どのバッテリーをいつ使用するか?リチウムイオン vs AGM

近年、あらゆる市場でリチウムイオン電池の注目が高まっています。初心者にとって、アンペア時 (Ah) 定格だけを見れば、リチウムイオンを AGM (吸収ガラスマット) などの VRLA (制御弁式鉛酸) テクノロジーの高価な代替品として無視するのは簡単です。これは私が数年前に犯した最初の間違いでした。さらに詳しく調べてみると、アプリケーションに最適なバッテリーを選択する際には、Ah 定格以外にも考慮すべき点がたくさんあることが明らかになりました。

以下の比較では、ゲル電池が示されていますが、高放電電流では実効容量が低くなります。 2 V の長寿命ゲルセルとは対照的に、両方のタイプがモノブロックであると仮定すると、AGM とほぼ同じコストです。湿電池または浸水鉛蓄電池 (FLA) バッテリーについては言及されていますが、主に海洋環境におけるメンテナンスと安全性を考慮しているため、この特定の比較の核心としては考慮されていません。もちろん、これは他の市場には当てはまらないかもしれません。

利用可能なエネルギーとコスト

一般に、AGM バッテリーの最も経済的で実用的な放電深度 (DOD) は 50% であると考えられています。主流のリチウムイオン電池タイプの中で最も安全なリン酸鉄リチウム (LiFePO4 または LFP) には、80% の DOD が使用されます。

これは現実の世界ではどうなるのでしょうか? 2 つの 24V バッテリーの例を取り上げ、小型ヨットで使用可能なエネルギーを比較してみましょう。
1 x リチウムイオン 24 V 180 Ah

LFP セルの公称電圧は 3.3 V です。この 26.4 V LFP バッテリーは、180 個のセルと直列に接続された 8 個のセルで構成されています。ああ評価。利用可能なエネルギーは 26.4 x 180 = 4.75 kWh です。使用可能電力量は26.4×180×0.80＝3.8kWhです。
2 x AGM 12 V 220 Ah

鉛蓄電池の公称電圧は 2.0 V/セルです。各 12 V モノブロック バッテリーは、220 Ah 定格の直列接続された 6 つのセルで構成されます。 2 x 12 V 220 Ah バッテリーを直列に接続して 24 V および 220 Ah を供給すると、利用可能なエネルギーは 24.0 x 220 = 5.28 kWh になります。使用可能なエネルギーは、24 x 220 x 0.50 = 2.64 kWh です。

ここで疑問が生じます。AGM バッテリーの定格は何 Ah で、リチウムイオン バッテリーの使用可能エネルギー 3.8 kWh に相当しますか? AGM バッテリーから 3.8 kWh の使用可能なエネルギーを得るには、50% DOD 経済ルールにより、まずその 2 倍のサイズが必要になります (3.8 x 2 = 7.6 kWh)。 24V では 7,600/24 を意味し、バッテリー定格は 316.66 Ah となり、リチウムイオン 24 V 180 Ah の定格容量の 2 倍に近づきます。これには、バッテリの劣化、温度ディレーティング、またはより高い負荷の影響は考慮されていないことに注意してください。 AGM バッテリーの場合、高負荷はリチウムよりも大きな影響を及ぼします。以下の「使用可能エネルギー: 異なる負荷での放電容量と電圧への影響」セクションを参照してください。これらすべてに基づいて、AGM バッテリーにはリチウムバッテリーの 2 倍の Ah 定格が必要であると言うのは合理的です。

重量

バッテリーのほとんどの Ah 定格は、タイプに関係なく、20 時間率で指定されています。負荷が軽かった頃はこれで問題ありませんでしたが、時間の経過とともに負荷の数と負荷のサイズが増加するにつれて、さまざまな種類の機器について、短期的な高い負荷、中期および長期的な負荷にも注目する必要があります。これは、大きなバッテリーパックを意味する可能性があります。極端な場合、100 ワットを使用する LED 照明と比較して、エアコンは 10 kW を使用して 10 時間稼働する可能性があります。これらの異なる要件とその間のすべての負荷のバランスをとることが重要になります。これを達成するために以下に示すような大きなパックを使用すると、鉛酸がリチウムと比較してどれほど重いかが明らかになります。 1360/336 = 4 倍の重さになります。

利用可能なエネルギー: 異なる負荷での放電容量と電圧への影響

前述したように、ほとんどのバッテリーの Ah 定格は 20 時間のレートで見積もられています。以下の鉛蓄電池の画像では、20 時間レートで 100 Ah のバッテリーの場合、0.05C は 100 x 0.05 = 5 アンペアで 20 時間 = バッテリーが完全に空になるまで 100 Ah が利用可能であることがわかります。バッテリーの 50% のみを使用しているため、5 A 負荷で 10 時間以上の場合、電圧は 50% DOD で 24 V のままであることがわかり、したがって 50 Ah を消費することになります。

(以下のグラフが示すように) 消費電流を増やすと、利用可能なエネルギーとバッテリー電圧に影響を与える可能性があります。格付けにおけるこの実効収縮は、ピュカート効果として知られています。鉛酸の場合、負荷が高くなるほど、負荷を軽減するためにバッテリーの Ah 容量を増やす必要があります。ただし、リチウムでは、0.5C で 10 倍の負荷であっても、バッテリーの Ah 定格を上げることなく、DOD 80%/SOC 20% で端子電圧 24V を維持できます。これが、リチウムが高負荷に特に適している理由です。

注: 以下のグラフでは、放電容量と端子電圧の関係が示されています。通常、AGM グラフは放電時間と端子電圧の関係として表示されます。 (放電時間ではなく) 放電容量をプロットする理由は、リチウムの端子電圧が AGM よりも高く、より安定しているためです。そのため、放電容量を念頭に置いて曲線をプロットすると、化学的性質をより正確に比較でき、リチウムが使用可能なエネルギーを増加させることがわかります。より高い負荷では、端子電圧がより高く、より安定するためです。これはグレーゾーンだと考えるかもしれませんが (バッテリーの内部抵抗の変化も原因の 1 つです)、おそらくこれがテクノロジーを比較する唯一の本当の方法です。これは、グラフの下の画像でさらに実証されています。

リチウム - 放電容量と端子電圧


鉛酸 - 放電容量と端子電圧

利用可能エネルギー（鉛酸）

利用可能なエネルギー（リチウム）

充電効率

放電プロセスで見てきたことの多くは、その逆の充電プロセスにも当てはまります。このブログではさまざまなシナリオを示しているだけなので、以下に示すジェネレーターのサイズが大きいからといって気を悪くしないでください。ソリューションは原則として拡張可能です。まず、完全な充電サイクル中の、左側の鉛酸と右側のリチウムの充電効率を比較してみましょう。鉛蓄電池テクノロジーのバッテリーの残り 20% の充電は、リチウムと比較すると常に時間がかかり、非効率的です。これは、さらに下の画像の燃料コスト (または使用する充電ソース) で証明されています。充電時間の違いにも注目してください。

注: 充電率
大型 AGM バッテリーの推奨充電率は 0.2C、つまり、並列された 200Ah ブロックで構成される 600A バッテリーの場合は 120A です。
充電率が高くなるとバッテリーが加熱します (このような場合、熱暴走を防ぐために温度補償、電圧検出、適切な換気が絶対に必要です)。内部抵抗により、バッテリーがわずか 60% で充電されたときに吸収電圧に達します。以下になると、バッテリーを完全に充電するために必要な吸収時間が長くなります。
したがって、高速充電によって鉛蓄電池の充電時間は大幅に短縮されません。
比較すると、200Ah リチウム バッテリーは最大 500A で充電できますが、最大サイクル寿命を実現するための推奨充電速度は 100A (0.5C) 以下です。これも、放電と充電の両方においてリチウムが優れていることを示しています。

バッテリーの選択、市場、サイクル寿命

バッテリーの扱い方に応じて、国防総省と負荷に合わせて適切なサイズのバッテリーバンクを条件として、以下のサイクル範囲が合理的に予想されます。動作温度も関係します。バッテリーが熱くなると、持続時間が短くなります。バッテリー容量は周囲温度によっても減少します。温度による変動のベースラインは摂氏 25 度です。

結論

AGM バッテリーはリチウムよりも頻繁に交換する必要があることは明らかです。これには時間、設置、輸送のコストがかかり、リチウムの再充電コストが低いのと同様に、リチウムの初期資本コストが高いことをさらに無効にするため、これを念頭に置く価値があります。

どのようなバッテリーを選択する場合でも、最初は資本コストと技術的リスクの両方が発生します。リチウムの高額な初期費用に見合った資本を持っている場合は、生活が楽になり、長期的にはその選択が費用対効果に優れていることに気づくかもしれません。これの大部分は、オペレータの知識とバッテリ システムの扱い方に依存します。電池は切れるのではなく、死んでしまうという古いことわざがあります。使用するテクノロジに関係なく、適切な管理を実践することが、初期故障に対する保険となります。

リチウムイオン vs AGM?選択はあなた次第です。海洋産業におけるリチウムを、コスト効率が高く、信頼性が高く、高性能のソリューションとして検討する時期が来ています。自尊心のある電気自動車メーカーなら、今日でも鉛蓄電池ベースのバッテリー技術を使用することはないだろう。海洋産業が追いつく時期が来たのでしょうか?