Чому показник C для акумуляторів енергії – побутових та комерційних – становить 0,5 C?

Системи накопичення енергії та автономні системи містять акумулятори, а важливим показником продуктивності акумуляторів є швидкість заряджання та розряджання або ємність заряджання та розряджання. У технічних вимогах або технічних параметрах акумулятора часто можна побачити параметр "xxC", наприклад, "0,2C", "0,3C", "1C" або "2C". У системах накопичення енергії найпоширенішим є "0,5C", то чому ж 0,5C є найпоширенішим?

1. Що таке «С»?

C – це перша літера одиниці вимірювання заряду, Кулона. Цю концепцію вперше запропонував французький фізик Кулон, і вона визначає кількість електрики, що проходить через площу поперечного перерізу дроту за 1 секунду. В акумуляторах-накопичувачах C використовується для позначення швидкості заряду та розряду акумулятора. Зазвичай величина струму заряду та розряду виражається цією швидкістю заряду та розряду. Швидкість заряду та розряду 1 C означає, що акумулятор-накопичувач може розрядити всю свою електрику протягом 1 години; 2 C означають, що акумулятор-накопичувач може розрядити всю свою електрику протягом 0,5 години.

2. Як розраховується або отримується «C»?

C (швидкість заряду та розряду) – це логічне поняття, а не фіксоване, як струм (А) та напруга (В). Наприклад, через ланцюг проходить струм 1 А. Незалежно від того, який пристрій використовується для його вимірювання, значення струму 1 А однакове. Що стосується ємності заряду та розряду 1 С, вона також пов'язана з питомою ємністю акумулятора. Для акумулятора ємністю 1 А·год струм заряду та розряду 1 С становить 1 А; для акумулятора ємністю 2 А·год струм заряду та розряду 1 С становить 2 А. І так далі.

У системах акумуляторних батарей загальноприйнятий вибір швидкості заряджання та розряджання 0,5°C (тобто ємність акумулятора повністю заряджається або розряджається протягом 2 годин) головним чином базується на таких основних причинах:

1. Збільшення терміну служби батареї

- Вартість високотарифного заряджання та розряджання:

Чим вища швидкість заряду та розряду акумулятора (C-rate), тим швидше іони літію вводяться/виводяться з матеріалу електрода, що призводить до:

- Інтенсифіковані побічні хімічні реакції (такі як потовщення плівки SEI, розкладання електроліту);

- Підвищена структурна напруга матеріалу (розширення/стискання електрода, розрив частинок);

- Підвищене внутрішнє теплоутворення (прискорене старіння).

Ці фактори значно скоротять термін служби акумулятора (наприклад, розряд 1C може скоротити термін служби на 30%-50% порівняно з 0,5C).

- Вимоги до терміну служби сценаріїв накопичення енергії:

Системи накопичення енергії (такі як домашнє накопичення енергії, накопичення енергії на рівні мережі) зазвичай потребують терміну служби понад 10 років (6000+ циклів).

Використання м'якої стратегії заряджання та розряджання 0,5 C може зменшити швидкість ослаблення заряду акумулятора та задовольнити вимоги щодо тривалого терміну служби.

2. Зменшення складності терморегуляції

-Зв'язок між теплотою та швидкістю:

Тепло, що генерується внутрішнім опором батареї, пропорційне квадрату струму (\(P = I^2 \cdot R\)).

- Струм 0,5 C: Припустимо, що ємність акумулятора становить 100 А·год, а сила струму — 50 А;

- Струм 1C: Струм становить 100A → нагрівання в 4 рази більше, ніж у попереднього разу.

- Вартість та ризик розсіювання тепла:

Системи накопичення енергії зазвичай використовують великогабаритні акумуляторні блоки, а високошвидкісна робота вимагає складніших систем розсіювання тепла (таких як рідинне охолодження), які є дорогими та збільшують ризик виходу з ладу.

Конструкція з температурою 0,5°C спрощує управління температурою (природна конвекція або повітряне охолодження можуть задовольнити вимоги), знижує витрати та підвищує безпеку.

3. Відповідність вимогам сценаріїв застосування накопичувачів енергії

- Застосування типу енергії та типу потужності:

- Система накопичення енергії: здебільшого вимоги до типу енергії (такі як заповнення піків та западин, фотоелектричне накопичення), що вимагає довгострокової стабільної видачі енергії та низьких миттєвих потреб у потужності;

- Акумуляторна батарея (наприклад, для електромобілів): вимагає конструкції типу живлення (1C~3C) для задоволення високих вимог до потужності, таких як розгін та швидка зарядка.

- Застосовність 0,5°C:

Візьмемо як приклад типове побутове накопичуваче енергії:

- Ємність акумулятора становить 10 кВт·год, а потужність розряду 0,5C — 5 кВт, що може покрити більшість побутових навантажень (кондиціонування повітря, освітлення тощо);

- Якщо потрібна більша потужність (наприклад, короткочасне ударне навантаження), це можна вирішити за допомогою системного проектування (наприклад, збільшення потужності інвертора) без збільшення швидкості заряду акумулятора.

4. Винятки у фактичних застосуваннях

- Короткострокові сценарії високої потужності:

Деякі спеціальні сценарії накопичення енергії (такі як регулювання частоти мережі, резервне живлення від ДБЖ) вимагають швидкої реакції та можуть використовувати акумулятори з вищим струмом (наприклад, 1C~2C), але за рахунок терміну служби та вартості.

- Прогрес у технології акумуляторів:

З розвитком твердотільних акумуляторів, кремнієвих негативних електродів та інших технологій, акумулятори для зберігання енергії можуть підтримувати вищі показники (наприклад, 1C), зберігаючи при цьому тривалий термін служби в майбутньому, але 0,5C все ще є основним вибором наразі.

Занадто велика швидкість заряду та розряду вплине на термін служби акумулятора, тому не слід встановлювати занадто високу;

Звичайно, C також не надто малий. Наприклад, 0,1 C, 0,2 C та 0,3 C – це звичайні значення для свинцево-кислотних акумуляторів. Струм зарядки невеликий, а швидкість повільна. Хоча це краще захищає акумулятор, у промислових та комерційних проектах накопичення енергії, де державна мережа має періоди пік-мінливість-рівень низького навантаження, і головною метою є отримання переваг від різниці в ціні пік-мінливість, це, очевидно, зменшить кількість кВт-год, що заряджаються та розряджаються за один і той же період часу, тим самим зменшуючи щоденний дохід та подовжуючи термін окупності, тому це не підходить.

Загалом, вибір швидкості заряду та розряду 0,5C враховує як можливості заряду та розряду акумулятора, так і захист терміну служби акумулятора, а також сумісність з періодами пікових та спадних навантажень.

Наприклад, система з однією шафою потужністю 209 кВт-год або 215 кВт-год зі 100-кіловатним блоком живлення (PCS) може бути повністю заряджена або розряджена за 2 години, що відповідає тривалості пікових та спадних періодів, визначених місцевими електромережевими компаніями. Заряджання та розряджання можуть виконуватися протягом відповідного періоду, щоб не витрачати енергію та час, а також отримувати очікувані переваги, що є розумним.

Літієва батарея Hope Light Solar для житлових та комерційних приміщень: