Kako učinkovit je litij-ionski akumulator 48 V pri pretvorbi energije?

Razumevanje izkoristka pri krožnem procesu v sistemih litij-ionskih akumulatorjev 48 V

Kaj meri izkoristek pri krožnem procesu (RTE) za litij-ionski akumulator 48 V

Kazalnik učinkovitosti krožnega cikla (RTE) nam pove, kako dobro 48 V litij-ionska baterija shranjuje energijo in jo nato ponovno odda, kadar je potrebna. Osnovno gledano, primerja količino uporabne energije, ki izbije iz baterije, z energijo, ki je bila vanjo vnesena med enim celotnim ciklom polnjenja in razpraznjevanja. Ko baterije izgubijo učinkovitost, se znotraj njih dogajajo več stvari. Vedno obstaja nekaj notranje odpornosti v samih celicah, poleg tega se baterije segrejejo, ko intenzivno delujejo, ter se pojavljajo tudi neizogibne kemične reakcije, ki se ne odvijajo popolnoma. Danes doseže večina novejših 48 V litij-ionskih sistemov RTE med 90 in 95 odstotkov. To pomeni, da pri vsakem ciklu polnjenja in razpraznjevanja izgubi med 5 in 10 odstotkov energije. Z vidika stroškov tudi majhna izboljšanja veliko pomenijo. Glede na raziskavo, objavljeno v poročilu o oceni tehnologij za shranjevanje energije, ki ga je leta 2023 izdal ameriški ministrstvo za energetiko, povečanje RTE za le pet odstotnih točk vsako leto zmanjša izgubljeno električno energijo za približno 250 kilovatnih ur na baterijo v tovarnah in skladiščih po vsej državi.

Primerjava učinkovitosti: 90–95 % RTE v primerjavi s svincovo-kislo (70–80 %) in zakaj je to pomembno

Litij-ionska tehnologija bistveno prekaša svincovo-kislo glede učinkovitosti pretvorbe energije:

Ta razlika 15–25 odstotnih točk zagotavlja merljive prednosti:

• Nižji stroški energije : Sistem z RTE 95 % potrebuje približno 20 % manj električne energije iz omrežja kot svincovo-kisli sistem z RTE 80 % za enak izhod
• Podaljšana življenjska doba storitve : Zmanjšana nastajanja toplote upočasni degradacijo celic in spremljajoče elektronike
• Zmanjšane emisije : Višja učinkovitost pomeni letno 1,2–1,8 tone manj CO₂ na baterijo (IEA, Poročilo o integraciji obnovljivih virov energije , 2023)

Ti dobitki naredijo RTE odločilni dejavnik pri modeliranju donosa na investicijo (ROI) za aplikacije, ki so ključne za opravljanje nalog, ali za aplikacije z visokim številom ciklov.

Delovni pogoji, ki zmanjšujejo učinkovitost litij-ionskih baterij 48 V

Vpliv nizke temperature: izguba učinkovitosti več kot 15 % pod 10 °C

Ko temperature padajo pod 10 stopinj Celzija, litij-ionske baterije z napetostjo 48 V začnejo izgubljati približno 15 odstotkov svoje učinkovitosti pri krožnem ciklu, saj se ioni premikajo počasneje in notranji upor narašča. Stvari se še poslabšajo, ko temperatura pade na minus 10 stopinj Celzija, saj lahko kapaciteta baterije v primerjavi z običajnimi obratovalnimi pogoji pri 25 stopinjah Celzija zmanjša več kot za 30 odstotkov. Litij-ionske baterije na teh nizkih temperaturah srečajo težave, ki jih svinčeno-kisli baterije nimajo. Med te težave spadajo npr. tvorba litijeve prevleke na elektrodah in zgostitev elektrolita, zaradi česar je ta težje uporabljati. Te težave zavirajo hitrost polnjenja in razpolnjevanja baterije ter hkrati pospešujejo staranje baterije. To je zelo pomembno za ljudi, ki se zanašajo na sončne celice brez povezave z omrežjem, električna vozila v snežnih regijah ali sisteme za izredne rezervne napetosti, ki zahtevajo zanesljivo izhodno moč. Termično upravljanje v teh primerih ni le prijetna dodatna funkcija – če želi kdo, da njegove baterije delujejo tako, kot je navedeno v tehničnih specifikacijah, je popolnoma nujno.

Učinki razbijanja pri visoki hitrosti na notranjo upornost in izgubo toplote

Ko se baterije razbijejo s hitrostmi, ki presegajo 1C, doživijo hitre padce napetosti skupaj z znatnimi ohmskimi segrevanimi učinki. Približno 20 % shranjene energije se izgubi kot odpadna toplota namesto da bi se pretvorilo v dejansko uporabno moč. Nastala toplotna obremenitev pospešuje degradacijo elektrod in s časom povzroča trajno izgubo kapacitete baterije. Ponavljajoči se cikli hitrega polnjenja dodatno obremenjujejo katodne strukture ter občutljive meje med trdnimi snovmi in elektroliti, kar končno vpliva na delovanje baterije po številnih ciklih polnjenja in razbijanja. Za sisteme, ki želijo ohraniti učinkovitost večjo od 90 % v obdobjih največje obremenitve, morajo inženirji implementirati učinkovite rešitve za termično upravljanje skupaj z inteligentnimi strategijami uravnoteženja obremenitve. Sistemi za upravljanje baterij (BMS) tukaj igrajo ključno vlogo, saj neprestano spremljajo nenadne povečave notranje odpornosti, da lahko posežejo, preden se situacija izmakne nadzoru in privede do nevarnih stanj toplotnega zbežanja.

Optimizacija na sistemski ravni učinkovitosti litij-ionske baterije 48 V

Inteligenca BMS: uravnavanje v realnem času, termično upravljanje in ohranjanje učinkovitosti

Za sisteme z litij-ionskimi baterijami 48 V ima kakovostni sistem za upravljanje baterije (BMS) ključno vlogo pri ohranjanju povratne energije (RTE) na sprejemljivi ravni. Sistem neprestano spremlja napetost posameznih celic, temperature in tok, s čimer dinamično uravnavajo celice in preprečujejo izgubo energije, ki nastane, ko se celice med seboj razlikujejo. Nadzor temperature je še ena ključna funkcija. Če se temperatura ohranja v optimalnem območju 20–30 °C, BMS prepreči pomembne izgube RTE, ki nastanejo, ko temperatura pade pod 10 °C, saj se učinkovitost ob takih temperaturah običajno zmanjša za več kot 15 %. Prilagoditve polnjenja in razpolnjevanja v realnem času pomagajo zmanjšati izgube zaradi upora ter tiste zapletene napetostne premike, ki jih imenujemo histereza. Še posebej pomembno je, da BMS preprečuje nevarne situacije, kot so prekomerno polnjenje, globoko razpolnjevanje in nenadni vrhovi toka, ki postopoma zmanjšujejo pretvorbeno učinkovitost. Te zaščitne funkcije ne le podaljšajo življenjsko dobo baterije pred zamenjavo, temveč tudi zagotavljajo dosledno zmogljivost RTE v celotnem obratovalnem življenju baterije.

Primerjava kemije: LiFePO₄ proti NMC za pretvorbo energije v litij-ionski bateriji 48 V

Razmerje med stabilnostjo ciklov, konstantnostjo napetosti in notranjim uporom

Izbrana kemija igra ključno vlogo pri obnašanju RTE v sistemih 48 V. Vzemimo na primer litij-železo-fosfat (LFP). Ta material kaže izjemno ciklusno stabilnost in ohrani več kot 80 % svoje kapacitete tudi po tisočih ciklih zaradi svoje stabilne olivinske kristalne strukture. Čeprav ima nižjo napetostno oceno okoli 3,2 V na celico, to dejansko povzroči boljše lastnosti delovanja za določene aplikacije. Energija na maso ni tako impresivna – približno 90 do 120 Wh/kg – vendar se LFP izstopa z zmožnostjo ohranjanja stalnega izhodnega moči in odpornosti proti notranjemu segrevanju pod obremenitvijo. Nasprotno pa baterije NMC ponujajo večjo zmogljivost z napetostmi med 3,6 in 3,7 V na celico ter znatno višjo energijo na maso (150–250 Wh/kg). Te prednosti pa imajo ceno. Večina celic NMC se hitreje razgrajuje in doseže konec življenjske dobe že po 1.000 do 1.500 ciklih. Poleg tega kažejo med dolgotrajnimi razbujanji pri visoki moči približno 3–5 % slabši RTE kot LFP, predvsem zaradi povečane upornosti kobaltovih komponent in večje občutljivosti na spremembe temperature. Zato vidimo, da se LFP vse bolj uveljavlja v nepremičnih namestitvah, kot so sončni sistemi za shranjevanje energije, kjer je dolgoročna zanesljivost pomembnejša od kompaktnih dimenzij. Medtem proizvajalci še naprej uporabljajo NMC za prenosne naprave, kjer vsak gram šteje.

Pogosta vprašanja

Kaj je izkoristek v krožnem ciklu (RTE) pri baterijah?

Izkoristek v krožnem ciklu (RTE) meri, koliko uporabne energije baterija odda v primerjavi z energijo, ki se vanjo vnese med celotnim ciklom polnjenja in razpravljanja.

Zakaj je RTE pomembno za litij-ionske baterije?

RTE je ključnega pomena, saj vpliva na stroške energije, življenjsko dobo baterije in emisije, kar ga naredi bistvenega za oceno donosa investicij v aplikacijah, ki zahtevajo visok izkoristek in veliko število ciklov.

Kako vpliva temperatura na učinkovitost litij-ionskih baterij?

Nižje temperature lahko znatno zmanjšajo učinkovitost, pri čemer so izgube nad 15 % pod 10 °C zaradi povečane notranje odpornosti in počasnejšega ionskega gibanja.

Kakšno vlogo ima sistem za upravljanje baterije (BMS) pri optimizaciji učinkovitosti baterije?

BMS optimizira učinkovitost tako, da nadzoruje napetosti posameznih celic, regulira temperaturo, opravlja prilagoditve polnjenja in razpravljanja v realnem času ter preprečuje poškodbe, ki bi lahko zmanjšale učinkovitost.