Kiedy używać jakiego akumulatora? Litowo-jonowy vs AGM

W ostatnich latach na wszystkich rynkach akumulatory litowo-jonowe zyskują na popularności. Niewtajemniczonym łatwo jest odrzucić akumulator litowo-jonowy jako kosztowną alternatywę dla technologii VRLA (kwasowo-ołowiowy z regulacją zaworów), takich jak AGM (mata szklana z absorpcją), jeśli spojrzy się po prostu na amperogodzinę (Ah). To był pierwszy błąd, jaki popełniłem kilka lat temu. Kopiąc głębiej, stało się dla mnie jasne, że przy wyborze najlepszych akumulatorów do danego zastosowania należy wziąć pod uwagę znacznie więcej niż tylko wartości Ah.

W poniższych porównaniach pokazano akumulatory żelowe, ale mają one niższą efektywną pojemność przy wysokich prądach rozładowania. Kosztują mniej więcej tyle samo, co akumulatory AGM, zakładając, że oba typy są monoblokami, w przeciwieństwie do ogniw żelowych 2 V o długiej żywotności. Akumulatory z mokrymi ogniwami lub akumulatory kwasowo-ołowiowe (FLA), o których mowa, nie są brane pod uwagę jako sedno tego konkretnego porównania, głównie ze względów konserwacyjnych i bezpieczeństwa w środowisku morskim. Może to oczywiście nie dotyczyć innych rynków.

Energia użytkowa i koszt

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

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

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

Napięcie znamionowe ogniwa kwasowo-ołowiowego wynosi 2,0 V/ogniwo. Każdy akumulator monoblokowy 12 V składa się z 6 ogniw połączonych szeregowo i ma pojemność 220 Ah. Łącząc szeregowo 2 akumulatory 12 V 220 Ah, uzyskując 24 V i 220 Ah, dostępna energia wynosi 24,0 x 220 = 5,28 kWh. Energia użytkowa wynosi 24 x 220 x 0,50 = 2,64 kWh.

Nasuwa się pytanie, jaka wartość Ah akumulatorów AGM byłaby odpowiednikiem 3,8 kWh energii użytkowej akumulatora litowo-jonowego? Aby uzyskać 3,8 kWh użytecznej energii z akumulatora AGM, musiałby on być dwa razy większy na początek ze względu na zasadę 50% oszczędności DOD, tj. 3,8 x 2 = 7,6 kWh. Przy 24 V oznaczałoby to 7600/24, co daje nam pojemność akumulatora 316,66 Ah, czyli prawie dwukrotnie większą niż pojemność znamionowa akumulatora litowo-jonowego 24 V 180 Ah. Należy pamiętać, że nie uwzględnia to starzenia się akumulatorów, obniżenia temperatury lub wpływu wyższych obciążeń. W przypadku akumulatorów AGM większe obciążenia mają większy wpływ niż w przypadku akumulatorów litowych. Zobacz sekcję – Energia użytkowa: wpływ na pojemność rozładowania i napięcie przy różnych obciążeniach poniżej. Na podstawie tego wszystkiego rozsądne jest stwierdzenie, że akumulator AGM będzie musiał mieć dwukrotnie większą wartość Ah niż akumulator litowy.

Masa

Większość wartości Ah akumulatorów, niezależnie od typu, jest podana przy obciążeniu 20-godzinnym. Było to w porządku w czasach lekkich ładunków, ale ponieważ liczba ładunków i wielkość ładunków rosły z biegiem czasu, musimy również przyjrzeć się wysokim obciążeniom krótkoterminowym, średnio- i długoterminowym dla różnych typów sprzętu. Może to oznaczać duży zestaw baterii. W skrajnych przypadkach klimatyzacja może działać przez 10 godzin, zużywając 10 kW, w porównaniu do oświetlenia LED zużywającego w tym czasie 100 W. Kluczowe staje się zrównoważenie tych różnych wymagań i wszystkich obciążeń pomiędzy nimi. Dzięki dużemu opakowaniu, jak pokazano poniżej, staje się jasne, jak ciężki kwas ołowiowy można porównać do litu. 1360/336 = 4 razy cięższy.

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

Jak wspomniano wcześniej, większość akumulatorów podaje wartość Ah w cyklu 20-godzinnym. Na poniższym obrazku przedstawiającym akumulator kwasowo-ołowiowy, jeśli byłby to akumulator 100 Ah przy szybkości ładowania 20 godzin, widać, że 0,05°C oznacza 100 x 0,05 = 5 amperów przez 20 godzin = 100 Ah dostępne do całkowitego rozładowania akumulatora. Ponieważ zużywamy tylko 50% akumulatora, widzimy, że napięcie będzie nadal wynosić 24 V przy 50% DOD przy obciążeniu 5 A przez 10 godzin, a zatem zużylibyśmy 50 Ah.

Zwiększanie poboru prądu (jak pokazują poniższe wykresy) może mieć wpływ na dostępną energię użytkową i napięcie akumulatora. To efektywne zmniejszenie wartości znamionowej jest znane jako efekt Peukerta. W przypadku kwasu ołowiowego im większe obciążenie, tym bardziej trzeba zwiększyć pojemność Ah akumulatora, aby temu zaradzić. Jednak w przypadku litu obciążenie nawet 10 razy większe przy 0,5°C może nadal mieć napięcie na zaciskach 24 V przy 80% DOD/20% SOC, bez zwiększania wartości Ah akumulatora. To właśnie sprawia, że ​​lit jest szczególnie odpowiedni do dużych obciążeń.

Uwaga: Na poniższych wykresach pokazano pojemność rozładowania w funkcji napięcia na zaciskach. Zwykle zobaczysz wykresy AGM jako czas rozładowania w funkcji napięcia na zaciskach. Powodem, dla którego wykreślamy pojemność rozładowania (zamiast czasu rozładowania), jest to, że lit ma wyższe i stabilniejsze napięcie końcowe niż AGM, więc wykreślenie krzywych z uwzględnieniem pojemności rozładowania daje dokładniejsze porównanie składu chemicznego, pokazując, że lit zwiększa energię użyteczną przy wyższych obciążeniach ze względu na wyższe i stabilniejsze napięcia na zaciskach. Chociaż możesz uznać to za szarą strefę (częściowo również ze względu na różną rezystancję wewnętrzną akumulatorów), jest to prawdopodobnie jedyny prawdziwy sposób porównania technologii. Zostało to dodatkowo pokazane na obrazach pod wykresami.

Lit – pojemność rozładowania w funkcji napięcia na zaciskach.


Kwas ołowiowy – pojemność wyładowania w funkcji napięcia na zaciskach

Energia użytkowa (kwas ołowiowy)

Energia użytkowa (lit)

Wydajność ładowania

Wiele z tego, co widzieliśmy w procesie rozładowywania, dotyczy również odwrotnego procesu ładowania. Nie zniechęcaj się dużymi rozmiarami generatorów pokazanymi poniżej, ponieważ ten blog pokazuje jedynie szereg scenariuszy. Rozwiązania są z zasady skalowalne. Najpierw porównajmy wydajność ładowania kwasu ołowiowego po lewej stronie i litu po prawej stronie podczas pełnego cyklu ładowania. Ładowanie ostatnich 20% akumulatora wykonanego w technologii kwasowo-ołowiowej jest zawsze powolne i nieefektywne w porównaniu z akumulatorem litowym. Znajduje to odzwierciedlenie w kosztach paliwa (lub innego źródła ładowania, z którego korzystasz) na zdjęciach poniżej. Zwróć także uwagę na różnicę w czasie ładowania.

Uwaga: Szybkość ładowania
Zalecana szybkość ładowania dla akumulatorów AGM o dużych rozmiarach wynosi 0,2C, tj. 120A dla akumulatora 600A składającego się z połączonych równolegle bloków 200Ah.
Wyższe szybkości ładowania spowodują nagrzanie akumulatora (w takim przypadku absolutnie konieczna jest kompensacja temperatury, wykrywanie napięcia i dobra wentylacja, aby zapobiec uciekaniu ciepła), a ze względu na rezystancję wewnętrzną napięcie absorpcji zostanie osiągnięte, gdy akumulator będzie naładowany tylko w 60%. lub mniej, co powoduje dłuższy czas absorpcji potrzebny do pełnego naładowania akumulatora.
Ładowanie z dużą szybkością nie skróci zatem znacząco czasu ładowania akumulatora wykonanego w technologii kwasowo-ołowiowej.
Dla porównania, akumulator litowy 200Ah można ładować prądem do 500A, jednakże zalecana szybkość ładowania zapewniająca maksymalny cykl życia wynosi 100A (0,5C) lub mniej. Ponownie pokazuje to, że zarówno pod względem rozładowywania, jak i ładowania, lit jest lepszy.

Wybór akumulatorów, rynki i żywotność akumulatorów

W zależności od sposobu postępowania z akumulatorem można rozsądnie spodziewać się poniższego zakresu cykli, pod warunkiem, że DOD i banki akumulatorów zostaną odpowiednio dobrane do obciążeń. Ważna jest także temperatura pracy. Im cieplejsza bateria, tym krócej będzie działać. Pojemność baterii zmniejsza się również wraz z temperaturą otoczenia. Punktem odniesienia dla zmian spowodowanych temperaturą jest 25 stopni Celsjusza.

Wnioski

Bez wątpienia akumulatory AGM będą wymagały częstszej wymiany niż akumulatory litowe. Warto o tym pamiętać, ponieważ wiąże się to z kosztami czasu, instalacji i transportu, co dodatkowo neguje wyższy początkowy koszt inwestycyjny litu, podobnie jak niższy koszt ładowania litu.

Niezależnie od tego, jakiego akumulatora dokonasz, na początku wiąże się to zarówno z kosztami kapitałowymi, jak i ryzykiem technologicznym. Jeśli dysponujesz kapitałem na wyższe początkowe koszty litu, może się okazać, że życie jest łatwiejsze, a wybór ten będzie z czasem opłacalny. Wiele zależy od wiedzy operatora i sposobu, w jaki traktuje on system akumulatorowy. Jest takie stare powiedzenie, że baterie nie umierają, one są zabijane. Dobre praktyki zarządzania stanowią zabezpieczenie przed wczesną awarią, niezależnie od zastosowanej technologii.

Litowo-jonowy czy AGM? Wybór nalezy do ciebie. Nadszedł właściwy czas, aby rozważyć lit w przemyśle morskim jako opłacalne, niezawodne i wydajne rozwiązanie. Żaden szanujący się producent pojazdów elektrycznych nie stosowałby dziś technologii akumulatorów na bazie kwasu ołowiowego. Czas, aby branża morska nadrobiła zaległości?