Über alle Märkte hinweg in den letzten JahrenLithium-Ionen-Batterienhaben an Zugkraft gewonnen. Uneingeweihten fällt es leicht, Lithium-Ionen als teure Alternative zu VRLA-Technologien (Valve Regulated Lead Acid) wie AGM (Absorbed Glass Mat) zu entlassen, wenn man sich nur die Ampere-Stunde-Bewertung (Ah) ansieht. Dies war der erste Fehler, den ich vor ein paar Jahren gemacht habe. Wenn ich tiefer grabe, wurde mir klar, dass bei der Auswahl der besten Batterien für Ihre Anwendung viel mehr als Ah-Werte zu berücksichtigen sind.

In den nachstehenden Vergleichen sind Gel-Batterien dargestellt, die jedoch bei hohen Entladeströmen eine geringere effektive Kapazität aufweisen. Sie kosten ungefähr die gleichen Kosten wie Hauptversammlungen, vorausgesetzt, beide Typen sind Monoblöcke im Gegensatz zu 2-V-Gelzellen mit langer Lebensdauer. Nasszellenbatterien oder überflutete Blei-Säure-Batterien (FLA), auf die Bezug genommen wird, werden im Mittelpunkt dieses speziellen Vergleichs nicht berücksichtigt, hauptsächlich aufgrund von Überlegungen zu Wartung und Sicherheit in der Meeresumwelt. Dies gilt natürlich möglicherweise nicht für andere Märkte.

Nutzbare Energie und Kosten

Es wird allgemein angenommen, dass die wirtschaftlichste und praktischste Entladungstiefe (DOD) für eine AGM-Batterie 50% beträgt. Bei Lithium-Eisen-Phosphat (LiFePO4 oder LFP), dem sichersten der gängigen Li-Ionen-Batterietypen, wird 80% DOD verwendet.

Wie funktioniert das in der realen Welt? Nehmen wir zwei Beispiele für 24-V-Batterien und vergleichen Sie die nutzbare Energie für eine kleine Yacht:
1 x Lithium-Ionen 24 V 180 Ah

Die Nennspannung der LFP-Zelle beträgt 3,3 V. Diese 26,4-V-LFP-Batterie besteht aus 8 in Reihe geschalteten Zellen mit einer Nennleistung von 180 Ah. Die verfügbare Energie beträgt 26,4 x 180 = 4,75 kWh. Die nutzbare Energie beträgt 26,4 x 180 x 0,80 = 3,8 kWh.
2 x AGM 12 V 220 Ah

Die Nennspannung der Blei-Säure-Zelle beträgt 2,0 V / Zelle. Jede 12-V-Monoblockbatterie besteht aus 6 in Reihe geschalteten Zellen mit einer Nennleistung von 220 Ah. Wenn 2 x 12 V 220 Ah-Batterien in Reihe geschaltet werden, um 24 V und 220 Ah zu erhalten, beträgt die verfügbare Energie 24,0 x 220 = 5,28 kWh. Die nutzbare Energie beträgt 24 x 220 x 0,50 = 2,64 kWh.

Dies wirft die Frage auf, welche Ah-Bewertung von AGM-Batterien der 3,8 kWh nutzbaren Energie der Lithium-Ionen-Batterie entsprechen würde. Um 3,8 kWh nutzbare Energie aus einer AGM-Batterie zu erhalten, müsste diese aufgrund der 50% -DOD-Sparmaßnahme, d. H. 3,8 × 2 = 7,6 kWh, zunächst doppelt so groß sein. Bei 24 V würde dies 7.600/24 ​​bedeuten, was einer Batterieleistung von 316,66 Ah entspricht, was der doppelten Nennkapazität des Lithium-Ionen-24-V-180-Ah-Akkus näher kommt. Beachten Sie, dass dies die Alterung der Batterien, die Temperaturreduzierung oder die Auswirkung höherer Lasten nicht berücksichtigt. Bei AGM-Batterien wirken sich höhere Lasten stärker aus als bei Lithium. Siehe den Abschnitt - Nutzbare Energie: Auswirkung auf Entladekapazität und Spannung bei unterschiedlichen Lasten, unten. Angesichts all dessen ist es vernünftig zu sagen, dass eine AGM-Batterie die doppelte Ah-Bewertung einer Lithium-Batterie aufweisen muss.

Gewicht

Die meisten Ah-Werte von Batterien, unabhängig vom Typ, werden für die 20-Stunden-Rate angegeben. Dies war in den Tagen leichter Lasten in Ordnung, aber da die Anzahl der Lasten und die Größe der Lasten im Laufe der Zeit zugenommen haben, müssen wir auch kurzfristig hohe, mittel- und langfristige Lasten für verschiedene Arten von Geräten untersuchen. Dies kann einen großen Akku bedeuten. Im Extremfall könnte die Klimaanlage 10 Stunden lang mit 10 kW betrieben werden, im Vergleich zu einer LED-Leuchte mit 100 Watt in dieser Zeit. Das Ausbalancieren dieser unterschiedlichen Anforderungen und aller Lasten dazwischen wird zum Schlüssel. Mit einer großen Packung, wie unten gezeigt, wird deutlich, wie schwer Bleisäure im Vergleich zu Lithium ist. 1360/336 = 4 mal schwerer.

Nutzbare Energie: Einfluss auf Entladekapazität und Spannung bei unterschiedlichen Lasten

Wie bereits erwähnt, werden die meisten Batterien mit einer Ah-Bewertung von 20 Stunden angegeben. In der Abbildung unten für die Blei-Säure-Batterie können Sie sehen, dass 0,05 ° C 100 x 0,05 = 5 A für 20 Stunden = 100 Ah bedeutet, bis die Batterie vollständig entladen ist. Da wir nur 50% der Batterie verbrauchen, können wir sehen, dass die Spannung bei 50% DOD für eine Last von 5 Ampere über 10 Stunden immer noch 24 V beträgt, und daher hätten wir 50 Ah verbraucht.

Das Erhöhen der Stromaufnahme (wie die folgenden Grafiken zeigen) kann sich auf die verfügbare nutzbare Energie und die Batteriespannung auswirken. Diese effektive Schrumpfung der Bewertung wird als Peukert-Effekt bezeichnet. Je höher die Beladung mit Blei-Säure ist, desto mehr müssen Sie die Ah-Kapazität Ihres Akkus erhöhen, um dies zu mildern. Mit Lithium kann jedoch eine bei 0,5 ° C sogar 10-fach höhere Last eine Klemmenspannung von 24 V bei 80% DOD / 20% SOC aufweisen, ohne die Ah-Bewertung der Batterie zu beeinträchtigen. Dies macht Lithium besonders für hohe Belastungen geeignet.

Hinweis: In den folgenden Diagrammen wird die Entladekapazität gegenüber der Klemmenspannung angezeigt. Normalerweise werden AGM-Diagramme als Entladezeit gegen Klemmenspannung angezeigt. Der Grund, warum wir die Entladekapazität (anstelle der Entladungszeit) darstellen, ist, dass Lithium eine höhere und stabilere Klemmenspannung als AGM hat. Die Darstellung der Kurven unter Berücksichtigung der Entladekapazität ergibt einen genaueren Vergleich der Chemie und zeigt, dass Lithium die nutzbare Energie erhöht bei höheren Lasten durch höhere und stabilere Klemmenspannungen. Auch wenn Sie dies für eine Grauzone halten (zum Teil auch aufgrund des unterschiedlichen Innenwiderstands von Batterien), ist dies wahrscheinlich die einzig wahre Methode, um die Technologien zu vergleichen. Dies wird in den Bildern unter den Diagrammen weiter demonstriert.

Lithium - Entladekapazität im Verhältnis zur Klemmenspannung


Bleisäure - Entladekapazität im Verhältnis zur Klemmenspannung

Nutzbare Energie (Bleisäure)

Nutzbare Energie (Lithium)

Ladeeffizienz

Vieles, was wir im Entladevorgang gesehen haben, gilt auch für den umgekehrten Ladevorgang. Lassen Sie sich von den unten gezeigten großen Generatorgrößen nicht abschrecken, da dieser Blog lediglich eine Reihe von Szenarien zeigt. Lösungen sind grundsätzlich skalierbar. Vergleichen wir zunächst die Ladungseffizienz von Blei-Säure links mit der von Lithium rechts während des gesamten Ladezyklus. Das Laden der letzten 20% einer Blei-Säure-Batterie ist im Vergleich zu Lithium immer langsam und ineffizient. Dies wird in den Kraftstoffkosten (oder der von Ihnen verwendeten Ladequelle) in den Bildern weiter unten bestätigt. Beachten Sie auch die unterschiedlichen Ladezeiten.

Hinweis: Gebührensätze
Die empfohlene Laderate für große AGM-Batterien beträgt 0,2 ° C, d. H. 120 A für eine 600-A-Batterie, die aus parallel geschalteten 200-Ah-Blöcken besteht.
Höhere Laderaten heizen den Akku auf (Temperaturkompensation, Spannungsmessung und gute Belüftung sind in einem solchen Fall unbedingt erforderlich, um ein thermisches Durchgehen zu verhindern). Aufgrund des Innenwiderstands wird die Absorptionsspannung erreicht, wenn der Akku nur zu 60% geladen wird. oder weniger, was zu einer längeren Absorptionszeit führt, die zum vollständigen Laden des Akkus erforderlich ist.
Ein Hochgeschwindigkeitsladen verringert daher die Ladezeit einer Batterie mit Blei-Säure-Technologie nicht wesentlich.
Zum Vergleich: Ein 200-Ah-Lithium-Akku kann mit bis zu 500 A geladen werden. Die empfohlene Laderate für eine maximale Lebensdauer beträgt jedoch 100 A (0,5 C) oder weniger. Dies zeigt erneut, dass Lithium sowohl in der Entladung als auch in der Ladung überlegen ist.

Batteriewahl, Märkte und Lebensdauer

Abhängig davon, wie Sie eine Batterie behandeln, können Sie den folgenden Zyklusbereich erwarten, vorausgesetzt, das DOD und die Batteriebänke sind für die Lasten richtig dimensioniert. Auch die Betriebstemperatur spielt eine Rolle. Je heißer der Akku, desto kürzer die Lebensdauer. Die Batteriekapazität nimmt auch mit der Umgebungstemperatur ab. Die Grundlinie für temperaturbedingte Schwankungen liegt bei 25 Grad Celsius.

Schlussfolgerungen

Es ist klar, dass AGM-Batterien häufiger ausgetauscht werden müssen als Lithium. Dies ist zu berücksichtigen, da dies Zeit-, Installations- und Transportkosten mit sich bringt, was die höheren Anfangskapitalkosten von Lithium sowie die niedrigeren Kosten für das Wiederaufladen von Lithium weiter negiert.

Unabhängig davon, für welche Batterie Sie sich entscheiden, gibt es zu Beginn sowohl Kapitalkosten als auch technologische Risiken. Wenn Sie in der Lage sind, das Kapital für die höheren Anschaffungskosten von Lithium zu haben, werden Sie möglicherweise feststellen, dass das Leben einfacher und die Wahl im Laufe der Zeit kostengünstiger ist. Vieles davon hängt vom Wissen des Betreibers und dessen Umgang mit einem Batteriesystem ab. Es gibt ein altes Sprichwort, dass Batterien nicht sterben, sondern getötet werden. Eine gute Managementpraxis ist Ihre Versicherung gegen frühzeitiges Versagen, unabhängig von der verwendeten Technologie.

Lithium-Ionen vs AGM? Es ist deine Entscheidung. Es ist an der Zeit, Lithium in der Schiffsindustrie als kostengünstige, zuverlässige und leistungsstarke Lösung zu betrachten. Kein Hersteller von Elektrofahrzeugen mit Selbstachtung würde heute noch auf Blei basierende Batterietechnologien verwenden. Zeit für die Schifffahrtsindustrie aufzuholen?