På alla marknader under de senaste årenLitiumjonbatterierhar vunnit dragkraft. För de oinitierade är det lätt att avföra litiumjon som ett dyrt alternativ till VRLA (ventilreglerad blysyra) teknik som AGM (absorberad glasmatta), om man bara tittar på amp-hour (Ah) -klassificeringen. Det här var det första misstaget jag gjorde några år tillbaka. Genom att gräva djupare blev det klart för mig att det finns mycket mer än Ah-betyg att tänka på när jag valde de bästa batterierna för din applikation.

I jämförelserna nedan medan gelbatterier visas har de en lägre effektiv kapacitet vid höga urladdningsströmmar. De kostar ungefär detsamma som årsstämmor, förutsatt att båda typerna är monoblock, i motsats till 2 V-gelceller med lång livslängd. Våtcells- eller översvämmade blysyrabatterier (FLA) medan de hänvisas till beaktas inte för att vara den här jämförelsen, främst på grund av underhålls- och säkerhetsaspekter i den marina miljön. Detta gäller naturligtvis inte för andra marknader.

Användbar energi och kostnad

Det är allmänt accepterat att det mest ekonomiska och praktiska urladdningsdjupet (DOD) för ett AGM-batteri är 50%. För litium-järn-fosfat (LiFePO4 eller LFP) som är det säkraste av de vanligaste Li-ion-batterityperna används 80% DOD.

Hur fungerar det i den verkliga världen? Låt oss ta två 24V batteriexempel och jämföra användbar energi för en liten yacht:
1 x litiumjon 24 V 180 Ah

LFP-cellens nominella spänning är 3,3 V. Detta 26,4 V LFP-batteri består av 8 celler anslutna i serie med en 180 Ah-klassning. Den tillgängliga energin är 26,4 x 180 = 4. 75 kWh. Användbar energi är 26,4 x 180 x 0,80 = 3,8 kWh.
2 x AGM 12 V 220 Ah

Blysyracellens nominella spänning är 2,0 V / cell. Varje 12 V monoblockbatteri består av 6 celler anslutna i serie med en 220 Ah-klassning. Att ansluta 2 x 12 V 220 Ah-batterier i serie för att ge 24V och 220 Ah, den tillgängliga energin är 24,0 x 220 = 5,28 kWh. Användbar energi är 24 x 220 x 0,50 = 2,64 kWh.

Detta ger upphov till frågan, vilket Ah-betyg för AGM-batterier skulle motsvara den 3,8 kWh användbara energin hos litiumjonbatteriet? För att få 3,8 kWh användbar energi från ett AGM-batteri måste det vara dubbelt så stort för att börja med på grund av 50% DOD-ekonomiregeln, dvs. 3,8 x 2 = 7,6 kWh. Vid 24V skulle det betyda 7 600/24 ​​vilket ger oss ett batterivärde på 316,66 Ah, vilket rör sig närmare två gånger den nominella kapaciteten för Litium-ion 24 V 180 Ah. Observera att detta inte tar hänsyn till, åldrandet av batterierna, temperaturnedbrytningen eller effekten av högre belastningar. För AGM-batterier har högre belastning en större effekt än på litium. Se avsnittet - Användbar energi: effekt på urladdningskapacitet och spänning med olika belastningar nedan. Baserat på allt detta är det rimligt att säga att ett AGM-batteri måste vara två gånger Ah-värdet för ett litium.

Vikt

De flesta Ah-betyg för batterier oavsett typ anges i 20-timmarsfrekvensen. Det var bra på dagar med lilla laster, men eftersom antalet laster och storleken på laster har ökat över tid, måste vi också titta på höga kortvariga laster, på medellång och längre sikt för olika typer av utrustning. Detta kan betyda ett stort batteripaket. I ytterligheterna kanske vi har luftkonditionering som körs i 10 timmar med 10 kW, jämfört med ett LED-ljus med 100 watt under den tiden. Att balansera dessa olika krav och alla laster mellan sig blir nyckeln. Med en stor förpackning som visas nedan för att uppnå detta blir det tydligt hur tung blysyra kan jämföras med litium. 1360/336 = 4 gånger tyngre.

Användbar energi: effekt på urladdningskapacitet och spänning med olika belastningar

Som tidigare nämnts är de flesta batterier Ah-betyg angivna till 20-timmarsfrekvensen. I bilden nedan för blybatteriet, om det var ett 100 Ah-batteri vid 20 timmars hastighet, kan du se att 0,05C betyder 100 x 0,05 = 5 ampere i 20 timmar = 100 Ah tillgängligt tills batteriet är helt tomt. Eftersom vi bara använder 50% av batteriet kan vi se att spänningen fortfarande kommer att vara 24 V vid 50% DOD för en 5 Amp-belastning under 10 timmar, och därför skulle vi ha konsumerat 50 Ah.

Att öka den nuvarande dragningen (som diagramna nedan visar) kan påverka den tillgängliga användbara energin och batterispänningen. Denna effektiva krympning i graderingen kallas Peukerts effekt. Med blysyra desto högre last, desto mer behöver du öka batteriets Ah-kapacitet för att lindra detta. Med litium kan emellertid en belastning på till och med 10 gånger större vid 0,5 C fortfarande ha en terminal spänning på 24V vid 80% DOD / 20% SOC, utan att öka batteriets Ah-betyg. Det är detta som gör litium särskilt lämpligt för stora belastningar.

Obs: I graferna nedan visas avladdningskapacitet kontra terminalspänning. Vanligtvis ser du AGM-grafer som urladdningstid kontra terminalspänning. Anledningen till att vi plottar utladdningskapacitet (istället för urladdningstid) är att litium har en högre och mer stabil terminalspänning än AGM, så att plottning av kurvorna med urladdningskapacitet i åtanke ger en mer exakt jämförelse av kemisterna, vilket visar att litium ökar användbar energi vid högre belastningar på grund av högre och mer stabila terminalspänningar. Även om du kanske betraktar detta som ett grått område (delvis också på grund av batteriernas olika inre motstånd) är det förmodligen det enda sanna sättet att jämföra teknologierna. Detta visas ytterligare i bilderna nedanför graferna.

Litium - urladdningskapacitet vs terminalspänning


Blysyra - urladdningskapacitet vs terminalspänning

Användbar energi (blysyra)

Användbar energi (litium)

Laddningseffektivitet

Mycket som vi har sett i urladdningsprocessen gäller också i den omvända laddningsprocessen. Släpp inte av de stora generatorstorlekarna som visas nedan, eftersom den här bloggen bara visar en rad scenarier. Lösningar är i princip skalbara. Låt oss först jämföra laddningseffektiviteten för blysyra till vänster med litium till höger under hela laddningscykeln. Det är alltid långsamt och ineffektivt att ladda de senaste 20% av ett blysyra-teknikbatteri jämfört med litium. Detta redovisas i bränslekostnaderna (eller vilken laddningskälla du använder) på bilderna längre ner. Notera också skillnaden i laddningstider.

Obs: Avgiftssatser
Den rekommenderade laddningshastigheten för stora AGM-batterier är 0,2C, dvs. 120A för ett 600A-batteri som består av parallella 200Ah-block.
Högre laddningshastigheter kommer att värma upp batteriet (temperaturkompensering, spänningsavkänning och god ventilation är absolut nödvändigt i ett sådant fall för att förhindra termisk bortgång), och på grund av inre motstånd kommer absorptionsspänningen att uppnås när batteriet laddas på endast 60% eller mindre, vilket resulterar i en längre absorptionstid som krävs för att ladda batteriet helt.
Laddning med hög hastighet kommer därför inte att reducera laddningstiden för ett bly-syra teknikbatteri väsentligt.
Som jämförelse kan ett 200Ah litiumbatteri laddas med upp till 500A, men den rekommenderade laddningshastigheten för maximal livslängd är 100A (0,5C) eller mindre. Återigen visar detta att både urladdning och laddning är att litium är överlägsen.

Val av batterier, marknader och livslängd

Beroende på hur du behandlar ett batteri kan du rimligen förvänta dig att cyklerna kommer att anges nedan, förutsatt att DOD och batteribankarna är korrekt dimensionerade för lasterna. Driftstemperatur spelar också in. Ju varmare batteriet desto mindre tid kommer det att hålla. Batterikapaciteten minskar också med omgivningstemperatur. Baslinjen för variationer på grund av temperatur är 25 grader Celsius.

Slutsatser

Uppenbarligen måste AGM-batterier bytas oftare än litium. Det är värt att ha detta i åtanke eftersom det innebär tid, installation och transportkostnader, vilket ytterligare avskaffar de högre initiala kapitalkostnaderna för litium liksom de lägre kostnaderna för att ladda litium.

Oavsett vilket batterival du gör finns det också både en kapitalkostnad och teknisk risk från början. Om du är i stånd att ha kapital för de högre kostnaderna i förväg av litium, kanske du tycker att livet är lättare och att valet är en kostnadseffektiv över tid. Mycket av detta beror på operatörens kunskap och hur de behandlar ett batterisystem. Det finns ett gammalt talesätt att batterier inte dör, de dödas. God hantering är din försäkring mot tidigt misslyckande, oavsett vilken teknik som används.

Litiumjon vs AGM? Valet är ditt. Det är dags att betrakta litium i den marina industrin som en kostnadseffektiv, pålitlig och högpresterande lösning. Ingen självtillverkande elfordonstillverkare skulle fortfarande använda blybaserad batteriteknologi idag. Dags för den marina industrin att komma ikapp?