Определение оптимального времени автономной работы и коэффициента мощности литий-ионного аккумулятора

Электрическая батарея может быть оптимизирована для хранения большого количества энергии, а может – под высокие показатели силы тока. Аналогией может служить емкость с водой, где ее общий объем - это количество электроэнергии, а размер горлышка, который определяет пропускную способность, - это мощность.

Физические размеры батареи определяются объемом в литрах (л) и весом в килограммах (кг). Введение объема и веса позволяют манипулировать такими характеристиками как удельная энергоемкость в Вт*ч/кг, плотность мощности в Вт*ч/л и удельная мощность в Вт/кг. Большинство батарей рассчитываются в Вт*ч/кг, показывая, сколько энергии данная масса сможет генерировать. (Смотрите: Характеристики электрической батареи и их предназначение).


Аккумуляторы EverExceed

 

Standard Range AGM Deep Cycle Range AGM Gellyte Range GEL
свинцово-кислотные аккумуляторы аккумуляторы для газового котла гелевые аккумуляторы 12 вольт 100 ач и 200 ач 
10 - 12 лет / 600 циклов 10 - 12 лет / 700 циклов 10 - 12 лет / 750 циклов
универсальная серия AGM для глубоких разрядов AGM универсальная серия GEL

Соотношение между энергией и мощностью лучше всего демонстрируется с помощью графика - с показателем энергоемкости в Вт*ч на оси X и с мощностью в Вт на оси Y. Диагональные линии поперек поля показывают время работы определенного электрического элемента при разных условиях нагрузки. Полученная кривая мощности четко показывает, какой уровень мощности может обеспечить батарея. Данный график демонстрирует логарифмическую зависимость между очень высокими и низкими значениями.

График взаимозависимости между мощностью и энергоемкостью литий-ионных аккумуляторов типоразмера 18650

Рисунок 1: График взаимозависимости между мощностью и энергоемкостью литий-ионных аккумуляторов типоразмера 18650. Четыре литий-ионные модели сравниваются по мощности и энергоемкости в зависимости от времени работы.

Обозначения: A123 APR18650M1 представляет собой литий-железо-фосфатный (LiFePO4) аккумулятор с емкостью 1100 мАч и непрерывным током разряда 30 А. Sony US18650VT и Sanyo UR18650W – это литий-марганцевые модели емкостью 1500 мАч и непрерывным током разряда 20 А. Sanyo UR18650F имеет емкость 2600 мАч, но умеренную силу тока - 5 А. Это модель обеспечивает самую высокую энергоемкость, но по мощности разряда она самая слабая из рассматриваемых.

Sanyo UR18650F благодаря своей высокой удельной энергоемкости может служить источником питания в течение нескольких часов ноутбуку или даже электровелосипеду при условии умеренной нагрузки. Sanyo UR18650W в сравнении имеет более низкую удельную энергоемкость, но может обеспечить силу тока до 20 А. A123 же имеет самую низкую удельную энергоемкость, но и обеспечивает отличнейший показатель непрерывной силы тока в 30 А.


Аккумуляторы Victron Energy

 

AGM Deep Cycle
GEL Deep Cycle Литиевые (LiFePO4)
аккумуляторы AGM аккумуляторы GEL аккумуляторы литий-железо-фосфатные
10 лет / 400 циклов 10 лет / 500 циклов 20 лет / 2200 циклов
универсальное применение для циклических разрядов для частых глубоких разрядов

Данный график, называемый еще графиком Рэгона, помогает при выборе наилучшей литий-ионной системы с оптимальными показателями мощности и энергоемкости в зависимости от времени разряда. Если устройство требует очень высокой разрядной силы тока, то 3,3-минутная диагональная линия, пересекающая кривую A123 (Батарея 1), указывает на нее как на оптимальное решение, ведь это пересечение сообщает о возможности питания 40 Вт мощности в течение 3,3 минут. Sanyo UR18650F (Батарея 4 ) имеет несколько более скромные показатели и в течение 3,3 минут может питать 36 Вт мощности. Фокусируясь и дальше на времени работы батареи, можно проследить и за 33-х минутной линией. A123 за такое время сможет питать лишь нагрузку мощностью 5,8 Вт, а более емкая Sanyo UR18650F за то же время обеспечит энергией мощность в 17 Вт - но это теоретический показатель, так как батарея имеет номинальную силу тока 5 А.

При разработке новых моделей электрохимических батарей производители активно пользуются графиком Рэгона. Но при расчете пороговых значений мощности и энергоемкости разработчики должны учитывать деградационные процессы, которые необратимо будут возникать в результате циклических нагрузок и старения. Функциональные характеристики батареи должны сохраняться хотя бы до падения уровня ее емкости до 70-80%. Еще одним фактором, который влияет на функциональность, является низкая температура, так как она замедляет электрохимические процессы. График Рэгона не включает в себя эти нюансы.

Следует отметить, что зарядка аккумулятора до полной допустимой емкости вызывает стресс и укорачивает его жизнь. При необходимости постоянных высоких значений силы тока, необходимо создавать аккумуляторную систему из нескольких батарей или ячеек. Именно таким путем идет компания Tesla в своих электромобилях - для избежания перезаряда. Аналогией может служить сравнение грузовика с дизельным двигателем, оптимизированным под длительную и надежную службу, и спортивного автомобиля с форсированным мотором, где при сопоставимых значениях мощности в лошадиных силах специфика работы и обслуживания кардинально другая.


Тяговые аккумуляторы Trojan (USA)

 

Trojan Marine RV AGM Deep Cycle Trojan GEL Deep Cycle
тяговые лодочные аккумуляторы 12 вольт Тяговые аккумуляторы agm Аккумуляторы для поломоечных машин
10 - 12 лет / 700 циклов 10 - 12 лет / 600 циклов 10 - 12 лет / 800 циклов
для речного и морского траспорта для электромоторов, солнечных электростанций, высоких нагрузок

График Рэгона также может рассчитывать требования к мощности других источников энергии, таких как конденсаторы, маховики и топливные элементы и т.д. Но в случае топливных элементов и двигателей внутреннего сгорания следует учитывать зависимость от подачи топлива - это может стать узким местом и внести свои коррективы. Принципы, заложенные в графике, могут быть применимы и к источникам возобновляемой энергии, таким как солнечные батареи и ветряные турбины.

Последнее обновление 2015-01-21


Рейтинг и отзывы: 1 1 1 1 1 5/5 на основе 3 голосов