Вы еще ничего не выбрали :(

Когда и какую аккумуляторную батарею использовать?

12 мая 2017 г.

Какой лучше аккумулятор выбрать при определенной ситуации? Почему чаще всего выбирают Li-ion? В этой статье Вы узнаете ответы на все эти и другие вопросы, касающиеся выбора аккумулятора.

АКБ батареи: Литий-ионные против AGM

На всех рынках, в последние годы, продажи литий-ионных аккумуляторов набирают обороты. Непосвященные люди, могут легко отвергнуть литий-ионные технологии в качестве дорогостоящей альтернативы технологиям VRLA (клапанно-регулируемые свинцово-кислотные аккумуляторы), таким как AGM (абсорбированный стеклянный мат), если просто посмотреть на показатель ампер-часов (Ач). Копая глубже, становится ясно, что при выборе лучших батарей для вашего решения надо учитывать гораздо больше параметров, чем просто показатели емкости (Ah, Ампер*часы).

В наши дни, выбор в водном транспорте часто сводится к сравнению литий-ионных батарей с AGM, особенно при небольших нагрузках. В приведенных ниже сравнениях, показаны Gel батареи, они имеют меньше эффективной емкости при больших токах разряда. Они стоят примерно столько же, сколько и AGM, при условии, что оба типа являются моноблоками, в отличие от 2-х вольтовых гелевых ячеек с большим временем жизни. В то время как упомянутые аккумуляторы, с влажными или залитыми жидким электролитом пластинами, свинцово-кислотные батареи (FLA) в основном не рассматриваются для этого сравнения, в основном из-за соображений безопасности и сложности обслуживания в морской среде. Это, конечно, может не распространяться на другие сферы использования.

Полезная энергия и стоимость

Общепризнанно, что самая экономичная и практичная глубина разряда (DOD) для батареи AGM составляет 50%. Для литий-железо-фосфатных (LiFePO4 или LFP) батарей, которые являются самым безопасным из основных типов литий-ионных батарей, используется 80% DOD.

Как это работает в реальном мире? Давайте рассмотрим два примера использования батарей VirtusTec 24V, и сравним используемую, доступную мощность для небольшой яхты:

  • Вариант 1: Одна литий-ионная батарея VirtusTec 24V 180Ah

Номинальное напряжение ячейки LFP составляет 3,3В. Эта батарея LFP с напряжением 26,4В, состоит из 8 ячеек, соединенных последовательно, что обеспечивает номинальную емкость 180 Ач. Доступная мощность составляет 26,4 x 180 = 4,75 кВт/ч. Полезная мощность 26,4 x 180 x 0,80 = 3,8 кВт/ч.

  • Вариант 2: Две батареиAGM Victron 12V 220Ah

Номинальное напряжение свинцово-кислотной ячейки составляет 2,0В на каждый элемент. Каждая 12-вольтовая моноблочная батарея состоит из 6 ячеек, соединенных последовательно, что обеспечивает номинал 220 Ач. При последовательном подключении двух аккумуляторов 12В 220 Ач, на выходе получается 24В и 220 Ач, а доступная мощность составляет 24,0 х 220 = 5,28 кВт/ч. Полезная мощность 24 x 220 x 0,50 = 2.64 кВт/ч.

В связи с этим возникает вопрос: какова номинальная емкость аккумуляторов AGM, эквивалентная 3,8 кВт/ч полезной мощности литий-ионного аккумулятора? Чтобы получить 3,8 кВт/ч полезной мощности от батареи AGM, она должна быть вдвое больше, это обусловлено 50% правилом глубины разряда, т.е. 3,8 x 2 = 7,6 кВт/ч. При 24В, т.е. сделав вычисление 7600 Вт / 24В, получается, что емкость батареи должна составлять 316,66 Ач, что приближается к удвоенной номинальной емкости литий-ионного аккумулятора 24В 180 Ач. Обратите внимание, что здесь не учитывается старение аккумуляторной батарей, снижение температуры или эффект более высоких нагрузок. Для батарей AGM, более высокие нагрузки вызывают бОльшую просадку напряжения, чем у лития. Основываясь на этом, можно сказать, что аккумулятор AGM должен быть в два раза больше, чем литиевый.

Что относительно цены? Используя прайс-лист VirtusTec, мы видим, что аккумулятор AGM 12В 220 Ач стоит 33 580 рублей без НДС или 153 руб / Ач. Для емкости 316,66 Ач, эквивалентная стоимость составит 48 333 рублей при 12В или 96 667 рублей при 24В. Стоимость литий-ионного аккумулятора 24В 180 Ач составляет 144 758 рублей за ту же самую полезную мощность и поэтому он стоит в 1,48 (144 758 / 96 667) раза больше (или немного меньше, если учесть множитель 2, упомянутый выше) при сравнении показателей емкости. (цены приведены на 03 Мая 2017 года)

Исходя из этого, вы могли бы сразу заключить, что литий-ионные аккумуляторы не являются экономически эффективным решением, однако полезная энергетическая мощность по сравнению с ценой является лишь частью истории.

Usable energy

Вес

Большинство значений номинальной емкости батарей, независимо от типа, указываются из расчета 20-часового цикла разряда. Это было удобно, когда нагрузки были не велики, но по мере того как количество и величина нагрузок со временем увеличились, стало необходимо учитывать большие краткосрочные, среднесрочные и долгосрочные нагрузки для различных типов оборудования. Это может привести к большому весу аккумулятора. В некоторых случаях, у нас может быть кондиционер, работающий в течение 10 часов, используя 10кВт энергии, и светодиодный свет, который за то же время использует только 100 Вт. Балансирование этих различных требований и нагрузок между собой становится ключевым фактором. Если достигать этой цели увеличивая размер аккумулятора, как показано ниже, становится ясно, насколько тяжелые свинцово-кислотные аккумуляторы уступают более легким литиевым, которые в 4 (1360/336) раза легче.

Полезная мощность

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

Как уже говорилось, для большинства аккумуляторных батарей номинальная мощность указывается с учетом 20-часового цикла разряда. На приведенном ниже рисунке показана диаграмма для свинцово-кислотной батареи, например, если бы это была батарея 100 Ач, и время разрядки составляло бы 20-часов, то можно увидеть, что рейтинг батареи 0,05C означает следующее: 100 × 0,05 = 5 Ампер в течение 20 часов = 100 Ач, пока батарея не станет полностью пустой. Поскольку мы используем только 50% батареи, мы можем видеть, что напряжение все равно будет 24В при 50% DOD и нагрузке 5А в течение 10 часов, и поэтому мы можем потребить только 50 Ач при номинальном напряжении.

Увеличение тока (как показывают графики ниже) может повлиять на доступную мощность и напряжение батареи. Этот эффект снижения емкости известен как эффект Пекерта. Чем больше нагрузка на свинцово-кислотную батарею, тем больше нужно увеличить емкость аккумулятора, чтобы снизить этот эффект. Однако при использовании лития, при нагрузке даже в 10 раз больше 0,5С, на клеммах все еще можно снимать напряжение 24В при 80% DOD / 20% SOC, не требуя увеличения номинальной мощности батареи. Именно это делает литий-феррофосфатные аккумуляторы (LiFePO4) особенно подходящей химической композицией для больших нагрузок.

Примечание:На графиках ниже показана степень разряда батареи по отношению к предельному напряжению. Обычно вы видели графики батарей AGM (GEL TROJAN, DELTA) как соотношение времени разряда и напряжение на клеммах. Причина, по которой мы использовали степень разряда (вместо времени разряда) состоит в том, что у литий-железо-фосфата более высокое и стабильное напряжение на клеммах, чем в батареях AGM, поэтому построение кривых со степенью разряда дает более точное сравнение химических компонентов. Такой график хорошо показывает, что Li ion увеличивает доступную мощность при более высоких нагрузках, а также обеспечивает более высокие и стабильные предельные напряжения. Хотя, вы можете считать это не точным способом (частично также из-за разного внутреннего сопротивления батарей), это, пожалуй, единственный верный способ сравнить технологии. Это дополнительно показано на графиках ниже.

Литий-ионная (LiFePO4) АКБ фото

Литий-ионная (Li-ion) АКБ – степень разряда по отношению к предельному напряжению:

Степень разряда свинцово-кислотной батареи фото

Свинцово-кислотная батарея — степень разряда по отношению к предельному напряжению:

 Полезная мощность (литиевая аккумуляторная батарея) фото

  Полезная мощность (литиевая аккумуляторная батарея):

 Полезная мощность (свинцово-кислотная батарея) фото

Полезная мощность (свинцово-кислотная батарея):

Эффективность заряда

Многое, из того что мы видели в процессе разряда, также верно в обратном процессе — зарядке. Не пугайтесь больших размеров генераторов, показанных ниже, так как это просто показывается ряд сценариев. Решения масштабируемы в принципе. Сначала, сравним эффективность заряда свинцово-кислотной батареи слева с литиевой справа во время полного цикла зарядки. Зарядка последних 20% свинцово-кислотных аккумуляторов всегда медленная и неэффективная по сравнению с литием. Это подтверждается расходами на топливо (или на любые другие источники заряда, которые вы используете) на изображениях ниже. Обратите внимание на разницу во времени заряда.

Примечание: Скорость заряда

Рекомендуемая скорость заряда для AGM-батарей большого размера составляет 0,2C, то есть 120A для батареи емкостью 600 Ач, состоящей из параллельных блоков по 200 Ач.

Более высокие скорости заряда будут нагревать батарею (температурная компенсация, контроль напряжения и хорошая вентиляция абсолютно необходимы в этом случае для предотвращения теплового разгона), и из-за внутреннего сопротивления, напряжение поглощения будет достигнуто, когда батарея зарядится только на 60%, или меньше, что приводит к увеличению времени абсорбции, необходимой для полной зарядки аккумулятора.

Таким образом, высокая скорость заряда не приведет к значительному сокращению времени заряда свинцово-кислотной аккумуляторной батареи.

Для сравнения: литиевая аккумуляторная батарея 200 Ач может заряжаться током до 500А, однако рекомендуемая скорость заряда для максимального срока службы составляет 100A (0,5C) или даже меньше. Опять же это показывает, что и в разряде, и в заряде литий превосходит свинцово-кислотные батареи.

;Заряд свинцово-кислотной аккумуляторной батареи

Заряд свинцово-кислотной аккумуляторной батареи фото

Заряд свинцово-кислотной аккумуляторной батареи фото

Выбор аккумуляторной батареи, сферы применения и жизненный цикл

В зависимости от того, как вы относитесь к батарее, можно разумно ожидать, что количество циклов заряда-разряда будет меньше, при условии, что глубина разряда и емкость батареи правильно рассчитаны для используемых нагрузок. Рабочая температура также играет роль. Чем горячее батарея, тем меньше будет время ее жизни. Емкость аккумулятора также уменьшается при высокой температуре окружающей среды. Базовая линия для вариаций, связанных с температурой, составляет 25 градусов по Цельсию.

 Выбор аккумуляторной батареи фото

Выбор аккумуляторной батареи фото

Выбор аккумуляторной батареи фото

Заключение

Очевидно, что батареи AGM необходимо будет заменять чаще, чем Li-ion. Это стоит иметь в виду, поскольку это влечет за собой затраты, а также требуется время на установку и транспортировку, что в дальнейшем оправдывает более высокие первоначальные капитальные затраты на литиевые батареи, а также более низкие затраты на их подзарядку.

Независимо от того, какой аккумулятор вы выберете, вначале есть и капитальные затраты, и технологический риск. Если вы обладаете достаточным капиталом для более высоких первоначальных затрат на литиевые батареи, вы можете обнаружить, что ваша жизнь будет проще и этот выбор становится экономически эффективным с течением времени. Многое зависит от знаний пользователей и того, как они относятся к аккумуляторной системе. Существует старая поговорка, в которой говорится, что батареи не умирают, их убивают. Хорошее техническое управление — это ваша страховка от раннего отказа батареи, независимо от используемой технологии.

Так что же выбрать, литий-ионный аккумулятор или AGM? Выбирать вам. Лично мы считаем, что настало время рассматривать литиевые батареи на водном транспорте как экономически эффективное, надежное и высокопроизводительное решение.

comments powered by HyperComments