Литий-ионный аккумулятор или AGM-аккумулятор? Выбор за Вами.
В последние годы литий-ионные аккумуляторы набирают популярность на всех рынках. Непосвященному человеку легко отмахнуться от литий-ионных аккумуляторов как от дорогостоящей альтернативы технологиям VRLA (свинцово-кислотные аккумуляторы с клапанным регулированием), таким как AGM (аккумуляторы с абсорбированным электролитом), если просто смотреть на показатель ёмкости в виде ампер-часов (А·ч). Покопавшись глубже, мы понимаем, что при выборе лучших аккумуляторов для вашего индивидуального применения нужно учитывать не только показатель А·ч.
Литий-ионные аккумуляторы в сравнении с AGM-аккумуляторами
Выбор в наши дни, особенно при более высоких нагрузках на аккумуляторные батареи, часто сводится к выбору между литий-ионными и гелевыми аккумуляторами. В приведённых ниже сравнениях показаны гелевые аккумуляторы, но они имеют меньшую эффективную ёмкость при высоких токах разряда. Свинцово-кислотные аккумуляторы с жидким электролитом (FLA), несмотря на их популярность, не рассматриваются в данном сравнении в первую очередь из-за высоких требований к обслуживанию, безопасности эксплуатации и хранении в окружающей среде.
Литий-ионные аккумуляторы в сравнении с AGM-аккумуляторами
Полезная энергия и стоимость
Принято считать, что наиболее экономичная и практичная глубина разряда (DOD) для AGM-аккумулятора составляет 50%. Для литий-железо-фосфатных аккумуляторов (LiFePO4 или LFP), которые являются самыми безопасными из основных типов литий-ионных аккумуляторов, используется 80% DOD.
Как это работает в реальном мире? Давайте возьмём два примера аккумуляторов Victron 24 В и сравним количество полезной энергии:
1. литий-ионный аккумулятор Victron 24 В 180 Ач.
Номинальное напряжение элемента LFP составляет 3,3 В. эта батарея LFP напряжением 26,4 В состоит из 8 последовательно соединённых элементов ёмкостью 180 Ач. Доступная энергия составляет 26,4 x 180 = 4,75 кВт·ч.
Полезная энергия составляет 26,4 x 180 x 0,80 = 3,8 кВт·ч.
2. Victron AGM 12 В 220 Ач.
Номинальное напряжение свинцово-кислотного элемента составляет 2,0 В на элемент. Каждый моноблочный аккумулятор на 12 В состоит из 6 последовательно соединённых элементов ёмкостью 220 Ач. При последовательном соединении двух аккумуляторов на 12 В ёмкостью 220 Ач получается 24 В и 220 Ач, а доступная энергия составляет 24,0 x 220 = 5,28 кВт·ч.
Полезная энергия составляет 24 x 220 x 0,50 = 2,64 кВт⋅ч
В связи с этим возникает вопрос: какой номинал Ач у аккумуляторов AGM будет эквивалентен 3,8 кВт·ч полезной энергии литий-ионного аккумулятора? Чтобы получить 3,8 кВт·ч полезной энергии от аккумулятора AGM, он должен быть в два раза больше из-за правила экономии 50%, то есть 3,8 x 2 = 7,6 кВт·ч. При напряжении 24 В это означает 7600/24, что даёт нам номинальную ёмкость аккумулятора 316,66 Ач, что примерно в два раза превышает номинальную ёмкость литий-ионного аккумулятора 24 В 180 Ач. Обратите внимание, что это не учитывает старение аккумуляторов, снижение ёмкости при повышении температуры или влияние более высоких нагрузок. Для аккумуляторов AGM более высокие нагрузки оказывают большее влияние, чем на литий-ионные аккумуляторы. См. раздел «Полезная энергия: влияние на разрядную ёмкость и напряжение при различных нагрузках» ниже. Исходя из всего этого, можно с уверенностью сказать, что ёмкость AGM-аккумулятора должна быть в два раза больше, чем у литий-ионного аккумулятора.
Литий-ионные аккумуляторы в сравнении с AGM-аккумуляторами.
Вес аккумуляторных батарей
Большинство аккумуляторов, независимо от типа, имеют номинальную ёмкость в ампер-часах, рассчитанную на 20 часов работы. Это было нормально в те времена, когда нагрузки были небольшими, но по мере увеличения количества и мощности нагрузок нам также нужно учитывать высокие краткосрочные, средние и долгосрочные нагрузки для разных типов оборудования. Это может означать, что потребуется большой аккумуляторный блок. В крайних случаях кондиционер может работать 10 часов, потребляя 10 кВт, по сравнению со светодиодной лампой, потребляющей 100 Вт за это время. Балансировка этих различных требований и всех промежуточных нагрузок становится ключевой задачей. При использовании большой аккумуляторной батареи, как показано ниже, становится ясно, насколько свинцово-кислотные аккумуляторы тяжелее литиевых. 1360/336 = в 4 раза тяжелее
Полезная энергия: влияние на разрядную способность и напряжение при различных нагрузках
Как было сказано ранее, для большинства аккумуляторов номинальная ёмкость в ампер-часах указывается из расчёта на 20 часов. На изображении ниже для свинцово-кислотного аккумулятора, если это аккумулятор ёмкостью 100 ампер-часов из расчёта на 20 часов работы, вы можете видеть, что 0,05C означает 100 x 0,05 = 5 ампер в течение 20 часов = 100 ампер-часов до полной разрядки аккумулятора. Поскольку мы используем только 50% заряда аккумулятора, мы видим, что напряжение по-прежнему будет составлять 24 В при 50% DOD для нагрузки в 5 ампер в течение 10 часов, и, следовательно, мы израсходовали бы 50 Ач.
Увеличение силы тока (как показано на графиках ниже) может повлиять на количество доступной энергии и напряжение аккумулятора. Такое снижение номинальной мощности известно, как эффект Пеккерта. Чем выше нагрузка на свинцово-кислотный аккумулятор, тем больше вам нужно увеличить его ёмкость в ампер-часах, чтобы компенсировать это. Однако при использовании лития даже при нагрузке в 10 раз превышающей 0,5C напряжение на клеммах может составлять 24 В при 80% DOD/20% SOC, без увеличения ёмкости аккумулятора. Именно это делает литий особенно подходящим для высоких нагрузок.
Примечание: на графиках ниже показана зависимость разрядной ёмкости от напряжения на клеммах. Обычно вы видите графики AGM в виде зависимости времени разряда от напряжения на клеммах. Мы показываем разрядную ёмкость (а не время разряда) потому, что литий-ионные аккумуляторы имеют более высокое и стабильное напряжение на клеммах, чем AGM, поэтому построение кривых с учётом разрядной ёмкости даёт более точное сравнение химических составов, показывая, что литий-ионные аккумуляторы увеличивают количество полезной энергии при более высоких нагрузках за счёт более высокого и стабильного напряжения на клеммах. Хотя вы можете считать это спорным вопросом (отчасти из-за разного внутреннего сопротивления аккумуляторов), это, вероятно, единственный верный способ сравнить технологии. Это дополнительно продемонстрировано на изображениях под графиками.
Зависимость емкости литиевого разряда от напряжения на клемме
Емкость свинцово–кислотного разряда 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. Сначала давайте сравним эффективность зарядки свинцово-кислотного аккумулятора слева и литиевого аккумулятора справа в течение полного цикла зарядки. Зарядка последних 20% свинцово-кислотного аккумулятора всегда происходит медленно и неэффективно по сравнению с литиевым аккумулятором.
При более высоких скоростях зарядки свинцово-кислотный аккумулятор нагревается (в таком случае для предотвращения перегрева необходимы (температурная компенсация, измерение напряжения и хорошая вентиляция), а из-за внутреннего сопротивления напряжение поглощения будет достигнуто, когда аккумулятор заряжен всего на 60% или меньше, что приводит к увеличению времени поглощения, необходимого для полной зарядки аккумулятора. Таким образом, зарядка с высокой скоростью не существенно сократит время зарядки свинцово-кислотного аккумулятора.
Для сравнения: литиевую батарею ёмкостью 200 Ач можно заряжать током до 500 А, однако рекомендуемая скорость зарядки для максимального срока службы составляет 100 А (0,5C) или меньше. Это ещё раз доказывает, что литий превосходит другие аккумуляторы как по разрядке, так и по зарядке.
Выбор аккумуляторов, рынки сбыта и срок службы
В зависимости от того, как вы относитесь к аккумулятору, вы можете разумно рассчитывать на диапазон циклов, приведенный ниже, при условии, что DOD и аккумуляторы имеют подходящий размер для нагрузок. Рабочая температура также играет важную роль. Чем горячее батарея, тем меньше времени ее работы. Емкость аккумулятора также уменьшается с температурой окружающей среды. Базовый уровень для колебаний, вызванных температурой, составляет 25 градусов по Цельсию.
Выводы
Очевидно, что AGM-аккумуляторы придётся заменять чаще, чем литиевые батареи. Стоит иметь это в виду, так как это влечёт за собой затраты на время, установку и транспортировку, что ещё больше нивелирует более высокую первоначальную стоимость литиевых аккумуляторов, а также более низкую стоимость их зарядки.
Независимо от того, какой аккумулятор вы выберете, на начальном этапе вам придётся столкнуться как с капитальными затратами, так и с технологическими рисками. Если у вас есть средства для покрытия более высоких первоначальных затрат на литий-ионные аккумуляторы, вы можете обнаружить, что жизнь становится проще, а этот выбор со временем становится экономически выгодным. Во многом это зависит от знаний оператора и от того, как он обращается с аккумуляторной системой. Есть старая поговорка: аккумуляторы не умирают, их убивают. Грамотное управление — ваша страховка от преждевременного выхода из строя, независимо от используемой технологии.
Литий-ионный аккумулятор или AGM-аккумулятор? Выбор за Вами. Лично мы убедились, что литий-ионный аккумулятор экономически эффективное, надёжное и высокопроизводительное решение.
Вернуться к новостям