Почему падает плотность в аккумуляторе: Почему падает плотность электролита АКБ

были разработаны для широкого спектра применений с использованием множества различных технологий, что привело к широкому диапазону доступных рабочих характеристик.На графиках ниже показаны некоторые из основных факторов, которые разработчик приложений должен учитывать при выборе батареи для соответствия требованиям к производительности конечного продукта.

Клеточная химия

Номинальное напряжение гальванического элемента фиксируется электрохимическими характеристиками активных химических веществ, используемых в элементе, так называемым химическим составом элемента. Фактическое напряжение, появляющееся на выводах в любой конкретный момент времени, как и в любой ячейке, зависит от тока нагрузки и внутреннего импеданса ячейки, и это зависит от температуры, состояния заряда и возраста элемента.

На приведенном ниже графике показаны типичные кривые разряда-разряда для элементов с различным химическим составом при разряде со скоростью 0,2 ° C. Обратите внимание, что химический состав каждой ячейки имеет свои характеристические номинальное напряжение и кривую разряда. Некоторые химические вещества, такие как литий-ионный, имеют довольно плоскую кривую разряда, в то время как другие, такие как свинцово-кислотная, имеют ярко выраженный наклон.

Мощность, отдаваемая элементами с наклонной кривой разряда, постепенно падает на протяжении всего цикла разряда.Это может вызвать проблемы для приложений с большой мощностью ближе к концу цикла. Для приложений с низким энергопотреблением, которым требуется стабильное напряжение питания, может потребоваться установка регулятора напряжения, если наклон слишком крутой. Обычно это не вариант для приложений с большой мощностью, поскольку потери в регуляторе могут лишить аккумулятор еще большей мощности.

Плоская кривая разряда упрощает конструкцию приложения, в котором используется батарея, поскольку напряжение питания остается достаточно постоянным в течение всего цикла разряда.Наклонная кривая облегчает оценку состояния заряда батареи, поскольку напряжение элемента может использоваться как мера оставшегося заряда в элементе. Современные литий-ионные элементы имеют очень плоскую кривую разряда, поэтому для определения состояния заряда

По оси X показаны характеристики ячеек, нормированные в процентах от емкости ячеек, так что форма графика может быть показана независимо от фактической емкости ячейки.Если бы ось X была основана на времени разряда, длина каждой кривой разряда была бы пропорциональна номинальной емкости элемента.

Температурные характеристики

Производительность элемента может резко меняться в зависимости от температуры. В нижнем пределе, в батареях с водными электролитами, сам электролит может замерзнуть, задав нижний предел рабочей температуры. При низких температурах литиевые батареи страдают от литиевого покрытия анода, что приводит к необратимому снижению емкости.В крайнем случае активные химические вещества могут выйти из строя и разрушить аккумулятор. Между этими пределами характеристики элемента обычно улучшаются с повышением температуры. См. Также «Управление температурным режимом» и «Срок службы батареи» для получения более подробной информации.

На приведенном выше графике показано, как характеристики ионно-литиевых батарей ухудшаются при снижении рабочей температуры.

Вероятно, более важным является то, что как для высоких, так и для низких температур, чем дальше рабочая температура от комнатной, тем больше сокращается срок службы.См. Неисправности литиевых батарей.

Характеристики саморазряда

Скорость саморазряда — это мера того, как быстро элемент теряет свою энергию, находясь на полке, из-за нежелательных химических воздействий внутри элемента. Скорость зависит от химического состава клеток и температуры.

Клеточная химия

Ниже показан типичный срок хранения некоторых первичных ячеек:

• Цинк Углерод (Leclanché) от 2 до 3 лет
• Щелочная 5 лет
• Литий 10 лет и старше

Типичные скорости саморазряда для обычных перезаряжаемых элементов следующие:

• Свинцово-кислотный от 4% до 6% в месяц
• Никель-кадмий от 15% до 20% в месяц
• Никель-металлогидрид 30% в месяц
• Литий от 2% до 3% в месяц

Температурные эффекты

Скорость нежелательных химических реакций, которые вызывают внутреннюю утечку тока между положительным и отрицательным электродами элемента, как и все химические реакции, увеличивается с температурой, что увеличивает скорость саморазряда батареи.См. Также Срок службы батареи. На приведенном ниже графике показана типичная скорость саморазряда литий-ионной батареи.

Внутреннее сопротивление

Внутреннее сопротивление ячейки определяет ее пропускную способность по току. Низкое внутреннее сопротивление допускает большие токи.

Схема эквивалента батареи

На схеме справа показана эквивалентная схема для энергетической ячейки.

• Rm — сопротивление металлического пути через ячейку, включая клеммы, электроды и межсоединения.
• Ra — сопротивление электрохимического тракта, включая электролит и сепаратор.
• Cb — емкость параллельных пластин, которые образуют электроды ячейки.
• Ri — нелинейное контактное сопротивление между пластиной или электродом и электролитом.

Типичное внутреннее сопротивление порядка миллиомов.

Влияние внутреннего импеданса

Когда через элемент протекает ток, на внутреннем сопротивлении элемента возникает падение напряжения IR, которое снижает напряжение на выводах элемента во время разряда и увеличивает напряжение, необходимое для заряда элемента, таким образом уменьшая его эффективную емкость, а также уменьшая его заряд. / эффективность разряда.Более высокие скорости разряда приводят к более высоким внутренним падениям напряжения, что объясняет более низкие кривые разряда напряжения при высоких скоростях C. См. «Скорость разряда» ниже.

На внутренний импеданс влияют физические характеристики электролита: чем меньше размер гранул материала электролита, тем ниже полное сопротивление. Размер зерна контролируется производителем ячейки в процессе измельчения.

Спиральная конструкция электродов часто используется для увеличения площади поверхности и, таким образом, уменьшения внутреннего импеданса.Это снижает тепловыделение и обеспечивает более быструю зарядку и разрядку.

Внутреннее сопротивление гальванического элемента зависит от температуры и уменьшается с повышением температуры из-за увеличения подвижности электронов. График ниже является типичным примером.

Таким образом, элемент может быть очень неэффективным при низких температурах, но эффективность повышается при более высоких температурах из-за более низкого внутреннего импеданса, а также из-за увеличения скорости химических реакций.Однако более низкое внутреннее сопротивление, к сожалению, также приводит к увеличению скорости саморазряда. Кроме того, срок службы ухудшается при высоких температурах. Для поддержания ячейки в ограниченном температурном диапазоне для достижения оптимальных характеристик в приложениях с большой мощностью может потребоваться какая-либо форма нагрева и охлаждения.

Внутреннее сопротивление большинства химических элементов ячеек также имеет тенденцию значительно увеличиваться к концу цикла разряда, поскольку активные химические вещества переводятся в свое разряженное состояние и, следовательно, эффективно израсходуются.Это в основном отвечает за быстрое падение напряжения на элементе в конце цикла разряда.

Кроме того, эффект джоулева нагрева I ² R, потери во внутреннем сопротивлении элемента вызовут повышение температуры элемента.

Падение напряжения и потери I ² R могут быть незначительными для элемента емкостью 1000 мАч, питающего мобильный телефон, но для 100-элементного автомобильного аккумулятора на 200 Ач они могут быть значительными.Типичное внутреннее сопротивление литиевой батареи мобильного телефона емкостью 1000 мА составляет от 100 до 200 мОм и около 1 мОм для литиевой батареи емкостью 200 Ач, используемой в автомобильной батарее. См. Пример.

При работе со скоростью C падение напряжения на элемент будет около 0,2 В в обоих случаях (немного меньше для мобильного телефона). Потери I ² R в мобильном телефоне будут составлять от 0,1 до 0,2 Вт. Однако в автомобильной батарее падение напряжения на всей батарее будет 20 В, а потеря мощности, рассеиваемой в виде тепла внутри батареи, составит 40 Вт на элемент или 4 кВт для всей батареи.Это в дополнение к теплу, выделяемому в результате электрохимических реакций в ячейках.

По мере старения элемента сопротивление электролита имеет тенденцию к увеличению. Старение также приводит к ухудшению качества поверхности электродов и увеличению контактного сопротивления, и в то же время эффективная площадь пластин уменьшается, уменьшая их емкость. Все эти эффекты увеличивают внутренний импеданс клетки, что отрицательно сказывается на ее работоспособности.Сравнение фактического импеданса ячейки с ее импедансом, когда она была новой, может быть использовано для измерения или представления возраста ячейки или ее эффективной емкости. Такие измерения намного удобнее, чем фактическая разрядка элемента, и их можно проводить без разрушения тестируемого элемента. См. «Испытания импеданса и проводимости»

Внутреннее сопротивление также влияет на эффективную емкость ячейки.Чем выше внутреннее сопротивление, тем выше потери при зарядке и разрядке, особенно при более высоких токах. Это означает, что при высоких скоростях разряда доступная емкость ячейки ниже. И наоборот, если он разряжается в течение длительного периода, емкость в ампер-часах выше. Это важно, потому что некоторые производители указывают емкость своих батарей при очень низкой скорости разряда, что делает их намного лучше, чем они есть на самом деле.

Скорость разряда

Приведенные ниже кривые разряда литий-ионного элемента показывают, что эффективная емкость элемента уменьшается, если элемент разряжается с очень высокой скоростью (или, наоборот, увеличивается с низкой скоростью разряда).Это называется смещением емкости, и этот эффект характерен для большинства химических составов ячеек.

Нагрузка аккумулятора

Время разряда батареи зависит от нагрузки, которую она должна обеспечивать.

Если разрядка происходит в течение длительного периода в несколько часов, как в некоторых высокопроизводительных приложениях, таких как электромобили, эффективная емкость аккумулятора может быть вдвое больше указанной емкости при коэффициенте C.Это может быть наиболее важным при выборе дорогой батареи для использования с высокой мощностью. Емкость маломощных аккумуляторов бытовой электроники обычно указывается для разряда со скоростью C, тогда как SAE использует разряд в течение 20 часов (0,05 ° C) в качестве стандартного условия для измерения емкости автомобильных аккумуляторов в ам-часах. График ниже показывает, что эффективная емкость свинцово-кислотных аккумуляторов с глубокой разрядкой почти удваивается, поскольку скорость разряда снижается с 1,0 ° C до 0.05C. При времени разряда менее одного часа (высокие значения C) эффективная емкость резко падает.

На эффективность зарядки также влияет скорость зарядки. Объяснение причин этого приведено в разделе «Время зарядки».

Из этого графика можно сделать два вывода:

• Следует проявлять осторожность при сравнении характеристик емкости аккумуляторов, чтобы обеспечить сопоставимые скорости разряда.
• В автомобильной промышленности, если высокие значения тока используются регулярно для резкого ускорения или для подъема на холм, дальность действия транспортного средства будет уменьшена.

Рабочий цикл

Рабочие циклы различаются для каждого приложения. Приложения EV и HEV накладывают особые переменные нагрузки на аккумулятор. См. Пример нагрузочного тестирования. Стационарные батареи, используемые в распределенных сетевых накопителях энергии, могут иметь очень большие изменения SOC и много циклов в день.

Важно знать, сколько энергии используется за цикл, и рассчитывать на максимальную пропускную способность и мощность, а не на средний уровень.

Примечания: Для информации

• Типичный небольшой электромобиль будет потреблять от 150 до 250 Втч энергии на милю при нормальной вождении. Таким образом, для диапазона 100 миль при 200 Вт-час на милю потребуется аккумулятор емкостью 20 кВт-ч.
• В гибридном электромобиле используются батареи меньшего размера, но они могут потребоваться для работы при очень высокой скорости разряда до 40 ° C. Если в автомобиле используется рекуперативное торможение, аккумулятор также должен выдерживать очень высокую скорость зарядки, чтобы быть эффективным. См. В разделе о конденсаторах пример того, как это требование может быть выполнено.

Уравнение Пойкерта

Уравнение Пойкерта — удобный способ характеристики поведения ячейки и количественного определения смещения емкости в математических терминах.

Это эмпирическая формула, которая приблизительно определяет, как доступная емкость батареи изменяется в зависимости от скорости разряда. C = I ⁿ T, где «C» — теоретическая емкость аккумулятора, выраженная в ампер-часах, «I» — ток, «T» — время, а «n» — число Пейкерта, константа для данного аккумулятор. Уравнение показывает, что при более высоких токах в батарее меньше доступной энергии. Число Пейкерта напрямую связано с внутренним сопротивлением батареи.Более высокие токи означают больше потерь и меньшую доступную мощность.

Значение числа Пейкерта показывает, насколько хорошо батарея работает при длительных сильных токах. Значение, близкое к 1, указывает на то, что аккумулятор работает нормально; чем выше число, тем больше емкость теряется, когда батарея разряжается большими токами. Число Пейкерта батареи определяется эмпирически. Для свинцово-кислотных аккумуляторов это число обычно составляет от 1,3 до 1,4

График выше показывает, что эффективная емкость аккумулятора снижается при очень высокой скорости непрерывной разрядки.Однако при периодическом использовании батарея успевает восстановиться в периоды покоя, когда температура также возвращается к уровню окружающей среды. Из-за этой возможности восстановления емкость меньше уменьшается, а эффективность работы выше, если аккумулятор используется с перерывами, как показано пунктирной линией.

Это обратное поведение двигателя внутреннего сгорания, который наиболее эффективно работает при непрерывных устойчивых нагрузках.В этом отношении электроэнергия — лучшее решение для средств доставки, которые подвержены постоянным перебоям.

Участки Рагон

График Рагона полезен для характеристики компромисса между эффективной мощностью и управляемой мощностью. Обратите внимание, что графики Рагона обычно основаны на логарифмических шкалах.

На приведенном ниже графике показана превосходная гравиметрическая плотность энергии литий-ионных элементов.Также обратите внимание, что литий-ионные элементы с анодами из титаната лития (Altairnano) обеспечивают очень высокую плотность мощности, но пониженную плотность энергии.

Энергия и плотность мощности — участок Рагона

Источник Альтаирнано

На графике Ragone ниже сравниваются характеристики ряда электрохимических устройств.Это показывает, что ультраконденсаторы (суперконденсаторы) могут обеспечивать очень высокую мощность, но емкость хранилища очень ограничена. С другой стороны, топливные элементы могут хранить большое количество энергии, но имеют относительно низкую выходную мощность.

Рагон Участок электрохимических устройств

Наклонные линии на графиках Ragone показывают относительное время, необходимое для того, чтобы зарядить устройство или выйти из него.С одной стороны, мощность может накачиваться или извлекаться из конденсаторов за микросекунды. Это делает их идеальными для сбора энергии рекуперативного торможения в электромобилях. С другой стороны, топливные элементы имеют очень плохие динамические характеристики, требуя часов для выработки и передачи энергии. Это ограничивает их применение в электромобилях, где они часто используются вместе с батареями или конденсаторами для решения этой проблемы. Литиевые батареи находятся где-то посередине и обеспечивают разумный компромисс между ними.

См. Также Сравнение альтернативных хранилищ энергии.

Импульсная характеристика

Способность передавать сильноточные импульсы является требованием многих батарей. Пропускная способность ячейки по току зависит от эффективной площади поверхности электродов. (См. Компромисс между энергией и мощностью). Однако ограничение по току устанавливается скоростью, с которой происходят химические реакции в ячейке.Химическая реакция или «перенос заряда» происходит на поверхности электродов, и начальная скорость может быть довольно высокой, так как химические вещества, расположенные рядом с электродами, преобразуются. Однако, как только это произошло, скорость реакции ограничивается скоростью, с которой активные химические вещества на поверхности электрода могут пополняться путем диффузии через электролит в процессе, известном как «массоперенос». Тот же принцип применяется к процессу зарядки и более подробно описан в разделе «Время зарядки».Следовательно, импульсный ток может быть значительно выше, чем частота C, которая характеризует характеристики непрерывного тока.

Срок службы

Это один из ключевых параметров производительности ячейки, который указывает ожидаемый срок службы ячейки.

Жизненный цикл определяется как количество циклов, которое может выполнить элемент, прежде чем его емкость упадет до 80% от первоначальной указанной емкости.

Каждый цикл заряда-разряда и связанный с ним цикл трансформации активных химикатов, который он вызывает, сопровождается медленным ухудшением химикатов в элементе, что будет почти незаметно для пользователя. Это ухудшение может быть результатом неизбежных нежелательных химических воздействий в ячейке или роста кристаллов или дендритов, изменяющих морфологию частиц, составляющих электроды. Оба эти события могут иметь эффект уменьшения объема активных химических веществ в элементе и, следовательно, его емкости, или увеличения внутреннего импеданса элемента.

Обратите внимание, что элемент не умирает внезапно в конце указанного жизненного цикла, а продолжает свое медленное разрушение, так что он продолжает нормально функционировать, за исключением того, что его емкость будет значительно меньше, чем когда она была новой.

Срок службы в цикле, как он определен, является полезным способом сравнения батарей в контролируемых условиях, однако он может не дать наилучшего представления о сроке службы батарей в реальных условиях эксплуатации.Элементы редко эксплуатируются в последовательных полных циклах заряда-разряда, они с большей вероятностью будут подвергаться частичным разрядам различной глубины перед полной перезарядкой. Поскольку в частичных разрядах задействовано меньшее количество энергии, аккумулятор может выдерживать гораздо большее количество неглубоких циклов. Такие циклы использования типичны для гибридных электромобилей с рекуперативным торможением. Посмотрите, как продолжительность цикла зависит от глубины разряда (DOD) в разделе «Срок службы батареи».

Срок службы также зависит от температуры, как от температуры эксплуатации, так и от температуры хранения.См. Более подробную информацию в разделе «Неисправности литиевых батарей».

Общая пропускная способность энергии

Более репрезентативным показателем срока службы батареи является показатель Lifetime Energy Throughput . Это общее количество энергии в ватт-часах, которое может быть вложено в батарею и снято с нее в течение всех циклов ее срока службы до того, как ее емкость снизится до 80% от первоначальной емкости новой.Это зависит от химического состава клетки и условий эксплуатации. К сожалению, эта мера еще не используется производителями элементов питания и еще не принята в качестве отраслевого стандарта для аккумуляторов. Пока он не войдет в широкое использование, его нельзя будет использовать для сравнения производительности элементов от разных производителей таким образом, но, если он доступен, по крайней мере, он предоставляет более полезное руководство для инженеров по применению для оценки срока службы используемых батарей. в своих проектах.

См. Также Состояние здоровья (SOH) и Расчетный срок службы батареи

Глубокий разряд

Срок службы в цикле уменьшается с увеличением глубины разряда (DOD) (см. Срок службы батареи), и многие химические элементы элементов не допускают глубокого разряда, и элементы могут быть необратимо повреждены при полной разрядке.Специальные конструкции ячеек и химические смеси необходимы, чтобы максимально увеличить потенциальную глубину разряда батарей глубокого разряда.

Зарядные характеристики

Кривые зарядки и рекомендуемые методы зарядки включены в отдельный раздел зарядки

аккумуляторов | Бесплатный полнотекстовый | Факторы, влияющие на расчет емкости литий-ионных стационарных батарей

1.Введение

В результате конкурентных исследований и разработок во всем мире ускоряется разработка мощных и высокопроизводительных систем хранения энергии (ESS). С момента появления литий-ионных аккумуляторов в 1991 году они широко применяются в устройствах хранения энергии. Вначале он широко использовался в портативных электронных устройствах. Однако в последние годы применение ESS в электромобилях и установках возобновляемой энергии быстро расширяется.Однако, хотя промышленные стандарты для определения размеров существующих стационарных батарей, таких как свинцово-кислотные и никель-кадмиевые батареи, установлены, промышленные стандарты для определения размеров литий-ионных стационарных батарей все еще находятся в стадии разработки.

IEC 62619-2017, «Требования безопасности для вторичных литиевых элементов и батарей для использования в промышленности» и IEC 62620-2014, «Вторичные элементы и батареи, содержащие щелочные или другие некислотные электролиты» — недавно установленные международные стандарты для стационарных устройств. литий-ионные аккумуляторы.Однако стандарты IEC 62619 и 62620 не охватывают метод определения емкости литий-ионных стационарных батарей. Корейская электрическая ассоциация опубликовала Кодекс электроэнергетики Кореи (KEPIC) EEG 1400 «Проектирование установки и установка литий-ионных батарей для станций» 31 декабря 2017 года. KEPIC EEG 1400 описывает, как определить размер литий-ионной стационарной батареи. батареи, но не учитывает все характеристики литий-ионных аккумуляторов.

2. Факторы, влияющие на расчет емкости литий-ионных аккумуляторов

2.1. Номинальное напряжение Литий-ионные батареи

2.2. Зарядное напряжение и состояние емкости

2.2.1. Процесс зарядки и напряжение

2.2.2. Напряжение подзарядки

2.3. Разрядный ток и разрядная емкость

• Q _p Разрядная емкость при разряде при 1 A [Ач]

• I Ток разряда [A]

• T Время разряда для достижения напряжения прекращения разряда [с]

• K Постоянно, приблизительно 1.3.

2.4. Рабочая температура и разрядная емкость Литий-ионные батареи

2,5. Цикл зарядки и сохранение емкости

3. Расчет емкости литий-ионной батареи

3.1. Соответствующие промышленные стандарты

3.2. Формула для расчета емкости батареи

F _с

— мощность, необходимая для нагрузок постоянного тока [Вт-ч];

F _d

— емкость аккумулятора без поправки на температуру, старение, расчетный запас и т. Д .;

S _f

— поправочный коэффициент емкости.

S _f = (1 + d _f ) × (1 + t _f ) × (1 + c _f ) × (1 + a _f ) × (1 + i _f )

(3)

d _f

— расчетный запас;

t _f

— коэффициент температурной поправки;

c _f

— коррекция состояния заряда (SOC);

a _f

— компенсация старения;

i _f

— потеря инвертора (только для батареи ИБП).

Поправочные коэффициенты мощности были рассчитаны следующим образом. Расчетный запас (d _f ) — это запас, который требуется для покрытия неизвестных или непроверенных нагрузок постоянного тока. Рекомендуемый расчетный запас для стационарной батареи указан в IEEE 485.

Батареи чувствительны к температуре окружающей среды. Температурный поправочный коэффициент (t _f ) был выбран на основе постулируемого минимального рабочего состояния.

4. Пример определения емкости литий-ионных аккумуляторов

4.1. Аккумуляторы постоянного тока 125 В для атомной электростанции, не связанные с безопасностью

4.2. Аккумуляторная батарея и выбор системы

F _d = {(1431,17 × 1/60) + (1263,62 × 29/60) + (258,62 × 90/60) + (142,2 × 120/60)} × 125 =
1306,9 А · ч × 125 В = 163 366,6 [ Wh]

S _f = (1 + 0,10) × (1 + 0,05) × (1 + 0,10) × (1 + 0,25) × (1 + 0) = 1,59

d _f : 10%, t _f : 5%, c _f : 10%, a _f : 25%, i _f : 0%

Тогда требуемая емкость аккумулятора при нагрузках постоянного тока [Вт · ч] составляет

F _s = 163 366,9 × 1,59 = 259 752.9 [Вт-ч]

Система батарей для системы 125 В постоянного тока, не связанной с безопасностью:

(a)

Батарейный модуль

• Емкость: 9435 Втч

• Тип элемента: 150 Ач (75 Ач × 2)

• Номинальное напряжение: 62,9 В (3,7 В × 17)

• Тип подключения: 17 серий × 2 параллельных

(b)

Батарейный отсек

• Количество модулей: 10 модулей / шкаф

• Тип подключения: 2 серии × 5 параллельных

• Емкость ячейки: 750 Ач (150 Ач × 5)

• Номинальное напряжение: 125.8 В (62,9 В × 2)

• Размеры (Ш × Г × В): 1150 × 740 × 2116 мм

• Пиковая скорость разряда; 6000 A (8 C)

(c)

Аккумуляторная система

• Количество ячеек: 3 ячейки

• Тип подключения системы: 3 параллельных

• Емкость: 2250 Ач (750 Ач × 3)

• Номинальное напряжение: 125,8 В

• Энергия: 283 кВтч

• Площадь основания: 2.25 м ² (0,85 м ² × 3 ячейки)

(d)

Фактор поправки на практическую вместимость:

4.3. Эквивалентная емкость и размер свинцово-кислотной батареи

F = maxS = 1 ~ N∑P = 1P = s [Ap-A (p-1)] kt

(4)

• F — нескорректированный размер ячейки;

• S — участок анализируемого рабочего цикла;

• N — количество периодов в рабочем цикле;

• P — анализируемый период;

• A _p — амперы, необходимые для периода P;

• t — время в минутах от начала периода P до конца участка S;

• k _t — это отношение номинальной емкости элемента в ампер-часах к токам, которые может отдавать элемент в течение t минут при 25 ° C и заданном минимальном напряжении элемента.

5. Результаты и выводы

Там, где требуется долговременное резервное питание постоянного тока в случае потери питания переменного тока, например, на атомных электростанциях, настоятельно рекомендуется применять литий-ионные батареи с высокой плотностью энергии. Однако до настоящего времени не было разработано одобренного на международном уровне промышленного стандарта для расчета емкости стационарных литий-ионных аккумуляторов. Таким образом, формула расчета емкости литий-ионной стационарной батареи и факторы, влияющие на результат расчета емкости, представленные и оцененные в этой статье, помогут в проектировании и эксплуатации литий-ионных стационарных батарей.С другой стороны, производители литий-ионных аккумуляторов также должны предоставлять пользователям точные данные по указанным выше факторам.

Свинцово-кислотный аккумулятор Недостатки и обслуживание

— недостатки

1 / Ограниченная «полезная» емкость

Обычно считается разумным использовать только 30% — 50% номинальной емкости типичных свинцово-кислотных аккумуляторов «глубокого цикла». Это означает, что аккумуляторная батарея на 600 ампер-часов на практике обеспечивает в лучшем случае только 300 ампер-часов реальной емкости.
Если вы даже время от времени разрядите батареи больше, чем это значение, их срок службы резко сократится.

2 / Ограниченный срок службы

Даже если вы бережно относитесь к своим батареям и никогда не разряжаете их слишком сильно, даже самые лучшие свинцово-кислотные батареи глубокого цикла обычно годны только для 500-1000 циклов. Если вы часто подключаетесь к своему батарейному блоку, это может означать, что ваши батареи могут нуждаться в замене после менее чем 2-летнего использования.

3 / Медленная и неэффективная зарядка

Последние 20% емкости свинцово-кислотных аккумуляторов нельзя «быстро» зарядить. Первые 80% могут быть быстро заряжены интеллектуальным трехступенчатым зарядным устройством (особенно аккумуляторы AGM могут выдерживать большой зарядный ток), но затем начинается фаза «абсорбции», и зарядный ток резко падает.

Как и в случае с проектом разработки программного обеспечения, последние 20% работы могут занять 80% времени.

В этом нет ничего страшного, если вы заряжаете подключенный к сети на ночь, но это огромная проблема, если вам приходится оставлять генератор работающим на несколько часов (что может быть довольно шумным и дорогостоящим в эксплуатации). И если вы зависите от солнечной энергии и солнце садится до того, как эти последние 20% будут заполнены, вы можете легко получить батареи, которые никогда не будут полностью заряжены.

Неполная зарядка последних нескольких процентов не была бы большой проблемой на практике, если бы не тот факт, что неправильная регулярная полная зарядка свинцово-кислотных аккумуляторов приводит к их преждевременному старению.

4 / Потраченная энергия

В дополнение к потере времени генератора свинцово-кислотные батареи страдают еще одной проблемой эффективности — они тратят до 15% энергии, вложенной в них, из-за присущей им неэффективности зарядки. Таким образом, если вы обеспечиваете мощность 100 ампер, вы сохраняете только 85 ампер-часов.

Это может быть особенно неприятно при зарядке от солнечной батареи, когда вы пытаетесь выжать из каждого усилителя как можно больше эффективности до того, как солнце сядет или не закроется облаками.

5 / Убытки Пойкерта

Чем быстрее вы разряжаете свинцово-кислотную батарею любого типа, тем меньше энергии вы можете получить от нее. Этот эффект можно рассчитать, применив закон Пойкерта (названный в честь немецкого ученого В. Пойкерта), и на практике это означает, что сильноточные нагрузки, такие как кондиционер, микроволновая печь или индукционная варочная панель, могут привести к тому, что батарея свинцово-кислотных аккумуляторов сможет работать. фактически доставляет всего 60% своей нормальной емкости. Это огромная потеря емкости, когда она вам нужна больше всего…

В приведенном выше примере показаны технические характеристики аккумулятора Concord AGM: в этой спецификации указано, что аккумулятор может обеспечить 100% номинальной емкости при разрядке за 20 часов (C / 20). При разрядке за один час (C / 1) аккумулятор обеспечивает только 60% номинальной емкости. Это прямое следствие потерь Пойкерта.

В конце концов, батарея AGM , ​​рассчитанная на 100 Ач при C / 20, обеспечит полезную емкость 30 Ач при разрядке за один час как 30 Ач = 100 Ач x 50% DoD x 60% (потери Пойкерта).

6 / Вопросы размещения

Залитые свинцово-кислотные батареи выделяют ядовитый кислотный газ во время зарядки, и они должны содержаться в герметичном батарейном отсеке с выходом наружу.Они также должны храниться в вертикальном положении, чтобы избежать разлива электролита из аккумуляторной батареи.

AGM не имеют этих ограничений и могут быть размещены в непроветриваемых помещениях — даже внутри вашего жилого помещения. Это одна из причин, по которой аккумуляторы AGM стали такими популярными среди моряков.

6 / Требования к техническому обслуживанию

Залитые свинцово-кислотные батареи необходимо периодически доливать дистиллированной водой, что может быть обременительным делом при техническом обслуживании, если к отсекам для батарей трудно добраться.

AGM и гелевые ячейки действительно не требуют обслуживания. Однако отсутствие необходимости в техническом обслуживании имеет и обратную сторону — аккумулятор с затопленными ячейками, который случайно перезарядился, часто можно восстановить, заменив выкипевшую воду. Гелевый или перезаряженный аккумулятор AGM часто необратимо разрушается.

7 / падение напряжения

Полностью заряженный свинцово-кислотный аккумулятор на 12 В начинает работать с напряжением около 12,8 В, но по мере разрядки напряжение постоянно падает. Напряжение падает ниже 12 вольт, когда батарея все еще имеет оставшееся 35% от общей емкости, но некоторая электроника может не работать при напряжении менее 12 вольт.Этот эффект «провисания» также может привести к затемнению света.

8 / Размер и вес

Типичный аккумулятор размера 8D, который обычно используется для больших батарейных блоков, имеет размер 20,5 ″ x 10,5 ″ x 9,5 ″. Если взять конкретный пример 8D, троян 8D-AGM весит 167 фунтов и обеспечивает всего 230 ампер-часов общей емкости — что оставляет вам 115 ампер-часов, которые можно использовать по-настоящему, и только 70 ампер-часов для приложений с высокой разрядкой!

Если вы разрабатываете для обширной стыковки, вам понадобится как минимум четыре 8D или целых восемь.Это ОЧЕНЬ большой вес, который влияет на экономию топлива.

И, если у вас ограниченное пространство для батарей на вашей установке — только размер батарей ограничит вашу емкость.

По мнению экспертов, в связи с резким падением стоимости аккумуляторов литий-ионные инновации достигают пределов.

Следующая история является первой из двух частей, в которой рассматриваются пределы инноваций в литий-ионных аккумуляторах.Вторая часть серии расскажет о будущем химии аккумуляторов на ближайшее десятилетие .

для массового потребления, которые сейчас движут быстро растущим рынком электромобилей, всего десять лет назад были дорогостоящим предложением. Литий-ионные аккумуляторные батареи стоили 1183 доллара США за киловатт-час в 2010 году; По данным BloombergNEF, девять лет спустя цена упала почти в десять раз до 156 долларов США за кВтч в 2019 году.

Темпы снижения стоимости застали врасплох экспертов по аккумуляторным батареям, в том числе аналитика Джеймса Фрита, главу BloombergNEF по хранению энергии.«Они падают быстрее, чем я прогнозировал каждый год», — сказал Фрит. «Это, конечно, удивительно».

Ребекка Сиз, научный сотрудник Центра энергетики и окружающей среды Андлингера Принстонского университета, изучающая стоимость батарей, согласна. «Недавнее падение довольно драматично», — сказал Сиез. «Удивительно, как быстро рынок изменился».

Эксперты указали на импульс в расширении производства как на причину падения цен, а также на постепенные инновации в химии аккумуляторов.Производители отказываются от некоторых более дорогих компонентов аккумуляторов, таких как кобальт, поскольку они наращивают объемы никелевых аккумуляторов, производство которых стало дешевле по мере расширения заводов.

Сиез отметил, что десять лет назад рынок электромобилей только что испытывал давление, заставляющее строить автомобили и грузовики в местах, где выбросы углерода только начинали регулироваться, например, в Калифорнии. «Итак, у вас были эти автомобили, отвечающие требованиям, производители которых говорили:« Хорошо, мы должны сделать эту [Toyota] RAV4 электрической », — сказал Сиез, используя в качестве примера автомобиль, работающий на ископаемом топливе.«И поэтому они просто собирали кучу легко доступных аккумуляторов для ноутбуков».

С тех пор сектор аккумуляторов добился огромных успехов в снижении затрат, улучшив материалы в аккумуляторах, чтобы использовать более дешевые и менее сомнительные с этической точки зрения металлы, сохранив при этом эффект масштаба.

100 долларов США / кВтч — Святой Грааль

Производители приближаются к моменту, когда электромобили достигнут паритета по стоимости со своими собратьями, работающими на ископаемом топливе, по цене около 100 долларов США за киловатт-час или, возможно, немного меньше, считают эксперты.Эта цена широко рассматривается как переломный момент в секторе, где потребители больше не будут рассматривать электромобили как более дорогие варианты.

BloombergNEF прогнозирует, что затраты на аккумуляторные батареи упадут ниже 100 долларов США / кВтч в 2024 году и достигнут примерно 60 долларов США / кВтч к 2030 году, сказал Фрит. Аналогичным образом, аналитики Bernstein прогнозируют, что 2024 год станет годом, когда основные электромобили достигнут паритета по стоимости с бензиновыми и дизельными автомобилями, в то время как лидеры в области электромобилей в этом секторе могут достичь той же точки к 2022 или 2023 году.

Хотя это будет достигнуто без серьезных инноваций в литий-ионных батареях, зрелая литий-ионная технология быстро приближается к пределам возможностей ее улучшения, сообщили S&P Global Market Intelligence эксперты. Один химик по аккумуляторным батареям, ведущий ученый, занимающийся литий-ионными аккумуляторами, который проводил исследования для крупного производителя электромобилей, зависящего от технологии, сказал, что литий-ионные аккумуляторы начали работать на максимуме по определенным направлениям, таким как цена, плотность энергии и скорость зарядки. .

«Никакого гигантского всплеска впереди не будет», — сказал химик. С его точки зрения, постепенных улучшений может быть достаточно, чтобы удовлетворить потребителей, в то время как любые революционные изменения в батареях, связанные с непроверенными технологиями, останутся без внимания.

«Сегодня вы можете хорошо справиться с литий-ионными батареями», — сказал он. «И, помогая снизить стоимость — это улучшит проникновение на рынок всей технологии».

Венкат Вишванатан, доцент кафедры машиностроения Университета Карнеги-Меллона, согласен, что технология приближается к своим пределам.Он ожидает, что цены на литий-ионные батареи все еще могут снизиться примерно на 20-30%, но они вряд ли станут намного дешевле.

«Мы быстро приближаемся к пределу затрат на сырье», — сказал Вишванатан.

BloombergNEF: плотность элементов литий-ионных аккумуляторов почти утроилась с 2010 г.

Колин МакКеррахер из BloombergNEF выступил на саммите BloombergNEF в Сан-Франциско на прошлой неделе, где он привел доводы в пользу того, что электромобили достигают «конца начала».«Доводы в пользу того, что электромобили становятся массовыми или выходят из стадии раннего внедрения, были вызваны увеличением плотности энергии в литий-ионных батареях и соответствующим снижением стоимости, которое происходит вместе с этим.

Снимок экрана из презентации BloombergNEF.

Плотность энергии батареи — это количество энергии, которое может храниться при одинаковом весе. Подумайте об этом как о количестве диапазона, которое можно извлечь из той же упаковки 500 кг (1102 фунта).По мере увеличения плотности энергии из аккумуляторной батареи того же веса может быть извлечено больше энергии. «Плотность энергии аккумуляторов становится все лучше, — сказал Колин МакКеррахер, руководитель отдела передовых транспортных средств BloombergNEF. «С 2010 года они почти утроились на уровне ячеек».

Снимок экрана из презентации BloombergNEF.

Эти ошеломляющие улучшения проложили путь к электрифицированному будущему. По мере повышения плотности энергии на рынок появляются электромобили с большей дальностью хода, без необходимости в физически более крупных и тяжелых упаковках.Эту тенденцию можно увидеть в Tesla Model S, которая вышла на рынок с запасом хода ~ 250 миль (402 км) на одной зарядке. Самая последняя модель S с аккумулятором Long Range Plus может достигать 628 км пробега на одной зарядке. Это также можно увидеть в увеличении запаса хода, который Nissan LEAF постоянно набирает с 2011 года, увеличившись с 73 миль (117 км) тогда до 215 миль (346 км) в 2020 году (кстати, почти втрое больше).

Повышение плотности энергии позволяет добиться других значимых побед с электромобилями.По мере увеличения плотности та же упаковка на 100 кВтч становится легче. Более легкие аккумуляторные блоки снижают расходы на транспортировку и погрузочно-разгрузочные работы по всей цепочке поставок, что еще больше снижает стоимость аккумулятора. МакКеррахер также прокомментировал цены на аккумуляторы, отметив, что в последние годы цена на литий-ионные аккумуляторы продолжает падать. Ожидается, что эта тенденция сохранится в 2020 году, при этом BloombergNEF оценивает снижение цен со 156 долларов за кВтч в 2019 году до 135 долларов за киловатт-час в 2020 году.

Снимок экрана из презентации BloombergNEF.

развиваются в поддержку небольшого, но растущего парка электромобилей. По оценкам BloombergNEF, во всем мире установлено почти 1 000 000 точек зарядки электромобилей (это один миллион), и это при том, что уровень внедрения электромобилей на развитых рынках составляет всего 2–5%. Кроме того, при этом игнорируется множество более простых электрических розеток, которые можно использовать для зарядки электромобиля (точно так же, как вы можете использовать для зарядки своего компьютера или телефона).

Когда дело доходит до продаж электромобилей, отрасль впервые вынуждена стоять самостоятельно в некоторых странах, штатах, городах и авиационных округах, поскольку они начинают постепенно отказываться от стимулов для электромобилей на развитых рынках.В США Tesla и GM уже превысили порог в 200000 автомобилей, который знаменует собой постепенный отказ от федеральной налоговой льготы на электромобили, и вы больше не сможете получить никаких налоговых льгот, если купите Tesla здесь. (Покупатели электромобилей других марок по-прежнему могут получить налоговую скидку в размере 7500 долларов на одно транспортное средство в системе, которая, как ни странно, наказывает лидеров отрасли). После массового всплеска и ранней поддержки подключаемых транспортных средств в поддержку инициатив по чистому воздуху Китай аналогичным образом сокращает прямые субсидии на закупку. Продажи электромобилей в Китае резко упали из-за нового ценового давления на автопроизводителей.

В США рынок электромобилей в основном неинтересен, за исключением Tesla. В частности, Tesla Model 3 продвинула Tesla в массовое сознание и в рейтинги продаж на массовом рынке. Продажи автомобилей Tesla в США оставались стабильными с тех пор, как Tesla успешно увеличила производство своего первого доступного электромобиля в третьем квартале 2018 года.

Страх перед «убийцами Tesla» со стороны основных автопроизводителей утих, поскольку Model 3 устояла против Audi e-tron и Jaguar I-PACE.Электромобили могут выглядеть, пахнуть и иметь окна, как у автомобилей внутреннего сгорания, но их создание — это совсем другая игра. Tesla подняла планку производительности, дальности действия, стоимости, зарядки и технологий, заставив автопроизводителей занять оборонительную позицию. Это непросто вложить деньги в разработку нового автомобиля или программы трансмиссии. Вы должны переосмыслить автомобиль, чтобы соревноваться.

По мере ослабления стимулов к покупке электромобилей возрастающее давление на унаследованных автопроизводителей также исходит из городов и штатов, которые настаивают на жестких запретах на использование автомобилей внутреннего сгорания в центрах городов в ближайшие 10–20 лет.Эти косвенные правила не только заставляют автопроизводителей вывести на рынок жизнеспособные подключаемые автомобили — они вызывают изменения в поведении потребителей, поскольку люди смотрят на будущую стоимость перепродажи и полезность автомобилей, приобретаемых сегодня. Фактически, как мы сообщали вчера вечером, Tesla Model 3 сохраняет свою ценность лучше, чем любой другой автомобиль в США — безусловно. Это будет только увеличиваться по мере того, как все больше городов будут серьезно относиться к продвижению электромобилей и отказу от загрязняющих их транспортных средств.

«Политика города становится важной движущей силой и меняет мировой автомобильный рынок», — сказал МакКеррахер.

Мировые тенденции явно направлены на электромобили, но увеличение масштаба открывает более тонкую историю. Китай наращивает долгосрочные цели по покупке электромобилей, и во многих городах уже есть больше продаж электромобилей, чем во многих европейских странах. США по-прежнему отстают, с регрессивным правительством, которое, похоже, намеревается вместо этого нажать на ускоритель выбросов, откатывая регулирование, как будто оно выходит из моды.

Для электромобилей все еще рано, но резкое увеличение производства и соответствующие показатели продаж также поддерживают впечатляющие исследования и разработки в области технологии аккумуляторных батарей.Это, в свою очередь, ведет к еще большему снижению затрат, катализируя всплеск продаж. Будущее выглядит светлым, поскольку конец появления электромобилей также знаменует собой начало конца зависимости человечества от ископаемого топлива.