Калкулатор за времето за зареждане на батерията: колко дълго да се зареди напълно
Влязох в тази индустрия през задната врата. Започнах като електрически предприемач, правейки надстройки на панели за складове, непрекъснато ми задаваха въпроси за батериите, на които не можех да отговоря, в крайна сметка прекарвах повече време в захранващи системи, отколкото в окабеляване. Това беше 2016 г. Осем години по-късно се докоснах до около 400 инсталации на батерии за мотокари в Средния запад и Югоизток, предимно преобразуване от оловна-киселина в литий.
Въпросът за времето за зареждане се появява при почти всяко обаждане при продажба. Мениджърите на автопаркове искат номер. „Колко време да зареждам?“ Прост въпрос, сложен отговор. Бързата формула, която всеки използва онлайн, ще ви вкара в полето, но съм наблюдавал, че същата формула причинява грешка от $340 000 в хладилно съоръжение в Индианаполис. Те оразмериха инфраструктурата си за зареждане въз основа на теоретични числа, след което откриха, че действителното им време за зареждане е с 40% по-дълго, тъй като никой не е отчитал температурата на околната среда от 2 градуса в зоната на фризера. Отне осем месеца, за да получат одобрение на бюджета за електрическото надграждане, което трябваше да направят от самото начало.,
Така че позволете ми да разгледам какво всъщност има значение за изчисленията на времето за зареждане и по-важното, какво означават числата за вашето решение за обществена поръчка.
Формулите и защо те лъжат
Основното изчисление е навсякъде онлайн:
Време за зареждане=Капацитет на батерията (Ah) ÷ Заряден ток (A)
200Ah батерия със зарядно 20A отнема 10 часа. Готово.
Само дето не работи по този начин. Тази формула предполага 100% ефективност на зареждане, което не съществува. Всяка химия на батерията губи енергия по време на зареждане. LiFePO4 работи от 95% до 98% в зависимост от качеството на клетката и температурата. Тествах CATL 280Ah клетки, които достигнаха 97,8% при стайна температура, но партида бюджетни клетки от Tier-3 доставчик миналата година успя само 93,2% при идентични условия. NMC химията обикновено пада между 90% и 95%. Оловно-киселината е навсякъде, от 68% на стара батерия в студено време до може би 85% на нова при оптимална температура.
Формулата с{0}}коригирана ефективност:
Време за зареждане=Капацитет на батерията (Ah) ÷ (ток на зареждане (A) × ефективност)
Тази батерия от 200Ah при 20A с 95% ефективност всъщност отнема 10,5 часа. С 85% ефективност на оловна-киселина очаквате 11,8 часа.
Но тук повечето калкулатори спират и тук започват истинските проблеми.
CC-CV таксуване: Защо последните 20% отнемат вечно
Всяко литиево зарядно устройство използва дву-фазен процес. Първата фаза е постоянен ток, при който зарядното устройство вкарва постоянен ампераж в батерията, докато напрежението достигне горната граница. За LiFePO4 това е 3,65 V на клетка, което означава 58,4 V за стандартен пакет от 48 V. NMC прекъсва при 4,2 V на клетка.
Постоянният ток ви отвежда до приблизително 80% състояние на заряд. Простата формула работи сравнително добре за тази част.
След това зарядното устройство преминава в режим на постоянно напрежение. Напрежението остава фиксирано, докато токът намалява постепенно. Батерията е "пълна", когато токът падне до около 3% от първоначалната стойност на CC. Тази фаза запълва останалите 20%, но може да изяде 30% до 40% от общото ви време за зареждане.
Мислех, че това е просто техническа подробност, докато дистрибуторски център в Мемфис не ми показа техните дневници за зареждане. Те бяха програмирали своите зарядни устройства да се изключват след 2,5 часа въз основа на изчисление, което предполагаше линейно зареждане. Всяка една батерия спираше на 83% до 86% SOC. Техните оператори смятаха, че имат 8 часа работа и получаваха 6,5 до 7. Числата за производителност нямаха смисъл, докато някой не изтегли данните от BMS.
Продължителността на CV фазата също се увеличава с остаряването на батериите. Статия BU-409 относно Battery University обхваща този феномен подробно. Влошена клетка с 82% оставащ капацитет не се зарежда по-бързо, защото има по-малко капацитет за запълване. Всъщност отнема приблизително същото общо време като нова клетка, тъй като влиза в режим CV по-рано и прекарва по-дълго време в слаботоков конус. Тяхната аналогия е полезна: млад атлет спринтира до финала с почти никакво забавяне, докато по-възрастен бегач започва да върви по средата.
Температурни ефекти, които действително имат значение
Спецификациите показват ефективност при 25 градуса. Никога не съм виждал склад, който поддържа 25 градуса целогодишно-в зоната за зареждане.
Между 20 градуса и 25 градуса всичко работи според очакванията. Това е вашата базова линия.
Между 5 градуса и 20 градуса ще видите може би 5% до 15% намаление на капацитета и малко по-дълго време за зареждане. Повечето операции не забелязват.
Между 0 градуса и 5 градуса, BMS на всяка прилична система ще започне да намалява зарядния ток. Очаквайте времето за зареждане да се удвои или утрои. Измерих 48V 400Ah опаковки, които се зареждат за 2,5 часа при 22 градуса, отнемайки повече от 7 часа при 3 градуса.
Под 0 градуса нещата стават опасни. Зареждането на LiFePO4 под точката на замръзване причинява литиево покритие върху повърхността на анода. Тази повреда е постоянна и кумулативна, като намалява както капацитета, така и живота на цикъла при всяко събитие. Правилният BMS блокира изцяло зареждането при тези температури, но съм срещал евтини системи, които показват само предупредителна светлина и позволяват на оператора да отмени. Никога не се доверявайте на BMS, който ви позволява да зареждате под 0 градуса. Статия BU-410 на Battery University документира механизма за литиево покритие и показва микроскопични изображения на щетите.
Над 45 градуса зареждането значително ускорява разграждането. Ако вашата зона за зареждане стане гореща през лятото, или преместете зарядните устройства, или добавете вентилация. Виждал съм опаковки да губят 15% капацитет за едно лято, защото са се зареждали до товарна-докинг станция с южно изложение без въздушен поток.
Практическият извод: изчислението на времето за зареждане се нуждае от коефициент на корекция на температурата. Таблицата по-долу показва какво използвам за оценки на проекта.
| Температурен диапазон | Наличен капацитет | Множител на времето за зареждане | Ниво на риск |
|---|---|---|---|
| 20 градуса до 25 градуса | 100% | 1.0x | Няма |
| 10 градуса до 20 градуса | 95% до 100% | 1,0x до 1,1x | ниско |
| 5 градуса до 10 градуса | 88% до 95% | 1,1x до 1,3x | Умерен |
| 0 градуса до 5 градуса | 75% до 88% | 1,5x до 2,5x | Висок, намален ток |
| Под 0 градуса | 50% до 75% | Зареждането е блокирано | Риск от литиево покритие |
| 35 градуса до 45 градуса | 100% | 1.0x | Ускорено стареене |
| Над 45 градуса | 100% | 1.0x | Значителна деградация |
Проблемът с избора на капацитет, за който никой не говори
Повечето онлайн дискусии третират капацитета на батерията като прост въпрос „по-голямото е по-добро“. На практика изборът между размерите на клетките създава компромиси, които засягат поведението при зареждане, управлението на топлината и дългосрочната-надеждност.
Големите призматични клетки като формати 280Ah или 314Ah имат по-ниска цена на kWh. Но съотношението между повърхността-към-обема им е по-малко, което означава, че задържат топлината по-добре, но също така се затоплят по-бавно от студено накисване.
Проведох сравнителни тестове миналата зима на клетки 100Ah и 280Ah от същия производител. Започвайки от -15 градуса, 100Ah клетките достигнаха безопасна температура за зареждане за 14 минути с нашата стандартна отоплителна система. Клетките от 280Ah отнеха 23 минути. Почти 10 минути разлика на цикъл на зареждане.
За планирани операции на смени с предвидими прозорци за зареждане това може да няма значение. Стартирайте нагревателя 30 минути по-рано и батериите са готови, когато имате нужда от тях. За-приложения по заявка с нередовно изпращане, тези допълнителни 10 минути могат да се разпространят през цялата ви операция.
Другият проблем е съгласуваността между клетките--. Пакет, изграден от 100Ah клетки, има повече отделни клетки, които трябва да останат балансирани. Но тези по-малки клетки са склонни да показват по-плътна консистенция в партида, тъй като термичните градиенти по време на производството са по-малки. Един клиент премина от 320Ah клетки към 100Ah клетки специално, защото тяхната BMS постоянно алармираше за разликата в напрежението. Пакетът от 320Ah рутинно показва 50mV разпространение между клетките. Резервният пакет от 100 Ah остава под 15 mV.
Това има значение за времето за зареждане, тъй като BMS балансирането се случва в края на цикъла на зареждане. По-големите разлики в напрежението означават по-дълго време за балансиране, което удължава общото време за достигане на истински пълен заряд.
| Формат на клетка | Цена на kWh | Възстановяване при студено накисване | Консистенция на партидите | Най-доброто приложение |
|---|---|---|---|---|
| 100Ah призматичен | По-висок (+15% до 20%) | По-бързо (14 минути от -15 градуса) | По-строги (обикновено<15mV spread) | Променливи графици, студена среда |
| 280Ah призматичен | По-ниска | По-бавно (23 минути от -15 градуса) | Умерено (20-40mV разпространение типично) | Фиксирани графици, контролирана температура |
| 314Ah призматичен | Най-ниска | Най-бавно | Променлива според производителя | Приложения с-висок капацитет,-чувствителни към разходите |
C-Избор на тарифи и реални-световни времена на зареждане
C-rate изразява тока на зареждане като кратно на капацитета. 100Ah батерия, заредена при 1C, получава 100 ампера. При 0,5C получава 50 ампера.
Връзката между скоростта на C- и времето за зареждане не е линейна поради CV фазата. Удвояването на тока на зареждане не намалява наполовина общото ви време за зареждане.
При 0,5C, типичен LiFePO4 пакет отнема около 100 минути в режим CC, за да достигне 80% SOC, след това още 40 до 50 минути в режим CV, за да завърши зареждането. Общо около 2,5 часа.
При 1C, CC фазата пада до около 50 минути, но CV фазата все още отнема 35 до 45 минути. Общо около 1,5 часа.
Удвоихте тока, но съкратихте общото време само с 40%. CV фазата е относително фиксирана, независимо от скоростта на CC.
При 2C (ако вашите клетки го поддържат), CC фазата пада до може би 25 минути, CV фазата остава около 30 до 40 минути. Общо около 1 час. Учетворихте тока в сравнение с 0,5C, но намалихте времето само с 60%.
| C-Оценка | Продължителност на фазата на CC | Продължителност на CV фазата | Общо време за зареждане | Генериране на топлина | Разходи за инфраструктура |
|---|---|---|---|---|---|
| 0.25C | ~3,5 часа | ~50 мин | ~4,3 часа | Минимална | Базово ниво |
| 0.5C | ~1,7 часа | ~45 мин | ~2,4 часа | ниско | Базово ниво |
| 1C | ~50 мин | ~40 мин | ~1,5 часа | Умерен | +20% до 30% |
| 2C | ~25 мин | ~35 мин | ~1 час | Висока, изисква активно охлаждане | +60% до 80% |
Колоната за генериране на топлина е важна. По-високите нива на C- означават повече енергия, загубена като топлина вътре в клетките. Без адекватно термично управление, температурата на клетката се повишава по време на зареждане, което задейства намаляване на мощността на BMS, което удължава времето за зареждане, което частично проваля целта на бързото зареждане. Виждал съм системи с рейтинг 2C-, които всъщност отнемат повече време от системи с 1C в гореща среда, защото BMS прекарва половината цикъл в режим на термична защита.
Където времето за зареждане се вписва в икономиката на флота
Това е мястото, където се вземат решения за обществени поръчки. Времето за зареждане не е просто техническа спецификация. Това пряко влияе колко батерии са ви необходими, колко зарядни устройства са ви необходими и дали вашата електрическа инфраструктура може да се справи с натоварването.
Позволете ми да прегледам едно реално сравнение, което направихме миналата година за операция на 3PL в Далас, работеща с 36 седящи -мотокари клас 1 на две смени.
Сценарий A: Оловна{0}}киселина със смяна на батерията
Традиционният подход. Всеки мотокар се нуждае от три комплекта батерии: един за работа, един за зареждане, един за охлаждане. Оловно{2}}киселинните батерии се нуждаят от 8 часа време за зареждане плюс 8 часа охлаждане преди повторна употреба. Общо 108 батерии по приблизително $4200 всяка за 48V 600Ah единици.
Годишните оперативни разходи включват електроенергия (ефективност на оловно-киселинен-обход около 80% означава значителни загуби), поливане и труд по поддръжката, ОВК в помещението за батерии и резерви за подмяна. Оловната-киселина при интензивна-употреба приложения обикновено издържа 1500 до 2000 цикъла, което означава 3 до 4 години при две-сменни операции.
Сценарий B: Литий с възможност за зареждане
LiFePO4 батериите могат да се зареждат по време на почивки без повреди или изисквания за охлаждане. Всеки мотокар се нуждае от една батерия. Общо 36 батерии на приблизително $11 800 всяка за еквивалентни 48V 400Ah LFP единици (необходим е по-малък капацитет, тъй като литият осигурява пълен капацитет по време на разреждане, за разлика от оловната -киселина, която трябва да остане над 50%, за да запази живота).
| Разходна категория | Оловна{0}}киселина (36 мотокара) | LiFePO4 (36 мотокари) | Разлика |
|---|---|---|---|
| Първоначална цена на батерията | $453,600 (108 × $4,200) | $424,800 (36 × $11,800) | LFP спестява $28 800 |
| Инфраструктура на зарядното устройство | $86,400 (36 × $2,400) | $64,800 (36 × $1,800) | LFP спестява $21 600 |
| Конструкция на акумулаторно помещение | $45,000 | $0 | LFP спестява $45 000 |
| Надграждане на електрическата услуга | Включени | $18 000 (по-висок пиков товар) | Оловната{0}}киселина спестява $18 000 |
| Обща първоначална инвестиция | $585,000 | $507,600 | LFP спестява $77 400 |
Годишните оперативни разходи разказват останалата част от историята:
| Категория на годишните разходи | Оловна{0}}киселина | LiFePO4 | Разлика |
|---|---|---|---|
| Електричество (загуби при зареждане) | $31,200 | $19,800 | LFP спестява $11 400 |
| Работа по поддръжката | $18,700 | $2,400 | LFP спестява $16 300 |
| Резерв за смяна на батерията (10 години) | $113 400/година | $0 | LFP спестява $113 400 |
| Работа при смяна на батерията (15 мин × 2 смени × 250 дни) | $28,125 | $0 | LFP спестява $28 125 |
| Стая за батерии HVAC | $8,400 | $0 | LFP спестява $8400 |
| Обща годишна работа | $199,825 | $22,200 | LFP спестява $177 625/година |
Изчислението на резерва за смяна предполага, че оловните{0}}киселинни батерии издържат средно 3,5 години в това приложение, което изисква смяна на приблизително 31 батерии годишно по 3650 $ всяка (цените леко намаляват за замяната, когато сметката е установена). LiFePO4 е с гаранция за 10 години в това приложение без очаквана подмяна.
8-годишно TCO обобщение:
| Оловна{0}}киселина | LiFePO4 | |
|---|---|---|
| Първоначална инвестиция | $585,000 | $507,600 |
| 8-годишни експлоатационни разходи | $1,598,600 | $177,600 |
| Общо 8-годишен TCO | $2,183,600 | $685,200 |
| Цена на мотокар на година | $7,582 | $2,379 |
Литиевият вариант струва 69% по-малко за 8 години. Изплащането на разликата в първоначалната инвестиция става на 5-ия месец.
Този конкретен анализ използва числа от този клиент от Далас. Вашите числа ще бъдат различни въз основа на цените на електроенергията, разходите за труд, моделите на смени и местните строителни разходи. Но големината на разликата е представителна за това, което виждам в повечето операции на много-смени.
Операции с една-смяна: Различна математика
Икономиката се променя значително за-съоръженията на една смяна. Ако оборудването не работи 14 до 16 часа на ден, работата по смяната на батерията изчезва от уравнението и оловната-киселина има време за правилно зареждане и охлаждане с един комплект батерии.
За 20-мотокар работа на една смяна:
| Разходна категория | Оловна{0}}киселина | LiFePO4 |
|---|---|---|
| Необходими батерии | 20 | 20 |
| Първоначална цена на батерията | $84,000 | $236,000 |
| 8-годишни експлоатационни разходи | $224,000 | $48,000 |
| 8-годишен TCO | $308,000 | $284,000 |
Литият все още печели, но маржът е много по-малък. Изплащането отнема 4 до 5 години вместо 5 месеца. За операции, които не са сигурни относно дългосрочните си-планове, това променя изчислението на риска.
Имал съм клиенти в тази ситуация, които избират оловна{0}}киселина специално, защото не са сигурни, че ще останат в това съоръжение след 5 години. Това е законно бизнес решение.
Какво прави BMS за вашето време за зареждане
Системата за управление на батерията контролира какво всъщност се случва по време на зареждане, а евтините BMS дизайни са източникът на повечето проблеми със зареждането, които отстранявам.
Три поведения на BMS, които влияят на времето за зареждане:
Точност на измерване на напрежението на клетката.Индустриалните-уреди BMS измерват напреженията на отделните клетки в рамките на ±2mV. Бюджетните единици могат да постигнат само ±10mV. В последователен низ от 16 клетки кумулативната грешка може да достигне 160 mV. Това причинява преждевременно влизане в режим CV, фалшиви тригери за балансиране и непоследователно прекратяване на зареждането. Виждал съм пакети, които показват "100%" на дисплея, но всъщност са някъде от 94% до 102% в зависимост от това коя клетка сте измерили.
Балансиране на ток и стратегия.Пасивното балансиране разсейва излишната енергия като топлина чрез резистори. Активното балансиране пренася енергия между клетките. Пасивното балансиране обикновено работи от 50 до 200 mA, което означава, че са необходими 5 до 20 часа, за да се балансира 1% SOC разлика между клетките. Повечето BMS устройства балансират само в горната или долната част на кривата на зареждане, така че ако никога не зареждате до 100%, балансирането може никога да не се осъществи. Активното балансиране струва 15% до 25% повече, но се справя с дисбалансите много по-бързо.
Криви на термично намаляване.Когато температурата на клетката се повиши, добре-проектираният BMS намалява тока на зареждане, за да предотврати повреда. Проблемът е, че тези криви на понижаване варират значително между производителите. Виждал съм BMS устройства, които намаляват тока с 50% при 35 градуса и други, които поддържат пълен ток до 45 градуса. Нито едно от двете не е непременно грешно, но те произвеждат много различно време за зареждане в топла среда.
Попитайте вашия доставчик за действителните BMS параметри: точност на измерване на клетка, балансиращ ток и праг на задействане, крива на термично намаляване. Ако те не могат да ги осигурят, намерете друг доставчик.
Често срещани грешки при обществените поръчки
Грешка 1: Използване на теоретично време за зареждане за оразмеряване на инфраструктурата.
Вашите зарядни устройства и електрическа услуга трябва да се справят с реално време за зареждане, а не с изчисления. Вградете минимум 20% марж. Разходите за леко наддаване са много по-малки от разходите за преоборудване по-късно.
Грешка 2: Пренебрегване на сезонните промени.
Система, която работи перфектно през пролетта, може да има проблеми през зимата. Ако вашето съоръжение не е климатично-контролирано, получете данни за времето за зареждане при очакваните екстремни температури.
Грешка 3: Третиране на целия литий като еквивалентен.
LiFePO4 от различни производители работи по различен начин. Качеството на клетките, дизайнът на BMS и управлението на топлината влияят на времето за зареждане в-реалния свят. Изисквайте тестови данни за конкретния продукт, който купувате, а не общи спецификации на „литиевата батерия“.
Грешка 4: Забравяне за стареенето.
Времето за зареждане се увеличава с остаряването на батериите. Система, която едва отговаря на нуждите ви, когато е нова, ще се провали на 3-та или 4-та година. Дизайн за работа в края-на-живота, а не в началото-на-живота.
Грешка 5: Изчисляване на базата на пълни цикли на разреждане.
Повечето операции не карат батериите да се изпразват. Ако типичният ви цикъл е 60% разряд, изчислението на времето за зареждане трябва да използва 60%, а не 100%. Предразмеряването на базата на пълни цикли губи инфраструктурен капацитет.
Бърза справка за оценка на проекта
За целите на първоначалното планиране преди детайлното инженерство:
48V 400Ah LiFePO4 (19,2 kWh)
От 20% SOC при 0,5C (200A): приблизително 2 часа до пълен
От 20% SOC при 1C (400A): приблизително 1,2 часа до пълен
Регулиране на температурата: умножете по 1,5x под 10 градуса, по 2x под 5 градуса
80V 500Ah LiFePO4 (40 kWh)
От 20% SOC при 0,5C (250A): приблизително 2 часа до пълен
От 20% SOC при 1C (500A): приблизително 1,2 часа до пълен
48V 600Ah оловно-киселинно (28,8 kWh номинално, 14,4 kWh използваемо при 50% DoD)
От 50% SOC: 8 часа зареждане плюс 8 часа охлаждане
Няма възможност за зареждане
Тези числа предполагат стайна температура и здрави батерии. Приспособете се към действителните си условия.
Получаване на точни числа за вашата операция
Общите калкулатори дават общи отговори. За решения за обществени поръчки, включващи значителен капитал, имате нужда от изчисления, базирани на вашето специфично оборудване, среда и работни модели.
Извършваме подробни анализи на времето за зареждане като част от обхвата на нашия проект в Polinovel. Изпратете ни вашите текущи характеристики на батерията, график на смени, температурен диапазон на съоръжението и наличност на прозореца за зареждане. Ние ще моделираме очакваното време за зареждане и ще ви покажем как различните конфигурации влияят на вашите инфраструктурни изисквания и TCO.
Анализът е безплатен за проекти над 10 единици. За по-малки проекти все пак си струва да поговорите, за да сте сигурни, че не правите една от често срещаните грешки при оразмеряването.
Контакт: sales@polinovelpowbat.com
Таблиците с данни отразяват типични диапазони на производителност, наблюдавани при множество производители и приложения. Конкретните резултати зависят от качеството на клетките, конфигурацията на BMS, условията на околната среда и работните модели. Фактори за корекция на температурата, базирани на химията на LiFePO4; NMC и други химикали може да се различават. Изчисленията на TCO използват предположения, посочени в текста; действителните резултати изискват-специфичен анализ на сайта.
препратки:
1. Battery University, „BU-409: Зареждане на литиево-йони“ и „BU-410: Зареждане при високи и ниски температури“ (batteryuniversity.com/article/bu-409-зареждане-литий-йони, batteryuniversity.com/article/bu-410-charging-at-high-and-low-temperatures)
2. BloombergNEF, „Проучване на цените на батериите 2024 г.“, документиращо спад на средните цени на пакети до $139/kWh в световен мащаб (about.bnef.com)
