Сравнение аккумуляторов: AGM vs Lithium

В свете нашей последней статьи относительно использования постоянного тока или гибридной концепции электроснабжения появилась идея, что система также могла бы использовать моноблочные AGM/GEL аккумуляторные батареи или даже банк 2В гелевых элементов OPzV с повышенным сроком службы. Но почему же тогда была выбрана литиевая электрохимическая система? Надеюсь, что эта статья объяснит весь процесс принятия данного решения.

В последние годы литиевые аккумуляторы (Li-ion) используются все больше и больше, причем в самых разнообразных сферах. Непосвященный человек может подумать, что Li-ion – это просто более дорогая альтернатива VRLA (от англ. valve-regulated lead-acid battery - клапанно-регулируемый свинцово-кислотный аккумулятор) технологиям, таким как AGM (от англ. Absorbend Gel Mat), если будет сравнивать только показатель Ач (ампер-час). Но при погружении в эту тему становится понятно, что существует очень много нюансов, и не стоит руководствоваться лишь показателем Ач при выборе аккумуляторной батареи.

В сфере морского транспорта (где у нас есть некоторый опыт), выбор на сегодняшний день, и особенно с учетом высоких нагрузок, очень часто сводится к противостоянию двух типов аккумуляторов - Li-ion и AGM. В сравнении, которое последует далее, показано, что просто гелевые свинцово-кислотные аккумуляторы имеют небольшую эффективную емкость при высоких разрядных токах. Стоят же они примерно столько же, сколько и AGM, если оба этих типа аккумуляторов исполнены как моноблоки, а 2В гелевые элементы OPzV с повышенным сроком службы имеют даже несколько большую стоимость. Элементы с жидким электролитом и затопленные аккумуляторы (FLA) для этой конкретной сферы не рассматриваются, так как необходимость их технического обслуживания и соображения безопасности делают их неактуальными. Но для другого применения они могут быть весьма интересны.

Полезная энергия аккумулятора и стоимость

Принято считать, что наиболее экономная и практичная глубина разряда для AGM аккумуляторов составляет 50%. Для литий-железо-фосфатных (LiFePO4 или LFP) же аккумуляторов, наиболее безопасных из основных типов Li-ion, рабочая глубина разряда находится уже на уровне 80%.

Как это влияет на реальную эксплуатацию? Давайте рассмотрим два примера с 24В аккумуляторами Victron и сравним их полезную энергию в аспекте использования для небольшой яхты:

1 x Victron Lithium-ion 24В 180Ач

Номинальное напряжение элемента LFP аккумулятора составляет 3,3В. Этот 24,6В аккумулятор состоит из 8 последовательно соединенных элементов и имеет емкость 180Ач. Доступная энергия составляет 26,4 * 180 = 4,75кВт*ч. Полезная же энергия равна 26,4 * 180 * 0,80 = 3,8кВт*ч.

1 x Victron AGM 12В 220Ач

Номинальное напряжение элемента этого свинцово-кислотного аккумулятора составляет 2,0В. Каждый 12В моноблочный аккумулятор состоит из 6 последовательно соединенных элементов и имеет емкость 220Ач. Подключение двух таких аккумуляторов в последовательной конфигурации увеличит напряжение до 24В, а емкость останется та же - 220Ач. Доступная энергия тут равна 24,0 * 220 = 5,28кВт*ч, а полезная - 24 * 220 * 0,50 = 2,64кВт*ч.

Таким образом возникает вопрос, какую емкость должен иметь AGM аккумулятор, чтобы соответствовать 3,8кВт*ч полезной энергии Li-ion конкурента? Несложно рассчитать, что для получения необходимых 3,8кВт*ч полезной энергии AGM аккумулятор должен иметь доступную энергию на 50% большую, то есть 3,8 * 2 = 7,6кВт*ч. Теперь нам нужно рассчитать емкость, при 24В это будет 7600 / 24 = 316,66Ач, что примерно в два раза больше номинальной емкости Li-ion 24В - 180Ач. Обратите внимание, что мы не берем в расчет такие факторы как износ аккумулятора, его температуру или влияние больших нагрузок. Для AGM аккумуляторов большие нагрузки более губительны в сравнении с Li-ion. Более подробно эти нюансы раскрываются в разделе “Полезная энергия: поведение емкости и напряжения при разных нагрузках”, который находится ниже. Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что емкость AGM аккумулятора должна быть в два раза больше емкости Li-ion.

А что насчет стоимости? Изучив прайс-лист Victron мы увидим, что 12В 220Ач AGM стоит € 470 или € 2,136 за 1 Ач. Но нас интересует емкость 316,66Ач, и ей будет соответствовать цена € 676,50 для 12В системы и € 1,353 для 24В. Li-ion аккумулятор напряжением 24В и емкостью 180Ач стоит € 4.704 (на момент написания статьи), и сравнив цены получим, что стоимость Li-ion больше в 4.704 / 676,50 = 3,48 раз.

Разница в стоимости довольна существенна, и экономическая эффективность Li-ion становится сомнительной, но сравнение стоимости лишь полезной энергии еще недостаточно для полноценных выводов.

Сравнение аккумуляторов: AGM vs Lithium

Вес аккумуляторов

Для большинства аккумуляторов, независимо от типа, показатель Ач рассчитывается исходя из 20-часового периода работы. И все будет прекрасно, если подключена небольшая нагрузка, но мы должны правильно оценить всех потребителей электроэнергии, которые будут воздействовать на аккумулятор, в зависимости от их мощности и времени воздействия. Это поможет правильно рассчитать размер аккумулятора. Ведь есть разница между 10 часами работы кондиционера мощностью 10кВт, и тем же периодом эксплуатации, к примеру, светодиодного освещения мощностью 100Вт. Согласование всех подобных нагрузок становится ключевым фактором при выборе аккумулятора. Большой аккумулятор, конечно же, сможет питать и большую нагрузку, но тут уже проблемой становится его вес. Сравним вес свинцово-кислотного и Li-ion аккумуляторов с идентичным показателем полезной энергии. Свинцово-кислотный будет в 1360 / 336 = 4 раза тяжелее.

Сравнение аккумуляторов: AGM vs Lithium

Полезная энергия: поведение емкости и напряжения при разных нагрузках

Как уже говорилось выше, показатель Ач почти всех аккумуляторов рассчитывается исходя из 20-часового периода работы. На графике для свинцово-кислотного аккумулятора, который расположен ниже, можно увидеть, что, допустим, для 100Ач аккумулятора с 20-часовым периодом работы 0,05С будет означать 100 * 0,05 = 5А в течение 20 часов при доступных 100Ач до полной разрядки аккумулятора. Так как мы используем глубину разряда лишь 50%, при котором как мы видим из графика напряжение стабильно - 24В, то нагрузка с силой тока 5А за 10 часов потребит 50Ач.

Увеличение разрядной силы тока (также видно на графике) может повлиять на доступную полезную энергию и напряжение аккумулятора. Данная особенность известна под названием эффект Пейкерта. Чем большая нагрузка подключена к свинцово-кислотному аккумулятору, тем больше нужно увеличивать его емкость для достижения нужного времени работы. Литий-ионная же электрохимическая система даже при в 10 раз большей нагрузке, чем 0,05С, по-прежнему будет иметь стабильное напряжение даже при 80% уровне разрядки/20% степени заряженности, и ей не нужно увеличение емкости, как свинцово-кислотной. Этот нюанс делает Li-ion аккумуляторы более стойкими к высоким нагрузкам.

Примечание: На графиках ниже показана зависимость напряжения на клеммах от остаточной емкости аккумулятора. График для свинцово-кислотной электрохимической системы демонстрирует поведение AGM аккумулятора. Причина, по которой в графиках используется остаточная емкость, а не время разряда, заключается в том, что Li-ion имеет более высокое и стабильное напряжение на клеммах в сравнении с AGM, поэтому построение зависимости, использующее остаточную емкость, дает более точное сравнение электрохимических систем, и показывает, что Li-ion имеет лучшую полезную энергию при более высоких нагрузках из-за более высокого и стабильного выходного напряжения. Хотя данная область исследования аккумуляторов и довольно сложна (в том числе и из-за изменяющегося внутреннего сопротивления), это все же лучший путь для сравнения разных электрохимических систем. Нижеследующие графики и изображения – лучшее тому подтверждение.

Li-ion электрохимическая система - Разрядная емкость vs Напряжение на клеммах

Сравнение аккумуляторов: AGM vs Lithium

Свинцово-кислотная электрохимическая система - Разрядная емкость vs Напряжение на клеммах

Сравнение аккумуляторов: AGM vs Lithium

Полезная энергия (Свинцово-кислотная электрохимическая система)

Сравнение аккумуляторов: AGM vs Lithium

Полезная энергия (Li-ion электрохимическая система)

Сравнение аккумуляторов: AGM vs Lithium

Эффективность зарядки

Многое, что мы узнали о процессе разрядки, справедливо и для обратного процесса - зарядки. Не удивляйтесь большому размеру генераторов на рисунках ниже, просто в данной статье мы пытаемся изучить все возможные сценарии. Показанные решения легко могут быть масштабированы. Во-первых давайте сравним эффективность полного цикла зарядки свинцово-кислотной электрохимической системы (слева) и Li-ion (справа). Зарядка последних 20% емкости свинцово-кислотного аккумулятора всегда более медленна и неэффективна по сравнению с Li-ion. Это подтверждается и затратами на топливо (или любой другой используемый нами источник зарядки) на рисунках ниже. Также обратите внимание и на разницу во времени зарядки.

Примечание: Параметры зарядки

Рекомендуемым зарядным С-рейтингом для больших AGM аккумуляторов является 0,2С, то есть аккумуляторная система емкостью 600Ач, состоящая из параллельно соединенных 200Ач аккумуляторов, требует зарядной силы тока 120А.

Более высокая зарядная сила тока приведет к нагреву аккумулятора (температурная компенсация, контроль напряжения и хорошая вентиляция крайне необходимы для избегания теплового пробоя), также из-за внутреннего сопротивления переход в режим насыщения произойдет еще при 60% степени заряженности, или даже еще меньшем уровне, в результате чего для полной зарядки аккумулятора будет требоваться более длительное время режима насыщения.

Зарядка с более высоким С-рейтингом, следовательно, несущественно сократит общее время зарядки аккумулятора свинцово-кислотной электрохимической системы.

Для сравнения, Li-ion аккумулятор емкостью 200Ач может заряжаться силой тока 500А, однако рекомендованный для максимальной продолжительности срока службы зарядный ток составляет 100А (0,5С) или меньше. И опять же, как мы видим, и разрядные, и зарядные характеристики Li-ion электрохимической системы превышают показатели свинцово-кислотной.

Сравнение аккумуляторов: AGM vs Lithium

Сравнение аккумуляторов: AGM vs Lithium

Сравнение аккумуляторов: AGM vs Lithium

Выбор аккумулятора исходя из нюансов эксплуатации

В зависимости от особенностей эксплуатации аккумулятора, можно попытаться предварительно рассчитать нюансы его циклической работы, правильно подобрав его размеры. Рабочая температура также играет большую роль. Чем она выше, тем быстрее будет изнашиваться аккумулятор. При пониженной температуре емкость снижается, все номинальные характеристики аккумуляторов указываются для 25°С.

Сравнение аккумуляторов: AGM vs Lithium

Сравнение аккумуляторов: AGM vs Lithium

Сравнение аккумуляторов: AGM vs Lithium

Заключение

Очевидно, что AGM аккумуляторы будут выходить из строя быстрее, чем Li-ion. Это стоит учитывать в плане дополнительных трат на время, монтаж и транспортировку, что в процессе длительной эксплуатации нивелирует первоначальную высокую стоимость Li-ion, как это делает и более экономным процесс зарядки.

Независимо от того, какой выбор вы сделаете, в самом начале всегда будут присутствовать существенные капитальные расходы и технологический риск. Если у вас есть возможность более крупных первоначальных расходов, то выбор Li-ion значительно упростит вам жизнь и покажет лучшую экономическую эффективность в долгосрочной перспективе. Многое также зависит от компетентности и знаний в сфере аккумуляторной техники, равно как и от условий эксплуатации. Иногда говорят, что “аккумуляторы не умирают, их убивают”. Надлежащая эксплуатация будет гарантией от раннего износа, независимо от используемой электрохимической системы.

Li-ion или AGM? Решать вам. Лично мы считаем, что настало время рассмотреть вопрос более широкого использования Li-ion в сфере морского транспорта, так как это эффективное, надежное и высокопроизводительное решение. На прошлой неделе (чисто из любопытства) мы были на тест-драйве Tesla Model S, в котором используется Li-ion аккумуляторная система. И если вы интересуетесь электромобилями, то наверняка знаете, что ни один уважающий себя производитель уже не рассматривает свинцово-кислотную электрохимическую систему в качестве перспективной для этой сферы. Может, и в сфере морского транспорта пора делать такие же выводы?

Спасибо Ренуа Вадеру и Йоханнесу Бунстра за используемые изображения и техническую информацию.


Рейтинг и отзывы: 1 1 1 1 1 5/5 на основе 1 голоса