Wann welchen Akku verwenden? Lithium-Ionen vs. AGM

In allen Märkten haben Lithium-Ionen-Batterien in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen. Für Uneingeweihte ist es leicht, Lithium-Ionen als teure Alternative zu VRLA-Technologien (ventilregulierte Bleisäure) wie AGM (absorbierte Glasmatte) abzutun, wenn man nur auf die Amperestundenzahl (Ah) schaut. Das war der erste Fehler, den ich vor ein paar Jahren gemacht habe. Bei näherer Betrachtung wurde mir klar, dass bei der Auswahl der besten Batterien für Ihre Anwendung weit mehr als nur Ah-Werte zu berücksichtigen sind.

In den folgenden Vergleichen werden zwar Gel-Batterien gezeigt, diese haben jedoch bei hohen Entladeströmen eine geringere effektive Kapazität. Sie kosten ungefähr das Gleiche wie AGMs, wenn man davon ausgeht, dass es sich bei beiden Typen um Monoblöcke handelt, im Gegensatz zu langlebigen 2-V-Gelzellen. Nassbatterien oder geflutete Blei-Säure-Batterien (FLA) werden, obwohl erwähnt, nicht für den Kernpunkt dieses speziellen Vergleichs berücksichtigt, hauptsächlich aufgrund von Wartungs- und Sicherheitsüberlegungen in der Meeresumwelt. Dies gilt natürlich möglicherweise nicht für andere Märkte.

Nutzbare Energie und Kosten

Es wird allgemein angenommen, dass die wirtschaftlichste und praktischste Entladetiefe (DOD) für eine AGM-Batterie 50 % beträgt. Für Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4 oder LFP), den sichersten der gängigen Li-Ionen-Batterietypen, werden 80 % DOD verwendet.

Wie funktioniert das in der realen Welt? Nehmen wir zwei Beispiele für 24-V-Batterien und vergleichen 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 Zellen, die mit einem 180 V in Reihe geschaltet sind Ah-Bewertung. 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-Blockbatterie besteht aus 6 in Reihe geschalteten Zellen mit einer Leistung von 220 Ah. Wenn man 2 x 12 V 220 Ah-Batterien in Reihe schaltet, 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, welcher Ah-Wert von AGM-Batterien der nutzbaren Energie von 3,8 kWh der Lithium-Ionen-Batterie entsprechen würde. Um 3,8 kWh nutzbare Energie aus einer AGM-Batterie zu gewinnen, müsste diese aufgrund der 50 %-DOD-Sparregel, also 3,8 x 2 = 7,6 kWh, zunächst doppelt so groß sein. Bei 24 V würde das 7.600/24 ​​bedeuten, was eine Batterieleistung von 316,66 Ah ergibt, was näher an der doppelten Nennkapazität des Lithium-Ionen-Akkus mit 24 V und 180 Ah liegt. Beachten Sie, dass dabei die Alterung der Batterien, Temperaturminderungen oder die Auswirkung höherer Lasten nicht berücksichtigt werden. Bei AGM-Batterien wirken sich höhere Belastungen stärker aus als bei Lithium. Siehe den Abschnitt „Nutzbare Energie: Auswirkung auf Entladekapazität und Spannung bei unterschiedlichen Lasten“ weiter unten. Vor diesem Hintergrund kann man davon ausgehen, dass eine AGM-Batterie doppelt so viel Ah wie eine Lithium-Batterie haben muss.

Gewicht

Die meisten Ah-Werte von Batterien werden unabhängig vom Typ für den 20-Stunden-Tarif angegeben. Das war in den Tagen der leichten Belastungen in Ordnung, aber da die Anzahl der Ladungen und die Größe der Ladungen im Laufe der Zeit zugenommen haben, müssen wir auch hohe kurzfristige Belastungen sowie mittel- und langfristige Belastungen für unterschiedliche Gerätetypen berücksichtigen. Dies kann einen großen Akku bedeuten. Im Extremfall könnte eine Klimaanlage 10 Stunden lang mit 10 kW laufen, verglichen mit einer LED-Leuchte, die in dieser Zeit 100 Watt verbraucht. Das Ausbalancieren dieser unterschiedlichen Anforderungen und aller Belastungen dazwischen ist von entscheidender Bedeutung. Mit einer großen Packung, wie unten gezeigt, um dies zu erreichen, wird deutlich, wie schwer Bleisäure im Vergleich zu Lithium sein kann. 1360/336 = 4-mal schwerer.

Nutzbare Energie: Auswirkung auf Entladekapazität und Spannung bei unterschiedlichen Lasten

Wie bereits erwähnt, werden die Ah-Werte der meisten Batterien für 20 Stunden angegeben. Wenn es sich bei der Blei-Säure-Batterie um eine 100-Ah-Batterie mit einer 20-Stunden-Rate handelt, können Sie in der Abbildung unten sehen, dass 0,05 °C 100 x 0,05 = 5 Ampere für 20 Stunden bedeutet = 100 Ah verfügbar, bis die Batterie völlig leer ist. Da wir nur 50 % der Batterie nutzen, können wir sehen, dass die Spannung bei einer 5-Ampere-Last über 10 Stunden immer noch 24 V bei 50 % DOD beträgt und wir daher 50 Ah verbraucht hätten.

Eine Erhöhung der Stromaufnahme (wie die Diagramme unten zeigen) kann sich auf die verfügbare nutzbare Energie und die Batteriespannung auswirken. Diese effektive Schrumpfung der Bewertung wird als Peukert-Effekt bezeichnet. Bei Bleisäure gilt: Je höher die Belastung, desto mehr müssen Sie die Ah-Kapazität Ihrer Batterie erhöhen, um dies zu verhindern. Mit Lithium kann jedoch eine sogar zehnmal höhere Last bei 0,5 °C immer noch eine Klemmenspannung von 24 V bei 80 % DOD/20 % SOC haben, ohne dass sich die Ah-Bewertung der Batterie erhöht. Dadurch ist Lithium besonders für hohe Belastungen geeignet.

Hinweis: In den folgenden Diagrammen wird die Entladekapazität im Verhältnis zur Klemmenspannung angezeigt. Normalerweise sehen Sie AGM-Diagramme als Entladezeit vs. Klemmenspannung. Der Grund, warum wir die Entladekapazität (anstelle der Entladezeit) darstellen, ist, dass Lithium eine höhere und stabilere Klemmenspannung als AGM hat. Daher ermöglicht die Darstellung der Kurven unter Berücksichtigung der Entladekapazität einen genaueren Vergleich der Chemie und zeigt, dass Lithium die nutzbare Energie erhöht bei höherer Belastung durch höhere und stabilere Klemmenspannungen. Auch wenn Sie dies als Grauzone betrachten (teilweise auch aufgrund des unterschiedlichen Innenwiderstands der Batterien), ist es wahrscheinlich die einzig wahre Möglichkeit, die Technologien zu vergleichen. Dies wird in den Bildern unter den Grafiken weiter veranschaulicht.

Lithium – Entladekapazität vs. Klemmenspannung.


Bleisäure – Entladekapazität vs. Klemmenspannung

Nutzbare Energie (Bleisäure)

Nutzbare Energie (Lithium)

Ladeeffizienz

Vieles, was wir beim 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 Ladeeffizienz von Bleisäure (links) mit Lithium (rechts) während des gesamten Ladezyklus. Das Aufladen der letzten 20 % einer Batterie mit Blei-Säure-Technologie ist im Vergleich zu Lithium immer langsam und ineffizient. Dies wird durch die Kraftstoffkosten (oder die von Ihnen verwendete Ladequelle) in den Bildern weiter unten bestätigt. Beachten Sie auch den Unterschied bei den Ladezeiten.

Hinweis: Laderaten
Die empfohlene Laderate für große AGM-Batterien beträgt 0,2C, also 120A für eine 600A-Batterie, die aus parallel geschalteten 200Ah-Blöcken besteht.
Höhere Laderaten erwärmen die Batterie (Temperaturausgleich, Spannungsmessung und gute Belüftung sind in einem solchen Fall unbedingt erforderlich, um ein thermisches Durchgehen zu verhindern), und aufgrund des Innenwiderstands wird die Absorptionsspannung erreicht, wenn die Batterie nur zu 60 % geladen ist. oder weniger, was zu einer längeren Absorptionszeit führt, die zum vollständigen Aufladen des Akkus erforderlich ist.
Durch Hochgeschwindigkeitsladen wird die Ladezeit einer Batterie mit Blei-Säure-Technologie daher nicht wesentlich verkürzt.
Im Vergleich dazu kann ein 200-Ah-Lithium-Akku mit bis zu 500 A geladen werden, die empfohlene Laderate für eine maximale Zyklenlebensdauer beträgt jedoch 100 A (0,5 C) oder weniger. Dies zeigt wiederum, dass Lithium sowohl beim Entladen als auch beim Laden überlegen ist.

Batterieauswahl, Märkte und Zyklenlebensdauer

Je nachdem, wie Sie eine Batterie behandeln, können Sie vernünftigerweise mit dem unten aufgeführten Zyklenbereich rechnen, vorausgesetzt, dass das Verteidigungsministerium und die Batteriebänke für die Lasten richtig dimensioniert sind. Auch die Betriebstemperatur spielt eine Rolle. Je heißer der Akku ist, desto kürzer ist seine Lebensdauer. Die Batteriekapazität nimmt auch mit der Umgebungstemperatur ab. Der Grundwert für temperaturbedingte Schwankungen liegt bei 25 Grad Celsius.

Schlussfolgerungen

Offensichtlich müssen AGM-Batterien häufiger ausgetauscht werden als Lithiumbatterien. Es lohnt sich, dies zu bedenken, da dies mit Zeit-, Installations- und Transportkosten verbunden ist, was die höheren Anfangsinvestitionskosten von Lithium ebenso zunichte macht wie die niedrigeren Kosten für das Wiederaufladen von Lithium.

Unabhängig davon, für welche Batterie Sie sich entscheiden, gibt es zu Beginn sowohl Kapitalkosten als auch ein technologisches Risiko. Wenn Sie in der Lage sind, über das nötige Kapital für die höheren Vorabkosten von Lithium zu verfügen, werden Sie möglicherweise feststellen, dass das Leben einfacher ist und diese Entscheidung im Laufe der Zeit eine kosteneffektive Entscheidung ist. Vieles davon hängt vom Wissen des Betreibers und davon ab, wie er mit einem Batteriesystem umgeht. Es gibt ein altes Sprichwort, dass Batterien nicht sterben, sie sind tot. Gute Managementpraktiken sind Ihre Versicherung gegen frühzeitiges Scheitern, unabhängig von der verwendeten Technologie.

Lithium-Ionen vs. AGM? Es ist deine Entscheidung. Es ist an der Zeit, Lithium in der Schifffahrtsindustrie als kostengünstige, zuverlässige und leistungsstarke Lösung in Betracht zu ziehen. Kein Hersteller von Elektrofahrzeugen, der etwas auf sich hält, würde heute noch Batterietechnologien auf Blei-Säure-Basis verwenden. Ist es Zeit für die Schifffahrtsindustrie, aufzuholen?