Суық ауа райында литий батареялары: өнімділік және үздік тәжірибелер
Өткен қыста біз Миннесотадағы бір жобадан шамамен 47 000 доллар жоғалттық. Мұздатылған азық-түлік дистрибьюторы бізден 32 LFP батарея жинағын сатып алды. Техникалық кестеде жұмыс температурасының диапазоны -20 градустан 60 градусқа дейін болғанын айтты. Жақсы көрінді. Үш айдан кейін төрт пакет өлді және клиент сотқа жүгінумен қорқытты.
Түбірлі себеп? Бұл -20 градус зарядтау температурасы емес, разряд температурасы болды. LFP батареялары 0 градустан төмен зарядталғанда литий дендриттерін құрайды. Батарея университеті бұл туралы жылдар бойы жазды, бірақ біз оны жеткілікті түрде қабылдамадық. Қымбат сабақ.
Бұл мақалада сегіз жылдық салқын климаттық жағдайдың-маған нені үйреткені айтылады. Жалпы кеңес емес. B2B сатып алу үшін маңызды болатын нақты операциялық тәжірибе.
Ең маңызды нүкте: суық зарядтау суық разрядқа қарағанда он есе қауіпті
Көптеген сатып алу менеджерлері литий батареялары қыста жұмыс істей ме деп сұрайды. Иә, олар бар. Бірақ сіз «жұмыс» дегеннің не екенін түсінуіңіз керек.
Суық батареяны зарядсыздандыру қол жетімді сыйымдылықты азайтады. LFP -20 градуста номиналды сыйымдылықтың шамамен 50% - 60% береді. NMC шамамен 70% алады. LTO 90% сақтайды. Біз бұл сандарды өзіміз сынап көрдік және олар Сиань Цзяотонг университеті Power Sources журналында (DOI: 10.1016/j.jpowsour.2022.230892) жарияланған зерттеулермен сәйкес келеді.
Зарядтау мүлдем басқаша.
0 градустан төмен литий иондары графит анодына дұрыс араласа алмайды. Олар металдық литий ретінде бетіне тікелей жабысады. Бұл процесс қайтымсыз. Әрбір суық зарядтау шарасы -өткізу сыйымдылығының 0,5%-2% құрайды. Мен ең нашар жағдайды көрдім: клиент жүк көтергіштерінің батареяларын қыс бойы ашық ауада -15 градуста зарядтады. Көктемге қарай қуаттылық 60%-ға дейін төмендеді.
Сиань Цзяотонг қағазы белгілі бір жағдайларда -20 градуста LFP сыйымдылығын сақтауды 31,5%-ға дейін өлшеген. Мен бұл санға сенбедім. Содан кейін біз CATL 280Ah ұяшықтарын өзіміз сынадық. Кейбір партиялар -20 градуста тек 48% сақтауды көрсетті. Бірдей өнім тобы, әртүрлі партиялар, вариацияның 13 пайыздық пункті.
Сондықтан мен қазір жеткізушілерден пакеттік{0}}нақты сынақ есептерін талап етемін. Жалпы сипаттамалар парақтары қабылданбайды.
Төмен температурада әртүрлі химиялар қалай жұмыс істейді
| Химия | 0 градус Сыйымдылығы | -10 градус Сыйымдылығы | -20 градус Сыйымдылығы | Минималды зарядтау температурасы | Өмір циклі | кВт/сағ құны |
|---|---|---|---|---|---|---|
| LFP | 82-88% | 65-75% | 48-61% | 0 градус қатты шектеу | 2,500-4,000 | $55-80 |
| NMC 811 | 88-92% | 78-85% | 70-78% | -10 градус төмендеді | 1,200-2,000 | $85-120 |
| LTO | 95-98% | 92-95% | 88-92% | -30 градус | 15,000+ | $180-250 |
| Қорғасын{0}}қышқыл | 65-75% | 45-55% | 8-20% | N/A | 800-1,200 | $120-180 |
Қорғасын қышқылына арналған 8{1}}20%- қате емес. Battle Born салыстырмалы сынақ жүргізіп, қорғасын қышқылды аккумуляторларды -ауздан төмен деңгейде пайдасыз деп тапты. Бұл қорғасын қышқылды жүк көтергіштерін пайдаланатын дәстүрлі салқындатқыш қоймаларға неліктен жұмыс істеу үшін жылына 1000-2000 фунт стерлинг тұратын арнайы батарея жылыту бөлмелері қажет екенін түсіндіреді.
LTO ерекше атап өтуге лайық. Бұл LFP-ден үш есе қымбат, бірақ өте суық ортада бұл мен толығымен сенетін жалғыз химия. Біз -40 градуста жұмыс істейтін Нунавуттағы тау-кен клиенті үшін LTO пакеттерін орналастырдық. Үш жылдан кейін қуаттың нашарлауы 3%-дан аз. Клиент құнына байланысты LTO-дан бас тартты. Енді олар біздің ең адал қайталанатын тұтынушымыз.
Сыйымдылықты таңдау проблемасы туралы ешкім айтпайды
Бұл күрделене түседі.
280Ач немесе 314Ач призматика сияқты үлкен сыйымдылығы бар ұяшықтардың кВт/сағ құны төмен. Бірақ олардың бетінің-көлеміне- қатынасы кішірек. Екі нәтиже: жылуды жақсы ұстайды, бірақ салқын судан баяу жылыну.
Біз бір өндірушінің 100Ah және 280Ah ұяшықтарын сынадық. -15 градустан зарядтау температурасына дейін қыздыру 100Ah ұяшық үшін 14 минут және 280Ah ұяшық үшін 23 минутты алды. 10 минутқа жуық айырмашылық.
Жоспарланған ауысым операциялары үшін бұл 10 минутты алдын ала қыздыру арқылы басқаруға болады. Қыздырғышты 30 минут ерте іске қосыңыз. Бірақ төтенше жағдай логистикасы немесе тұрақты емес жөнелту сияқты -сұраныс қолданбалары үшін бұл айырмашылық өте маңызды болады.
Қарапайым шешім шеңбері:
Үлкен сыйымдылықты таңдаңыз (200Ач+):
Бекітілген ауысым кестелері, қолайлы алдын ала қыздыру уақыты, бірлік құнын азайту басымдылық болып табылады
Келесі жағдайларда кішірек сыйымдылықты таңдаңыз:
Кездейсоқ жіберу, жылдам жауап беру қажет, жоғары температура ауытқуы ортасы
Адамдардың көпшілігі ұмытатын тағы бір нәрсе: қаптамадағы ұяшықтардың кішірек болуы ұяшықтардың-ұяшықтарға- жақсырақ консистенциясын және BMS теңдестіру жүктемесінің төмендеуін білдіреді. Бір клиент ақшаны үнемдеу үшін 320Ah ұяшықтарды талап етті. Алты айдан кейін қораптағы кернеу дифференциалы 50мВ-тан асты және BMS үнемі дабыл қағады. 100Ah ұяшықтарға ауыстырылды, мәселе жойылды.
ТШО талдауы: литий қашан қайтарылады?
2024 жылғы жобаның нақты сандары. Миннесота 3PL клиенті, 32 жүк көтергіштері, аралас қоршаған орта және тоңазытқыш қоймасы. Бірінші жылдағы нақты операциялық шығындар:
Жылдық операциялық шығындарды салыстыру (бірлік үшін АҚШ доллары)
| Шығын тармағы | Қорғасын{0}}Қышқыл | Литий | Үнемдеу |
|---|---|---|---|
| Электр | 1,240 | 980 | 260 |
| Техникалық қызмет көрсету жұмыстары | 380 | 45 | 335 |
| Аккумулятордың амортизациялық қоры | 890 | 285 | 605 |
| Зарядтау инфрақұрылымы | 120 | 85 | 35 |
| Жылыту бөлмесінің жұмысы | 310 | 0 | 310 |
| Тоқтау уақытындағы шығындар | 420 | 95 | 325 |
| Барлығы | 3,360 | 1,490 | 1,870 |
Литийді сатып алу сыйлығы: бірлік үшін шамамен $14,200. Жыл сайынғы 1870 доллар үнемдеу кезінде статикалық өтелу мерзімі 7,6 жылды құрайды.
Бірақ бұл есептің кемшілігі бар.
Суық қоймалардағы қорғасын{0}}қышқылды аккумуляторлар өндірушілер мәлімдегендей 5 жыл емес, әдетте 3-4 жыл қызмет етеді. Біздің үш тоңазытқыш сақтау клиентінен алынған деректер 3,8 жыл орташа нақты қызмет ету мерзімін көрсетеді. Түзетілген есептеу:
10 жылдық ТШО-ны салыстыру
| Сценарий | Қорғасын{0}}Қышқыл 10Y ТШО | Литий 10Y ТШО | Үнемдеу |
|---|---|---|---|
| Оптимистік (5 жылдық ЛА өмірі) | $38,600 | $29,100 | 25% |
| Реалистік (3,8 жылдық ЛА өмір сүруі) | $44,200 | $29,100 | 34% |
| Тоңазытқышта сақтау (2,5 жыл ЛА қызмет ету мерзімі) | $56,800 | $29,100 | 49% |
Суық қойма литийдің ең күшті жағдайын көрсетеді, себебі қорғасын қышқылы төмен температурада тез ыдырайтын-. Мен көрген ең нашар жағдай: клиенттің қорғасын қышқылды жүк көтергіш аккумуляторы -18 градус мұздатқышта 18 ай жұмыс істеді, оның сыйымдылығы 40%-ға дейін төмендеді.
BMS таңдау: ең назардан тыс қалған шешім
Бұл Миннесота жобасы BMS салдарынан сәтсіз болды.
Біз қаптаманың қарама-қарсы шеттерінде орналасқан тек екі температура сенсоры бар арзан{0}}қытайлық BMS қолдандық. Ортаңғы жасушалар ұштарынан 7-8 градусқа суық. BMS 5 градусты көрсетеді және зарядтауға рұқсат берді. Орташа жасушаның нақты температурасы -3 градус болды. Бірнеше айдан кейін ортаңғы жасушалардың сыйымдылығы соңғы жасушаларға қарағанда 15% аз болды.
Менің ағымдағы BMS талаптарым:
Температура сенсорлары: Әр түрлі позициялар бойынша таратылған модульге кемінде 4 NTC сенсоры. Тек екі немесе үш сенсор бар ма? Қабылдауға болмайды.
Төмен температурадан{0}}зарядтан қорғау: LFP қайта анықтау мүмкіндігі жоқ 0 градуста қатты құлыптауы керек. Кейбір арзан BMS конструкциялары операторды қайта анықтау түймелерін қамтиды. Өндіріс қысымындағы операторлар сол түймені басады. Кепілдендірілген.
Зарядты азайту қисығы: 0 градус пен 10 градус арасындағы үдемелі ток төмендеуі. Маған зарядтау тогы 5 градуста 0,2С төмен және 2 градуста 0,1С төмен қажет.
CAN автобусының диагностикасы: B2B қолданбалары үшін ұяшық{1}}деңгейіндегі кернеу мен температура деректері қолжетімді болуы керек. Бұл мүмкіндік болмаса, проблемаларды диагностикалау болжамға айналады.
Мен көптеген жеткізушілерге осы нақты сұрақтар қойдым. Үштен бір бөлігінен азы нақты жауап бере алады. Жауап бере алмайтындар менің шаруамды алмайды.
Өріс өнімділігі деректері
Біз екі жылдан астам бақылаған үш жоба:
А жобасы: Миннеаполис тоңазытқыш қоймасы (-5 градустан -25 градусқа дейін)
PTC жылытуы бар 24 LFP бумасы, 2022 жылы енгізілген. Екі жылдан кейін сыйымдылықты сақтау: 94,8%. Екі -суық ауа райы оқиғасы орын алды, олардың екеуі де операторлардың алдын ала қыздыру процедураларын өткізіп жіберуіне байланысты. Жабдықтың істен шығу деңгейі қорғасын қышқылымен 4,1%-дан 0,3%-ға төмендеді.
B жобасы: Эдмонтонның сыртқы логистикалық ауласы (+25 градустан -35 градусқа дейін)
Жылу сорғысының термиялық басқаруы бар 8 NMC бумасы, 2023 жылы іске қосылды. Қыста пайдалануға болатын қуаттылық: жазғы базалық деңгейдің 78%. Суық{4}}бастау сәтсіздіктері: нөл. Жылыту энергиясын тұтыну: жалпы өткізу қабілетінің 4,2%. Бұл жоба қатты суықта жылу сорғысының құнына деген көзқарасымды өзгертті.
C жобасы: Нунавут тау-кен жұмыстары (-10 градустан -45 градусқа дейін)
6 LTO бумасы, орналастырылған 2021. Үш жылдан кейін сыйымдылықты сақтау: 97,1%. Температураға-байланысты оқиғалар: нөл. Инвестиция болжанған 36 айға қарсы 28 айда қалпына келтірілді. Клиенттің сөзі: «Егер мен оның жақсы жұмыс істейтінін білсем, бірінші жылы бәрін өзгертер едім».
Білуге тұрарлық салалық форумдардағы мәселелер
Мен пайдаланушылардың шын мәнінде не кездестіретінін көру үшін Forkliftaction форумдарын және Reddit-тің электрлік көліктерін үнемі шолып отырамын. Бірнеше тақырыптар қайта-қайта пайда болады:
- SOC бағалауы сенімсіз болады.LFP разряд қисықтары тегіс, бұл қалыпты жағдайда да зарядтың күйін-- бағалауды қиындатады. Төмен температурада бағалау қателігі 20%-дан асуы мүмкін. Бізде клиенттер 25% зарядта кенеттен өшіру туралы хабарлады. Шешім: операторларды төмен{7}}температураның SOC көрсеткіштері тек болжамды екенін түсінуге үйретіңіз. Үлкенірек шеттер қалдырыңыз.
- Зарядтау уақыты екі немесе үш есе артады.2024 жылдың қаңтарында Чикагодағы полярлық құйын кезінде электр көліктерінің иелері зарядтау станцияларында сағаттап күтті. Мәселе зарядтағыштарда емес еді. Батареялар зарядты қабылдау үшін тым суық болды. Алдын ала қыздыру мүмкіндігі өте маңызды және операторлар алдын ала қыздыруды ерте бастау әдетін дамытуы керек.
- BMS логикасы брендтер арасында күрт өзгереді.Tesla алдын ала қыздыру шамамен 15 минутты алады. Кейбір брендтер 40 минуттан астам уақытты қажет етеді. Сатып алу кезінде әрқашан жеткізушілерден -суытуға{5}}дайын{6}}уақыт сұраңыз.
2025 жылы көруге тұрарлық технологиялық трендтер
Қатты күйдегі батареялар сұйық электролит жүйелеріне қарағанда төмен температурада жақсы жұмыс істейді, себебі қатты электролиттер суық жағдайда қалыңдамайды немесе қатпайды. QuantumScape -30 градустық сынақ деректерін жариялады, олар перспективалы болып көрінеді, бірақ көлемді өндіруге бірнеше жылдар қалды.
Бірден маңыздырақ: төмен-температурадағы электролиттердің дамуы. Асахи Касеи биылғы жылы ацетонитрилге негізделген электролит-коммерцияландыруда, ол -40 градуста жоғары қуат шығаруды талап етеді. Егер ол өндіріс ауқымында жеткізілсе, суық аймақ қолданбалары айтарлықтай пайда әкеледі.
Өздігінен жылытылатын батареялар -қазір 1,2 миллиард доллардан асатын нарықты құрайды. Бұл батареялар қыздыру элементтерін тікелей ұяшық құрылымына біріктіріп, сыртқы PTC жүйелеріне қарағанда әлдеқайда жоғары қыздыру тиімділігіне қол жеткізеді.
Қорытынды ойлар
Литий батареялары суық ортада мүлдем жұмыс істей алады. Бірақ сәтті орналастыру қалыпты климаттық қолданбаларға қарағанда мұқият таңдауды және тәртіпті операциялық процедураларды талап етеді.
Менің ұсыныстарым:
Кейде -10 градусқа жететін орталар: PTC жылытуы бар стандартты LFP жақсы жұмыс істейді. BMS сапасына назар аударыңыз.
Тұрақты түрде -10 градустан төмен орталар: NMC-ті мұқият қарастырыңыз немесе жылу сорғысының жылуды басқаруына инвестиция салыңыз.
Тұрақты түрде -25 градустан төмен орталар: LTO алдын ала қымбатырақ тұрады, бірақ -суық ауа райында бас ауруларын болдырмайды. Ұзақ мерзімді экономика оны жиі қолдайды.
Кез келген суық{0}}климатты орналастыру: сұраныс пакеті-нақты сынақ деректері. Жалпы сипаттамаларға сенбеңіз.
Біз мұны Полиновелде он жылға жуық уақыт бойы істеп келеміз. Талқылайтын нақты өтінішіңіз болса, біздің инженерлік топқа хабарласыңыз. Біз сіздің нақты жұмыс жағдайларыңызға негізделген ұсыныстар бере аламыз.
Анықтамалар:
- Чжан, С. және т.б. Литий-темір фосфатты батареялардың -температурасының төмен өнімділігі: әсер ету механизмдері және азайту стратегиялары.Қуат көздері журналы, 2022, 521, 230892. DOI: 10.1016/j.jpowsur.2022.230892
- Waldmann, T. et al. Литий-иондық батареялардағы температураға тәуелді қартаю механизмдері.Қуат көздері журналы, 2018, 384, 107-124.
- Asahi Kasei корпорациясы. Төмен температурадағы литий-батареялар үшін-өткізгіштігі жоғары электролит жасау. Баспасөз релизі, маусым, 2024 жыл. https://www.asahi-kasei.com/news/2024/e240607.html
- MDPI энергиясы. Жүргізу -Аккумулятордың велосипед модельдеулері-Ашық тау-кен-Тау-кен жұмыстарына арналған электрлік үлкен жүк көліктері. 2022, 15(13), 4871. https://www.mdpi.com/1996-1073/15/13/4871
