność baterii zmniejsza się również wraz z temperaturą otoczenia. Linia bazowa dla zmian spowodowanych temperaturą wynosi 25 stopni Celsjusza.

Wnioski

Oczywiście akumulatory AGM będą musiały być wymieniane częściej niż lit. Warto o tym pamiętać, ponieważ pociąga to za sobą czas, koszty instalacji i transportu, co dodatkowo neguje wyższy początkowy koszt kapitału litu, podobnie jak niższe koszty ładowania litu.

Niezależnie od tego, jaki wybierzesz akumulator, od samego początku wiąże się to zarówno z kosztem inwestycyjnym, jak i ryzykiem technologicznym. Jeśli jesteś w stanie dysponować kapitałem na wyższe koszty początkowe litu, może się okazać, że życie jest łatwiejsze i że wybór ten jest opłacalny w miarę upływu czasu. Wiele z tego zależy od wiedzy operatora i tego, jak traktują system akumulatorowy. Jest stare powiedzenie, że baterie nie umierają, są zabijane. Dobre praktyki zarządzania są ubezpieczeniem na wypadek wczesnego niepowodzenia, niezależnie od zastosowanej technologii.

Litowo-jonowy vs AGM? Wybór nalezy do ciebie. Nadszedł czas, aby rozważyć lit w przemyśle morskim jako opłacalne, niezawodne i wydajne rozwiązanie. Żaden szanujący się producent pojazdów elektrycznych nadal nie używałby dziś technologii akumulatorów ołowiowych. Czas, aby przemysł morski nadrobił zaległości?