Калкулатор за време на полнење на батеријата: колку долго за целосно полнење
Влегов во оваа индустрија преку задната врата. Започнав како електричен изведувач кој врши надградба на панели за магацини, постојано добивав прашања за батериите на кои не можев да одговорам, на крајот завршив со трошење повеќе време на енергетски системи отколку на жици. Тоа беше 2016 година. Осум години подоцна допрев можеби 400 инсталации на батерии за виљушкар ширум Средниот Запад и Југоисточниот дел, главно конверзии од оловна-киселина во литиум.
Прашањето за времето на полнење се појавува во речиси секој продажен повик. Менаџерите на флотата сакаат бројка. "Колку долго да се наплаќа?" Едноставно прашање, комплициран одговор. Брзата формула што сите ја користат на интернет ќе ве доведе до место, но јас гледав дека истата формула предизвикува грешка од 340.000 долари во ладилник во Индијанаполис. Тие ја одредиле големината на нивната инфраструктура за полнење врз основа на теоретски бројки, а потоа откриле дека нивното вистинско време на полнење траело 40% подолго, бидејќи никој не ја сметал амбиенталната температура од 2 степени во нивната област за замрзнување. Беа потребни осум месеци за да се добие буџетско одобрение за електричната надградба што требаше да ја направат од самиот почеток.
Затоа, дозволете ми да проучам што е всушност важно за пресметките на времето за полнење, и уште поважно, што значат бројките за вашата одлука за набавка.
Формулите и зошто ве лажат
Основната пресметка е насекаде онлајн:
Време на полнење=Капацитет на батеријата (Ah) ÷ Струја на полнење (A)
Батеријата од 200 Ах со полнач од 20 А трае 10 часа. Готово.
Освен што не функционира така. Таа формула претпоставува 100% ефикасност на полнење, што не постои. Секоја хемија на батеријата губи енергија за време на полнењето. LiFePO4 работи од 95% до 98% во зависност од квалитетот и температурата на ќелијата. Тестирав ќелии CATL 280Ah кои достигнаа 97,8% на собна температура, но серија буџетски ќелии од добавувач на Tier-3 минатата година успеа само 93,2% под идентични услови. Хемиите на NMC обично паѓаат помеѓу 90% и 95%. Оловната киселина е насекаде на картата, некаде од 68% на стара батерија на ладно време до можеби 85% на нова на оптимална температура.
Ефикасноста-прилагодена формула:
Време на полнење=Капацитет на батеријата (Ah) ÷ (Струја на полнење (A) × ефикасност)
На таа батерија од 200 Ah на 20 А со 95% ефикасност всушност и требаат 10,5 часа. Со 85% ефикасност на оловна-киселина, гледате 11,8 часа.
Но, тука застануваат повеќето калкулатори и тука започнуваат вистинските проблеми.
CC-Полнење CV: зошто последните 20% одземаат засекогаш
Секој полнач со литиум користи двофазен- процес. Првата фаза е постојана струја, каде што полначот ја турка стабилната струја во батеријата додека напонот не ја достигне горната граница. За LiFePO4 тоа е 3,65 V по ќелија, што значи 58,4 V за стандарден пакет од 48 V. NMC се исклучува на 4,2V по ќелија.
Постојаната струја ве доведува до состојба на полнење од приближно 80%. Едноставната формула работи разумно добро за овој дел.
Потоа полначот се префрла во режим на постојан напон. Напонот останува фиксиран додека струјата постепено се намалува. Батеријата е „полна“ кога струјата паѓа на околу 3% од оригиналната вредност на CC. Оваа фаза ги пополнува преостанатите 20%, но може да јаде од 30% до 40% од вкупното време на полнење.
Порано мислев дека ова е само технички детал додека дистрибутивниот центар во Мемфис не ми ги покажа нивните дневници за полнење. Тие ги програмираа нивните полначи да се исклучат по 2,5 часа врз основа на пресметка која претпоставуваше линеарно полнење. Секоја батерија стопираше на 83% до 86% SOC. Нивните оператори мислеа дека имаат 8 часа работа и добиваат од 6,5 до 7. Броевите за продуктивност немаа смисла додека некој не ги повлече податоците за BMS.
Времетраењето на фазата на CV исто така се зголемува како што стареат батериите. Членот BU-409 за Универзитетот за батерии детално го покрива овој феномен. Деградирана ќелија со 82% преостанат капацитет не се полни побрзо бидејќи има помал капацитет за полнење. Всушност, потребно е приближно исто вкупно време како и на нова ќелија бидејќи порано влегува во режим на CV и поминува подолго во заострените ниски струи. Нивната аналогија е корисна: млад спортист спринтува до целта со едвај забавување, додека постар тркач почнува да оди на половина пат.
Температурни ефекти кои всушност се важни
Листовите со спецификации покажуваат перформанси на 25 степени. Никогаш не сум видел магацин што одржува 25 степени година-во полето за полнење.
Помеѓу 20 степени и 25 степени, сè работи како што се очекуваше. Ова е вашата основна линија.
Помеѓу 5 степени и 20 степени, ќе видите можеби 5% до 15% намалување на капацитетот и малку подолго време на полнење. Повеќето операции не забележуваат.
Помеѓу 0 и 5 степени, BMS на кој било пристоен систем ќе започне да ја намалува струјата на полнење. Очекувајте времето на полнење да се удвои или тројно. Мерев пакувања од 48V 400Ah кои се полнат за 2,5 часа на 22 степени, земајќи повеќе од 7 часа на 3 степени.
Под 0 степен работите стануваат опасни. Полнењето на LiFePO4 под замрзнување предизвикува литиумско обложување на површината на анодата. Оваа штета е трајна и кумулативна, намалувајќи го и капацитетот и животниот век при секоја појава. Соодветниот BMS целосно го блокира полнењето на овие температури, но наидов на евтини системи кои покажуваат само предупредувачко светло и му дозволуваат на операторот да прескокне. Никогаш не верувајте на BMS што ви дозволува полнење под 0 степени. Членот BU-410 на Универзитетот за батерии го документира механизмот на литиумско обложување и покажува микроскопски слики од оштетувањето.
Над 45 степени, полнењето значително ја забрзува деградацијата. Ако вашата област за полнење се загрева во лето, или преместете ги полначите или додајте вентилација. Сум видел пакувања да губат 15% капацитет во едно лето бидејќи се полнеле покрај југ-пристаниште за товарење без проток на воздух.
Практично носење: за пресметката на времето на полнење му треба фактор за корекција на температурата. Табелата подолу покажува што користам за проценки на проектот.
| Температурен опсег | Достапен капацитет | Мултипликатор на време на полнење | Ниво на ризик |
|---|---|---|---|
| 20 степени до 25 степени | 100% | 1.0x | Никој |
| 10 степени до 20 степени | 95% до 100% | 1,0x до 1,1x | Ниско |
| 5 степени до 10 степени | 88% до 95% | 1,1x до 1,3x | Умерено |
| 0 степени до 5 степени | 75% до 88% | 1,5x до 2,5x | Висока, намалена струја |
| Под 0 степени | 50% до 75% | Полнењето е блокирано | Ризик од литиумско обложување |
| 35 степени до 45 степени | 100% | 1.0x | Забрзано стареење |
| Над 45 степени | 100% | 1.0x | Значајна деградација |
Проблемот со изборот на капацитет за кој никој не зборува
Повеќето онлајн дискусии го третираат капацитетот на батеријата како едноставно прашање „поголемо, толку подобро“. Во пракса, изборот помеѓу големини на ќелиите создава компромиси кои влијаат на однесувањето на полнењето, термичкиот менаџмент и долгорочната-доверливост.
Големите призматични ќелии како формати од 280Ah или 314Ah имаат пониска цена за kWh. Но нивниот сооднос-на-зафатнина е помал, што значи дека подобро ја задржуваат топлината, но и побавно се загреваат од ладното впивање.
Извршив компаративни тестови минатата зима на ќелии од 100Ah и 280Ah од истиот производител. Почнувајќи од -15 степени, ќелиите од 100 Ah достигнаа безбедно температура на полнење за 14 минути со нашиот стандарден систем за греење. На ќелиите од 280 Ah им беа потребни 23 минути. Скоро 10 минути разлика по циклус на полнење.
За операции со закажани смени со предвидливи прозорци за полнење, ова можеби нема да биде важно. Вклучете го грејачот 30 минути порано и батериите се подготвени кога ќе ви требаат. За-апликации на барање со неправилно испраќање, тие дополнителни 10 минути може да се бранат низ целата работа.
Другиот проблем е конзистентноста од-во-клетка. Пакетот изграден од ќелии од 100 Ah има повеќе индивидуални ќелии кои треба да останат балансирани. Но, тие помали ќелии имаат тенденција да покажуваат поцврста конзистентност во серијата бидејќи топлинските градиенти за време на производството се помали. Еден клиент се префрли од ќелии од 320Ah на ќелии од 100Ah специјално затоа што нивниот BMS постојано беше алармантен за напонскиот диференцијал. Пакетот од 320 Ah рутински покажуваше ширење од 50 mV помеѓу клетките. Пакетот за замена од 100 Ah останува под 15 mV.
Ова е важно за времето на полнење бидејќи балансирањето на BMS се случува на крајот од циклусот на полнење. Поголемите напонски диференцијали значат подолго време на балансирање, што го продолжува вкупното време за да достигне вистинско целосно полнење.
| Формат на ќелија | Цена по kWh | Обнова на ладно впивање | Конзистентност на серијата | Најдобра апликација |
|---|---|---|---|---|
| 100 Ах призматичен | Повисоко (+15% до 20%) | Побрзо (14 мин од -15 степени) | Построги (обично<15mV spread) | Променливи распореди, ладни средини |
| 280Ah призматичен | Пониски | Побавно (23 мин од -15 степени) | Умерено (вообичаено ширење 20-40 mV) | Фиксни распореди, контролирана температура |
| 314Ah призматичен | Најниска | Најбавно | Променлива според производителот | Апликации со висок-капацитет,-чувствителни на цена |
C-Избор на стапка и реално-Светско време на наплата
Стапката C{0}} ја изразува струјата на полнење како множител на капацитетот. Батеријата од 100 Ah што се полни на 1C прима 100 ампери. На 0,5C прима 50 ампери.
Врската помеѓу C-стапката и времето на полнење не е линеарна поради фазата на CV. Удвојувањето на струјата на полнење не го преполови вкупното време на полнење.
На 0,5C, на типично пакување LiFePO4 му требаат околу 100 минути во режим CC за да достигне 80% SOC, а потоа уште 40 до 50 минути во режим CV за да се заврши полнењето. Вкупно околу 2,5 часа.
На 1C, CC фазата паѓа на околу 50 минути, но CV фазата сè уште трае 35 до 45 минути. Вкупно околу 1,5 часа.
Ја удвоивте струјата, но само го намаливте вкупното време за 40%. Фазата на CV е релативно фиксирана без оглед на стапката на CC.
На 2C (ако вашите клетки го поддржуваат), CC фазата паѓа на можеби 25 минути, CV фазата останува околу 30 до 40 минути. Вкупно околу 1 час. Ја зголемивте струјата за четири пати во споредба со 0,5 C, но само го намаливте времето за 60%.
| C-Оцена | Времетраење на CC фаза | Времетраење на фазата на CV | Вкупно време на полнење | Генерирање на топлина | Инфраструктурни трошоци |
|---|---|---|---|---|---|
| 0.25C | ~ 3,5 часа | ~ 50 мин | ~ 4,3 часа | Минимална | Основна линија |
| 0.5C | ~ 1,7 часа | ~ 45 мин | ~ 2,4 часа | Ниско | Основна линија |
| 1C | ~ 50 мин | ~ 40 мин | ~ 1,5 часа | Умерено | +20% до 30% |
| 2C | ~ 25 мин | ~ 35 мин | ~ 1 час | Високо, бара активно ладење | +60% до 80% |
Колоната за производство на топлина е важна. Повисоките стапки на C-значат повеќе изгубена енергија како топлина во ќелиите. Без соодветно термичко управување, температурата на ќелијата се зголемува за време на полнењето, што предизвикува намалување на BMS, што го продолжува времето на полнење, што делумно ја поништува целта на брзото полнење. Сум видел системи со 2C-оцена што всушност трае подолго од 1C системи во топли средини бидејќи BMS поминува половина од циклусот во режим на термичка заштита.
Каде што времето на полнење се вклопува во економијата на флотата
Тука се носат одлуките за набавка. Времето на полнење не е само техничка спецификација. Тоа директно влијае на тоа колку батерии ви се потребни, колку полначи ви се потребни и дали вашата електрична инфраструктура може да се справи со товарот.
Дозволете ми да направам вистинска споредба што ја направивме минатата година за операцијата 3PL во Далас со 36 вилушкари од класа 1 што седат- во две смени.
Сценарио А: Оловна-киселина со замена на батерии
Традиционалниот пристап. На секој виљушкар му требаат три комплети батерии: една работи, едно полнење, една за ладење. На батериите со оловно-киселини им треба 8-часовно полнење плус 8-часовно ладење пред повторна употреба. Вкупно 108 батерии од приближно 4200 долари секоја за единици од 48V 600Ah.
Годишните оперативни трошоци вклучуваат електрична енергија (ефикасноста на олово-киселина во круг-околу 80% значи значителни загуби), труд за наводнување и одржување, HVAC во просторијата за батерии и резерви за замена. Оловната-киселина кај апликациите за тешка-употреба обично трае 1.500 до 2.000 циклуси, што значи 3 до 4 години во две-смени операции.
Сценарио Б: Литиум со можност за полнење
Батериите LiFePO4 можат да се полнат за време на паузите без оштетувања или барања за ладење. На секој виљушкар му е потребна една батерија. Вкупно 36 батерии од приближно 11.800 долари секоја за еквивалентни единици LFP од 48V 400Ah (потребен е помал капацитет бидејќи литиумот обезбедува целосен капацитет при празнење, за разлика од оловната-киселина која мора да остане над 50% за да го зачува животот).
| Категорија на трошоци | Оловен-киселина (36 вилушкари) | LiFePO4 (36 вилушкари) | Разлика |
|---|---|---|---|
| Почетна цена на батеријата | $453,600 (108 × $4,200) | $424,800 (36 × $11,800) | LFP заштедува 28.800 долари |
| Инфраструктура на полначи | $86,400 (36 × $2,400) | $64,800 (36 × $1,800) | LFP заштедува 21.600 долари |
| Изградба на батериска просторија | $45,000 | $0 | LFP заштедува 45.000 долари |
| Надградба на електричната услуга | Вклучено | 18.000 $ (поголемо максимално оптоварување) | Оловната-киселина заштедува 18.000 долари |
| Вкупна почетна инвестиција | $585,000 | $507,600 | LFP заштедува 77.400 долари |
Годишните оперативни трошоци го кажуваат остатокот од приказната:
| Категорија на годишни трошоци | Оловна-киселина | LiFePO4 | Разлика |
|---|---|---|---|
| Електрична енергија (загуби од наплата) | $31,200 | $19,800 | LFP заштедува 11.400 долари |
| Работа за одржување | $18,700 | $2,400 | LFP заштедува 16.300 долари |
| Резерва за замена на батерии (10 години) | 113.400 долари годишно | $0 | LFP заштедува 113.400 долари |
| Работа со замена на батерии (15 мин. × 2 смени × 250 дена) | $28,125 | $0 | LFP заштедува 28.125 долари |
| Батериски HVAC | $8,400 | $0 | LFP заштедува 8.400 долари |
| Вкупно годишно работење | $199,825 | $22,200 | LFP заштедува 177.625 долари годишно |
Пресметката на замената резерва претпоставува дека батериите со оловни-киселини траат просечно 3,5 години во оваа апликација, што бара замена на приближно 31 батерии годишно по 3.650 УСД (цените се намалуваат малку за замените како што се воспоставува сметката). LiFePO4 има гаранција за 10 години во оваа апликација без очекувана замена.
8-годишно резиме на TCO:
| Оловна-киселина | LiFePO4 | |
|---|---|---|
| Почетна инвестиција | $585,000 | $507,600 |
| 8-годишни оперативни трошоци | $1,598,600 | $177,600 |
| Вкупен 8-годишен TCO | $2,183,600 | $685,200 |
| Цена по виљушкар годишно | $7,582 | $2,379 |
Опцијата за литиум чини 69% помалку во текот на 8 години. Враќањето на почетната инвестициска разлика се јавува во 5-тиот месец.
Оваа специфична анализа користеше бројки од тој клиент од Далас. Вашите бројки ќе бидат различни врз основа на цените на електричната енергија, трошоците за работна сила, моделите на смени и локалните трошоци за изградба. Но, големината на разликата е репрезентативна на она што го гледам кај повеќето операции со повеќе-смени.
Едно-Операции со смена: различна математика
Економијата значително се менува за објектите за една-смена. Ако опремата е во мирување 14 до 16 часа дневно, работата за замена на батериите исчезнува од равенката, а оловната-киселина има време за правилно полнење и ладење со еден комплет батерии.
За работа со 20-виљушкар со една смена:
| Категорија на трошоци | Оловна-киселина | LiFePO4 |
|---|---|---|
| Потребни се батерии | 20 | 20 |
| Почетна цена на батеријата | $84,000 | $236,000 |
| 8-годишни оперативни трошоци | $224,000 | $48,000 |
| 8-годишен TCO | $308,000 | $284,000 |
Литиумот сепак победува, но маржата е многу помала. Отплатата трае 4 до 5 години наместо 5 месеци. За операции несигурни за нивните долгорочни- планови, ова ја менува пресметката на ризикот.
Имав клиенти во оваа ситуација конкретно избраа оловна-киселина затоа што не беа сигурни дека сè уште ќе бидат во таа установа за 5 години. Тоа е легитимна деловна одлука.
Што прави BMS на вашето време на полнење
Системот за управување со батерии контролира што всушност се случува за време на полнењето, а евтините дизајни на BMS се извор на повеќето проблеми со полнењето што ги решавам.
Три однесувања на BMS кои влијаат на времето на полнење:
Точност на мерењето на напонот на ќелијата.Единиците BMS од индустриски-одделение мерат поединечни напони на ќелиите во рамките на ±2mV. Буџетските единици може да постигнат само ±10mV. Во низа од серии од 16 ќелии, кумулативната грешка може да достигне 160 mV. Ова предизвикува предвремено влегување во CV режим, предизвикувачи на лажно балансирање и неконзистентно прекинување на полнењето. Сум видел пакети кои покажувале „100%“ на екранот, но всушност биле од 94% до 102% во зависност од тоа која ќелија сте ја измериле.
Балансирање на струјата и стратегијата.Пасивното балансирање го троши вишокот енергија како топлина преку отпорниците. Активното балансирање ја пренесува енергијата помеѓу клетките. Пасивното балансирање обично работи од 50 до 200 mA, што значи дека потребни се 5 до 20 часа за да се избалансира разликата од 1% SOC помеѓу клетките. Повеќето единици BMS балансираат само на врвот или на дното на кривата на полнење, па ако никогаш не полните до 100%, балансирањето може никогаш да не се изврши. Активното балансирање чини 15% до 25% повеќе, но многу побрзо се справува со нерамнотежата.
Термички криви на дератирање.Кога температурата на ќелијата се зголемува,-добро дизајнираниот BMS ја намалува струјата на полнење за да спречи оштетување. Проблемот е што овие пониски криви варираат многу помеѓу производителите. Сум видел BMS единици кои ја намалуваат струјата за 50% на 35 степени и други кои одржуваат целосна струја до 45 степени. Ниту едното ниту другото не е нужно погрешно, но тие произведуваат многу различни времиња на полнење во топли средини.
Прашајте го вашиот добавувач за вистинските параметри на BMS: прецизност на мерењето по ќелија, струја на балансирање и праг на активирањето, крива на топлинска дератација. Ако не можат да ги обезбедат овие, најдете друг добавувач.
Вообичаени грешки при набавките
Грешка 1: Користење на теоретско време на полнење за големината на инфраструктурата.
Вашите полначи и електричната служба треба да работат со реално време на полнење, а не со пресметки. Изградба во минимална маржа од 20%. Трошоците за малку преголеми димензии се многу помали од трошоците за реконструкција подоцна.
Грешка 2: Игнорирање на сезонските варијации.
Системот кој работи совршено во пролет може да се мачи во зима. Ако вашиот објект не е-контролиран со клима, добијте податоци за времето на полнење на вашите очекувани температурни екстреми.
Грешка 3: Третирање на целиот литиум како еквивалентен.
LiFePO4 од различни производители функционира поинаку. Квалитетот на ќелијата, дизајнот на BMS и термичкиот менаџмент влијаат на реалното-светско време на полнење. Потребни се податоци за тестот за конкретниот производ што го купувате, а не генерички спецификации за „литиумска батерија“.
Грешка 4: Заборавајќи на стареењето.
Времето на полнење се зголемува како што стареат батериите. Систем кој едвај ги задоволува вашите потреби кога е нов, ќе падне во 3 или 4 година.
Грешка 5: Пресметување врз основа на целосни циклуси на празнење.
Повеќето операции не ги испразнуваат батериите. Ако вашиот типичен циклус е 60% празнење, вашата пресметка за времето на полнење треба да користи 60%, а не 100%. Преголемата големина врз основа на целосни циклуси го троши инфраструктурниот капацитет.
Брза референца за проценка на проектот
За првични цели на планирање пред детално инженерство:
48V 400Ah LiFePO4 (19,2 kWh)
Од 20% SOC на 0,5C (200A): приближно 2 часа до целосно
Од 20% SOC на 1C (400A): приближно 1,2 часа до целосно
Приспособување на температурата: множете се со 1,5x под 10 степени, со 2x под 5 степени
80V 500Ah LiFePO4 (40 kWh)
Од 20% SOC на 0,5C (250A): приближно 2 часа до целосно
Од 20% SOC на 1C (500A): приближно 1,2 часа до целосно
48V 600Ah Олово-Киселина (28,8 kWh номинално, 14,4 kWh употребливи при 50% DoD)
Од 50% SOC: 8 часа полнење плус 8 часа ладење
Нема можност за полнење
Овие бројки претпоставуваат собна температура и здрави батерии. Прилагодете се за вашите вистински услови.
Добивање точни броеви за вашата операција
Генеричките калкулатори даваат генерички одговори. За одлуки за набавки кои вклучуваат значителен капитал, потребни ви се пресметки врз основа на вашата специфична опрема, околина и шеми на работа.
Ние спроведуваме детални анализи за времето на полнење како дел од опсегот на нашиот проект во Полиновел. Испратете ни ги вашите тековни спецификации на батеријата, распоредот за смени, опсегот на температурата на објектот и достапноста на прозорецот за полнење. Ќе ги моделираме очекуваните времиња на полнење и ќе ви покажеме како различните конфигурации влијаат на вашите барања за инфраструктура и TCO.
Анализата е бесплатна за проекти над 10 единици. За помали проекти, сепак вреди да се разговара за да се уверите дека не правите една од вообичаените грешки во големината.
Контакт: sales@polinovelpowbat.com
Табелите со податоци ги рефлектираат типичните опсези на перформанси забележани кај повеќе производители и апликации. Специфичните резултати зависат од квалитетот на ќелијата, конфигурацијата на BMS, условите на околината и моделите на работа. Фактори за корекција на температурата врз основа на хемијата LiFePO4; NMC и другите хемикалии може да се разликуваат. Пресметките на TCO користат претпоставки наведени во текстот; вистинските резултати бараат специфична анализа на страницата-.
Референци:
1. Универзитет за батерии, „BU-409: полнење на литиум-јон“ и „BU-410: полнење на високи и ниски температури“ (batteryuniversity.com/article/bu{10}}409-полнење{{12}1{12}3}}{12}{12}}литиум, batteryuniversity.com/article/bu-410-полнење-при-високи-и-ниски-температури)
2. BloombergNEF, „Истражување за цените на батериите 2024“ со документирање на просечните цени на пакетите кои се намалуваат на 139 долари/kWh на глобално ниво (about.bnef.com)
