När ska man använda vilket batteri? Litiumjon vs AGM

På alla marknader under de senaste åren har litiumjonbatterier ökat i dragkraft. För den oinvigde är det lätt att avfärda litiumjon som ett dyrt alternativ till VRLA-tekniker (ventilreglerad blysyra) som AGM (absorberad glasmatta), om man bara tittar på ampere-timmar (Ah) betyg. Detta var det första misstaget jag gjorde för några år sedan. När jag grävde djupare blev det klart för mig att det finns mycket mer än Ah-värden att tänka på när man väljer de bästa batterierna för din applikation.

I jämförelserna nedan, medan gelbatterier visas, har de en lägre effektiv kapacitet vid höga urladdningsströmmar. De kostar ungefär lika mycket som AGM, förutsatt att båda typerna är monoblock, i motsats till 2 V långlivade gelceller. Våtcellsbatterier eller översvämmade blysyrabatterier (FLA) anses inte vara kärnpunkten i denna jämförelse, främst på grund av underhålls- och säkerhetsöverväganden i den marina miljön. Detta kanske inte gäller 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 vanliga Li-ion batterityperna, används 80 % DOD.

Hur fungerar det här 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 kopplade i serie med en 180 Ah betyg. 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 monoblock batteri består av 6 celler kopplade i serie med en 220 Ah kapacitet. Seriekoppling av 2 x 12 V 220 Ah batterier 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 väcker frågan, vilken Ah-klassificering av AGM-batterier skulle motsvara den 3,8 kWh användbara energin för litiumjonbatteriet? För att få 3,8 kWh användbar energi från ett AGM-batteri skulle det behöva vara dubbelt så stort till 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 närmar sig två gånger den nominella kapaciteten hos Lithium-ion 24 V 180 Ah. Observera att detta inte tar hänsyn till batteriernas åldrande, temperaturnedsättning eller effekten av högre belastningar. För AGM-batterier har högre belastning 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 ha dubbelt så högt Ah-värde som ett litiumbatteri.

Vikt

De flesta Ah-klassificeringar för batterier oavsett typ är specificerade vid 20-timmarshastigheten. Detta var bra under tiderna med lätta laster, men eftersom antalet laster och storleken på laster har ökat över tiden, måste vi också titta på höga korttidslaster, medellång och längre sikt för olika typer av utrustning. Detta kan innebära ett stort batteripaket. I ytterligheterna kan vi ha luftkonditionering igång i 10 timmar med 10 kW, jämfört med en LED-lampa som använder 100 watt under den tiden. Att balansera dessa olika krav och alla laster däremellan 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 vid olika belastningar.

Som tidigare nämnts anges de flesta batteriers Ah-klassificering till 20 timmars hastighet. I bilden nedan för blybatteriet, om det vore ett 100 Ah batteri vid 20 timmars hastighet, kan du se att 0,05C betyder 100 x 0,05 = 5 Amp 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 över 10 timmar, och därför skulle vi ha förbrukat 50 Ah.

Att öka strömförbrukningen (som diagrammen nedan visar) kan påverka den tillgängliga energin och batterispänningen. Denna effektiva krympning i betyget är känd som Peukerts effekt. Med blysyra ju högre belastning, desto mer behöver du öka Ah-kapaciteten på ditt batteri för att lindra detta. Med litium kan dock en belastning på till och med 10 gånger större vid 0,5C fortfarande ha en polspänning på 24V vid 80% DOD/20% SOC, utan att gå upp på batteriets Ah-klassificering. Det är detta som gör litium särskilt lämpligt för höga belastningar.

Obs: I diagrammen nedan visas urladdningskapacitet vs terminalspänning. Vanligtvis kommer du att se AGM-grafer som Urladdningstid vs terminalspänning. Anledningen till att vi plottar urladdningskapacitet (istället för urladdningstid) är att litium har en högre och mer stabil terminalspänning än AGM, så att plotta kurvorna med urladdningskapacitet i åtanke ger en mer exakt jämförelse av kemin, vilket visar att litium ökar användbar energi vid högre belastningar på grund av högre och stabilare polspänningar. Även om du kanske anser att detta är ett grått område (till viss del också på grund av batteriernas varierande interna resistans) är det förmodligen det enda sanna sättet att jämföra teknikerna. Detta visas ytterligare i bilderna under graferna.

Litium – Urladdningskapacitet vs terminalspänning


blysyra – Urladdningskapacitet vs terminalspänning

Användbar energi (blysyra)

Användbar energi (litium)

Laddningseffektivitet

Mycket som vi har sett i urladdningsprocessen är också sant i den omvända laddningsprocessen. Låt dig inte avskräckas av de stora generatorstorlekarna som visas nedan, eftersom den här bloggen bara visar en rad scenarier. Lösningarna är skalbara i princip. Låt oss först jämföra laddningseffektiviteten för blysyra till vänster med litium till höger, under hela laddningscykeln. Att ladda de sista 20 % av ett batteri med blysyrateknik är alltid långsamt och ineffektivt jämfört med litium. Detta framgår av bränslekostnaderna (eller vilken laddningskälla du nu använder) på bilderna längre ner. Observera också skillnaden i laddningstider.

Notera: Laddningshastigheter
Den rekommenderade laddningshastigheten för stora AGM-batterier är 0,2C dvs 120A för ett 600A-batteri som består av parallellkopplade 200Ah-block.
Högre laddningshastigheter kommer att värma upp batteriet (temperaturkompensation, spänningsavkänning och god ventilation behövs absolut i ett sådant fall för att förhindra termisk rusning), och på grund av internt motstånd kommer absorptionsspänningen att nås när batteriet laddas med endast 60 % eller mindre, vilket resulterar i en längre absorptionstid som krävs för att ladda batteriet helt.
Höghastighetsladdning kommer därför inte att avsevärt minska laddningstiden för ett batteri med blysyrateknik.
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 litium är överlägset i både urladdning och laddning.

Batterival, marknader och livslängd

Beroende på hur du behandlar ett batteri kan du rimligtvis förvänta dig intervallet av cykler nedan, med förbehåll för att DOD och batteribankerna är rätt dimensionerade för lasterna. Driftstemperatur spelar också in. Ju varmare batteri desto kortare tid räcker det. Batterikapaciteten minskar också med omgivningstemperaturen. Baslinjen för variationer på grund av temperatur är 25 grader Celsius.

Slutsatser

Helt klart kommer AGM-batterier att behöva bytas ut oftare än litium. Det är värt att ha detta i åtanke eftersom detta medför tid-, installations- och transportkostnader, vilket ytterligare förnekar den högre initiala kapitalkostnaden för litium, liksom den lägre kostnaden för att ladda litium.

Oavsett vilket batterival du gör finns det också både en kapitalkostnad och en teknisk risk i början. Om du är i en position av att ha kapitalet för de högre förskottskostnaderna för litium, kanske du upptäcker att livet är lättare och att valet är kostnadseffektivt över tiden. Mycket av detta beror på operatörens kunskap och hur de behandlar ett batterisystem. Det finns ett gammalt talesätt som säger att batterier inte dör, de dödas. God förvaltningspraxis 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 elfordonstillverkare med självrespekt skulle fortfarande använda blysyrabaserad batteriteknologi idag. Dags för marinindustrin att komma ikapp?