¿Cuándo usar qué batería? Iones de litio vs AGM

2019-07-02

En todos los mercados en los últimos años.Baterías de iones de litiohan estado ganando tracción. Para los no iniciados, es fácil descartar el ion de litio como una alternativa costosa a las tecnologías VRLA (ácido de plomo regulado por válvula) como AGM (esterilla de vidrio absorbido), si simplemente se observa la clasificación de amperios por hora (Ah). Este fue el error inicial que cometí hace unos años. Al profundizar más, me quedó claro que hay mucho más que las clasificaciones Ah para tener en cuenta al elegir las mejores baterías para su aplicación.

En las comparaciones a continuación, mientras se muestran las baterías de gel, tienen una capacidad efectiva menor a altas corrientes de descarga. Cuestan casi lo mismo que los AGM, suponiendo que ambos tipos sean monobloques, en oposición a las células de gel de larga duración de 2 V. Las pilas húmedas o las baterías de ácido de plomo inundado (FLA), aunque se mencionan, no se consideran para el meollo de esta comparación particular, principalmente debido a consideraciones de mantenimiento y seguridad en el medio marino. Por supuesto, esto puede no aplicarse a otros mercados.

Energía utilizable y costo

En general, se acepta que la profundidad de descarga (DOD) más económica y práctica para una batería AGM es del 50%. Para el fosfato de litio-hierro (LiFePO4 o LFP), que es el más seguro de los tipos de baterías de iones de litio convencionales, se utiliza 80% DOD.

¿Cómo funciona esto en el mundo real? Tomemos dos ejemplos de baterías de 24 V y comparemos la energía utilizable para un yate pequeño:
1 x Iones de litio 24 V 180 Ah

El voltaje nominal de la celda LFP es de 3.3 V. Esta batería LFP de 26.4 V consta de 8 celdas conectadas en serie con una clasificación de 180 Ah. La energía disponible es 26.4 x 180 = 4. 75 kWh. La energía utilizable es 26.4 x 180 x 0.80 = 3.8 kWh.
2 x AGM 12 V 220 Ah

El voltaje nominal de la celda de plomo-ácido es 2.0 V / celda. Cada batería monobloque de 12 V consta de 6 celdas conectadas en serie con una clasificación de 220 Ah. Conectando 2 x 12 V 220 Ah baterías en serie para dar 24 V y 220 Ah, la energía disponible es 24.0 x 220 = 5.28 kWh. La energía utilizable es 24 x 220 x 0.50 = 2.64 kWh.

Esto plantea la pregunta, ¿qué clasificación Ah de las baterías AGM sería el equivalente a la energía utilizable de 3.8 kWh de la batería de iones de litio? Para obtener 3.8 kWh de energía utilizable de una batería AGM, necesitaría tener el doble de ese tamaño para comenzar debido a la regla de economía del 50% DOD, es decir, 3.8 x 2 = 7.6 kWh. A 24 V eso significaría 7,600 / 24, lo que nos da una calificación de batería de 316.66 Ah, que se está acercando al doble de la capacidad nominal de iones de litio de 24 V 180 Ah. Tenga en cuenta que esto no tiene en cuenta el envejecimiento de las baterías, la disminución de la temperatura o el efecto de cargas más altas. Para las baterías AGM, las cargas más altas tienen un efecto mayor que en el litio. Vea la sección - Energía utilizable: efecto sobre la capacidad de descarga y el voltaje con diferentes cargas, a continuación. En base a todo esto, es razonable decir que una batería AGM tendrá que ser dos veces la calificación Ah de una batería de litio.


Usable energy


Peso

La mayoría de las clasificaciones Ah de las baterías, independientemente del tipo, se especifican a una velocidad de 20 horas. Esto estuvo bien en los días de cargas livianas, pero a medida que el número de cargas y el tamaño de las cargas ha aumentado con el tiempo, también debemos considerar cargas altas a corto plazo, a mediano y largo plazo para diferentes tipos de equipos. Esto puede significar una batería grande. En los extremos, podríamos tener aire acondicionado funcionando durante 10 horas con 10 kW, en comparación con una luz LED que usa 100 vatios en ese momento. Equilibrar estos requisitos diferentes y todas las cargas intermedias se convierte en clave. Con un paquete grande como se muestra a continuación para lograr esto, queda claro cuán pesado puede ser el plomo ácido comparado con el litio. 1360/336 = 4 veces más pesado.

Weight



Energía utilizable: efecto sobre la capacidad de descarga y el voltaje con diferentes cargas

Como se indicó anteriormente, la mayoría de las baterías Ah tienen una tasa de 20 h. En la imagen a continuación para la batería de plomo ácido, si fuera una batería de 100 Ah a una velocidad de 20 h, puede ver que 0.05C significa 100 x 0.05 = 5 Amperios durante 20 horas = 100 Ah disponibles hasta que la batería esté totalmente descargada. Como usamos solo el 50% de la batería, podemos ver que el voltaje seguirá siendo de 24 V al 50% DOD para una carga de 5 amperios durante 10 horas, y por lo tanto habríamos consumido 50 Ah.

El aumento del consumo de corriente (como muestran los gráficos a continuación) puede afectar la energía disponible disponible y el voltaje de la batería. Esta reducción efectiva en la calificación se conoce como efecto de Peukert. Con el ácido de plomo, cuanto mayor es la carga, más necesita aumentar la capacidad Ah de su batería para ayudar a aliviar esto. Sin embargo, con Lithium, una carga incluso 10 veces mayor a 0.5C puede tener un voltaje terminal de 24V a 80% DOD / 20% SOC, sin aumentar la clasificación Ah de la batería. Esto es lo que hace que el litio sea particularmente adecuado para altas cargas.

Nota: En los gráficos a continuación se muestra la capacidad de descarga frente a la tensión del terminal. Por lo general, verá gráficos AGM como Tiempo de descarga frente a Voltaje terminal. La razón por la que graficamos la capacidad de descarga (en lugar del tiempo de descarga) es que el litio tiene un voltaje terminal más alto y más estable que el AGM, por lo que trazar las curvas teniendo en cuenta la capacidad de descarga proporciona una comparación más precisa de las químicas, lo que demuestra que el litio aumenta la energía utilizable a cargas más altas debido a voltajes terminales más altos y más estables. Si bien puede considerar esto como un área gris (en parte también debido a la resistencia interna variable de las baterías también), es probable que sea la única forma verdadera de comparar las tecnologías. Esto se demuestra aún más en las imágenes debajo de los gráficos.

Litio - Capacidad de descarga vs Voltaje terminal
Lithium

Plomo ácido - Capacidad de descarga vs Voltaje terminal

Energía utilizable (ácido de plomo)


Useable_Energy_Lead_Acid



Energía utilizable (litio)


Useable_Energy_Lithium


Eficiencia de carga

Mucho de lo que hemos visto en el proceso de descarga también es cierto en el proceso inverso de carga. No se desanime por los grandes tamaños de generadores que se muestran a continuación, ya que este blog simplemente muestra una variedad de escenarios. Las soluciones son escalables en principio. Primero, comparemos la eficiencia de carga del ácido de plomo a la izquierda con el litio a la derecha, durante el ciclo completo de carga. Cargar el último 20% de una batería de tecnología de ácido de plomo siempre es lento e ineficiente en comparación con el litio. Esto se confirma en los costos de combustible (o cualquier fuente de carga que use) en las imágenes más abajo. Tenga en cuenta la diferencia en los tiempos de carga también.

Nota: Tasas de carga
La tasa de carga recomendada para baterías AGM de gran tamaño es de 0.2C, es decir, 120A para una batería de 600A que consiste en bloques paralelos de 200Ah.
Las tasas de carga más altas calentarán la batería (la compensación de temperatura, la detección de voltaje y la buena ventilación son absolutamente necesarias en tal caso para evitar el escape térmico), y debido a la resistencia interna, el voltaje de absorción se alcanzará cuando la batería se cargue a solo 60% o menos, lo que resulta en un mayor tiempo de absorción necesario para cargar completamente la batería.
Por lo tanto, la carga de alta velocidad no reducirá sustancialmente el tiempo de carga de una batería con tecnología de ácido de plomo.
En comparación, una batería de litio de 200 Ah puede cargarse con hasta 500 A, sin embargo, la tasa de carga recomendada para una vida útil máxima del ciclo es de 100 A (0.5 C) o menos. Nuevamente, esto muestra que tanto en la descarga como en la carga, el litio es superior.

Charge_Efficiency




Charge_Efficiency2


Charge_Efficiency3


Opciones de batería, mercados y ciclo de vida.

Dependiendo de cómo trate una batería, puede esperar razonablemente el rango de ciclos a continuación, sujeto a que el DOD y los bancos de baterías tengan el tamaño adecuado para las cargas. La temperatura de funcionamiento también entra en juego. Cuanto más caliente esté la batería, menos tiempo durará. La capacidad de la batería también se reduce con la temperatura ambiente. La línea de base para variaciones debido a la temperatura es de 25 grados centígrados.

 Battery_Cycle_Life



 Battery_Cycle_Life2


 Battery_Cycle_Life3



Conclusiones

Claramente, las baterías AGM deberán reemplazarse con más frecuencia que las de litio. Vale la pena tener esto en cuenta, ya que implica costos de tiempo, instalación y transporte, lo que niega aún más el costo de capital inicial más alto del litio al igual que el menor costo de la recarga de litio.

Independientemente de la elección de batería que elija, también hay un costo de capital y un riesgo tecnológico desde el principio. Si está en condiciones de tener el capital para los costos iniciales más altos de litio, es posible que la vida sea más fácil y que la elección sea rentable con el tiempo. Gran parte de esto depende del conocimiento del operador y de cómo tratan un sistema de batería. Hay un viejo dicho que dice que las baterías no mueren, se agotan. Las buenas prácticas de gestión son su seguro contra fallas tempranas, independientemente de la tecnología utilizada.

¿Litio-ion vs AGM? La decisión es tuya. Es el momento adecuado para considerar el litio en la industria marina como una solución rentable, confiable y de alto rendimiento. Ningún fabricante de vehículos eléctricos que se precie todavía usaría tecnologías de baterías basadas en ácido de plomo hoy en día. ¿Es hora de que la industria marina se ponga al día?

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