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铅酸电池Vs锂离子电池

杰森Svarc

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近年来,锂离子电池越来越受欢迎,取代铅酸电池成为人们的首选国内太阳能存储系统。但这并不意味着铅酸电池已经没电了。铅酸电池技术仍在不断进步,随着高性能密封的释放管状凝胶BAE和Sonnenschein等公司生产的电池,以及先进的lead-carbon电池内,GS汤而且YHI权力。

在这篇综述中,我们比较了两种流行的锂离子(LFP)电池,分别来自领先制造商Simpliphi和Pylontech与先进的深循环铅酸电池和lead-carbon电池.直接比较是不容易的,因为每种电池类型的表现不同,取决于放电速率,放电深度和所需的循环寿命。详细说明了全电池比较标准太阳能电池检查

注意,本审查不包括开封或浸水铅酸电池因为它们需要高水平的维护,特别通风的区域,任何节省的成本可以超过在整个电池寿命期间所需的定期维护工作。

太阳能储存的最佳电池

锂离子电池由于具有较高的能量密度和很高的效率,被广泛认为是用于一般能源存储应用的最佳电池类型。然而,锂电池的种类不止一种。由于成本较低、循环寿命长,大多数用于家庭能源存储的锂电池通常使用磷酸铁锂(LiFePO4或LFP)电池。然而,一些知名制造商,如特斯拉和LG化学使用锂NMC电池,你可以阅读更多在这里.在这篇综述中,我们主要关注美国领先制造商的LFP锂电池Simpliphi以及广受欢迎的中国制造商派龙科技。

电池效率

电池效率,也被称为往返效率,是指在使用过程中充放电效率或损耗。根据物理定律,能量从一种形式转移到另一种形式会导致能量损失。在这种情况下,在电池充电时从电能转移到化学能,在放电时从化学能转移回电能。一般来说,铅酸电池的损耗要高得多,为15-20%,而大多数锂离子电池的损耗要低得多,为2-8%。

  • 深循环铅酸效率= 76% - 85%

  • 锂LFP电池效率= 92% - 98%

铅酸或铅碳电池系统的另一个问题是,与锂电池系统相比,充电时间更长。根据放电深度的不同,铅酸充电循环(体积-吸收阶段)可能需要2至4小时。这意味着在恶劣或间歇性天气下,充电效率会很低,可能无法充满电,从而降低电池寿命。相比之下,锂电池充电非常快,在1到2小时内,并能以更高的速率有效地吸收能量。与铅酸电池不同的是,锂离子电池的耐受性较好部分电荷状态(POS)可长期使用,无降解或硫酸盐问题。铅酸电池定期充电不完全(冬季可能会发生)会显著降低大多数铅酸电池(AGM或Gel)的寿命。

电池容量-放电深度

电池容量以安培小时(Ah)或千瓦时(kWh)来衡量。所使用的能量,即放电深度或DOD占电池总容量的百分比,见下图。

要将Ah转换为kWh,只需将电池Ah额定值乘以电池组总电压。以24V铅酸蓄电池组为例,由12个单芯(2v) 600Ah电池组成:12个2v × 600Ah = 14400wh。这可以除以1000转换成千瓦时- 14.4千瓦时的总容量。

一般来说,与传统电池相比,锂电池(LFP)被设计为放电总容量高达90% (SOC为10%)铅酸(凝胶& AGM)电池一般每天放电不超过30-40%,除非在紧急备用情况下。

电池可用容量比较

允许的最大日排放深度(DoD) **

  • 锂离子= 80 ~ 90%

  • 铅酸AGM = 20 ~ 30%

  • 铅酸凝胶= 20 ~ 40%

  • 铅-碳= 20 - 50%

**总是参考制造商的规格。如果深度排放低于制造商的保修条件所规定的范围,保修可能无效。

铅酸电池容量

先进的管状凝胶和铅碳电池比传统的凝胶和AGM电池更耐用,可以保持更大的放电深度,可达70%(在备用情况下)。然而,电池循环寿命将严重降低如果每天都发生深度放电。建议设置为最大放电深度铅酸电池和铅碳电池不超过40%,备用时不超过70%。而锂离子电池一般每天可以放电70-90%,在备用情况下可以放电95 - 100% *

*请始终参考电池制造商的规格。


铅酸电池的优点

铅酸和铅碳深度循环电池。jpg

铅酸电池技术已经有100多年的历史了,所以它是一项非常成熟的技术,而且在尺寸和安装正确的情况下非常安全可靠。对于更大的离网系统在美国,铅酸电池仍然是最值得信赖的选择之一,一个正确设计的系统通常可以使用10-15年甚至更长时间(如果是浅循环和温度控制)。与锂电池不同,铅酸蓄电池在放电的一定深度没有特定的截止点,因此在紧急情况下可以继续供电,直到电压到达逆变器截止点,但这会在一定程度上降低电池的寿命。

  • 可行的技术

  • 使用寿命长达15年(在低国防部)

  • 很容易回收

  • 无低SOC或低压切断

  • 没有高温断路

深循环铅酸电池已经存在了几十年,但最近更先进,密封,凝胶深层循环电池采用免服务密封铅酸电池,寿命可达15年。有很多知名的公司生产高质量的密封管状凝胶铅酸(技术上简称OPzV)和铅碳电池。以下是许多世界领先的铅酸电池制造商的名单:

  • 内拉(Lead-carbon)

  • YHI权力(Lead-carbon)

  • 特洛伊的电池

  • GS汤

  • Sonnenschein

  • 英国宇航系统公司

  • Hoppecke

  • 选项卡

为了进行下面的比较,我们选择了著名的德国人英国宇航系统公司太阳能PVV凝胶铅酸电池,以及代表铅碳的南都REXC在这篇综述中。


锂电池的优点

最佳锂离网电池选择jpg

锂电池最明显的优势是它们的小巧的体积和重量因为它们的能量密度极高。一般来说,锂LFP电池的尺寸和重量约为同等铅酸电池的30%,这得益于锂电池具有更高的放电深度。锂电池系统通常由更小、易于操作的模块组成,尺寸从2kWh到4kWh,这给了很多更大的灵活性评估系统时。这还允许在后期需要时添加额外的容量。

  • 效率高,可达98%

  • 高能量密度-结构紧凑,重量轻

  • 可用容量高达100%

  • 部分电荷状态(PSOC)不是问题

  • 长达10年保修

当负载时,锂的电压降很低,即使在高负载(*48V)下,一般也不会比标称波动超过1-2伏*。这是由于内阻比铅酸电池低得多。低电阻导致最大的优势锂在充电和放电过程中的低损耗,导致非常往返效率高.在这篇综述的最后会有更详细的解释。


详细的电池故障

Simpliphiφ

Simpliphi PHI离网电池。jpg

Simpliphi权力是一家总部位于美国的电池制造商,自2002年以来一直是锂离子电池的领先开发商。Simpliphi PHI电池最初是为耐用的远程军事和移动电源系统开发的,以其极高的循环寿命、安全性和稳定性而闻名。

Simpliphi PHI范围的磷酸铁锂(也称为磷酸铁锂或LFP)电池是相当独特的家庭电池市场是唯一的完全模块化电池系统可用。与大多数固定容量或限制为2-4个模块并行的家用锂电池系统不同,PHI的范围是完全可扩展的,仅受可用的逆变器和太阳能阵列容量的真正限制。Simpliphi声称,随着内置的电池BMS或电池管理系统在每个电池,PHI电池不需要通风,冷却或热调节。考虑到锂LFP是现有的最稳定的锂化学物质,并已被证明的记录,PHI范围似乎是市场上最强大的电池系统之一,是铅酸电池的唯一“掉落”替代品之一。

SimpliPhi还提供市场上任何电池的最佳保修令人印象深刻的10,000周期/ 10年保修期(国防部80%)和3500周期/ 10年保修期,国防部100%。然而,与所有的电池保修一样,它们也有条件,在这种情况下,它们的主要保修条件是电池工作温度范围(0 - 43℃)和充放电率不大于1.6kW (PHI 3.4电池)的规定保证文档

  • 3.5kWh 100%可用3500次循环,80%保留容量(EOL)

  • 输出功率-连续= 1.6kW(3台机组= 4.8kW),最大峰值= 3.0kW /台

  • 往返效率(声称)= 98%

  • 3.5kWh模块= AU$3500 (US$3000) -每kWh可用成本= AU$1028

  • 保修期为10年保修证书为更多的细节。

查看完整的SimpliPhi PHI电池规格数据表细节


PylonTech

PylonTech US2000b.jpg

派龙技术磷酸亚铁锂(LFP)电池是最早的锂电池之一,它将锂电池和电池管理系统都封装在一个简单的机架安装单元中。第一代Extra2000被US2000B取代,US2000B有许多改进,电池电缆连接也更坚固。US2000B是相同尺寸的2.4kWh模块(以前是触摸屏界面),可以轻松设置和监控,并连接多个单元并行。PylonTech还为商业应用提供更高的电压模块。

pylontech电池模块经常被几家大型太阳能制造商和分销商重新命名和使用,包括SolaX、Canadian solar和Redback Technologies。

一般认为是磷酸亚铁锂(LFP)最稳定的所有锂电池的化学成分,尤其是在40摄氏度以上的高温(在澳大利亚很常见),这是突出的50摄氏度的高电池截止温度。据称,在80%的放电深度下,6000次循环的循环寿命也相当高,尽管在此循环次数后,寿命结束(EOL)保留容量是什么不得而知?

保修有效期为5年,指定60%的EOL容量,并延长10年保修期。注意,以前的保修规定每年不超过360次。在此基础上,新的电池性能将保持不变,我们可以假设3000次循环,80%的DOD。该电池模块在额定电压48V下工作,现在在60秒的短放电时间内拥有更高的峰值功率输出5kW(之前的型号为2.2kW)。更新后的US2000B电池零售价与之前的Extra2000相同。

  • 1.92千瓦时(80%)可用于3000次循环,保留70%的容量(EOL)

  • 功率输出-连续@ 48V = 2.4kW,最大峰值4.8kW(1分钟)

  • 往返效率= 94%

  • usd2000b = 1290澳元(usd1100) -每千瓦时成本= 752澳元

  • US2000B -保修:10年(在线注册后)保留60%的容量。指保证文档在这里

看到完整的详细的PylonTech电池数据表和手册


纳Lead-Carbon

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浙江南都电源有限公司是一家专注于电力系统和储能解决方案的中国公司。的REXC系列Lead-Carbon基于电池的技术是在负极上使用一种高电容、高导电性的纳米碳材料。该公司声称,这种电池结合了铅酸电池和超级电容器的优点,可以更快地充电。与传统铅酸电池相比,铅碳电池技术不仅具有更高的能量密度,而且具有高功率、快速充放电和更长的循环寿命。然而,这种电池目前只提供大的6V和12V模块,所以如果容量超过6kWh,就需要多串电池,这对于大型系统不是理想的,但适合大多数国内混合动力设置。此外,额定容量只能在非常缓慢的100小时放电速率(C100)下获得,这对于满放电更有可能超过12小时或更少的混合情况不是最佳的。虽然在40℃的高温下可以获得3000次的循环使用寿命,所以理论上在较低的温度下使用寿命应该更长。保修期5年-见保修证书

  • 24V组= 12 × 2V 600Ah (C10) = 6.6kWh可3000cycles, 80%保留容量(EOL)

  • 功率输出-连续@ 48V组= 5.0kW,峰值可达10kW

  • 往返效率(估计)= 83%(基于10小时放电率- C10)

  • 12个2V 600Ah电池= 5,000美元(6,600澳元)-每千瓦时成本= 888.00澳元

在这里看到完整的电池规格表-内力量


BAE凝胶铅酸

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BAE Gel Secura电池是高质量的德国制造的铅酸电池,专门为离网和混合动力装置设计。BAE生产各种尺寸和电压配置的电池,但在本文中,我们将重点关注Gel Secura PVV太阳能(管状凝胶)系列。

BAE公司生产铅酸电池已有100多年的历史,最新的Gel Secura PVV电池设计采用先进的管状板电极,编织聚酯护手和采用耐腐蚀铅钙合金的固体栅格。完全密封的免维护电池设计采用了阀控密封技术,并已被证明可以在恶劣的条件和高温下工作。

BAE Secura PVV电池是单节2V电池,因此需要12节或24节电池串联配置,以创建标称电压分别为24V和48V的电池组电池文章了解更多信息.secura系列与大多数VRLA电池一样,尺寸范围广泛,从140Ah到4940Ah,这反过来使各种各样的电池组容量高达235kWh或更高。在这篇综述中,我们选择了更小的770Ah (C25)电池进行比较(610Ah @ C10)。BAE电池的深度放电能力最大可达总容量的80%,但在本文中,我们将使用50%的DOD,根据规格,该电池将提供3000次循环至寿命结束(EOL)。质量保证:5年

  • 48V组= 24 × 2V 610Ah = 12.6kWh,可3000cycles,保留80%的容量(EOL)

  • 功率输出-连续@ 48V组= 5.0kW,峰值9kW或更高**

  • 往返效率(估计)= 82%(基于10小时率- C10)

  • 24个2V 610Ah电池= 10,000美元(12500澳元)——每千瓦时的成本= 879.00澳元

查看完整的BAE Secura PVV电池规范

**与锂电池不同,铅酸蓄电池组的连续和峰值功率输出取决于电池容量的选择,最高可达(235kWh @ 48V),功率输出额定可达100kW。


电池比较结果

每千瓦时可用容量的前期成本

结果包括所有8节电池完整的太阳能电池审查

电池比较-估计电池循环寿命和容量随时间的退化-参考全文

查看完整的结果完整的太阳能电池审查。


空间和重量

对于许多固定安装来说,重量并不总是一个大问题,但如果空间有限,铅酸蓄电池组就会非常重,需要在小面积使用特殊的搁架系统。当空间成为问题时,铅酸电池就有问题了,因为它们占据了相当大的空间,而且需要通风和气流,以便在充电过程中排出任何微量气体,并在较高的温度下保持电池凉爽。

即使是一个相对较小的24V铅酸电池组也能重达半吨。

即使是一个相对较小的24V铅酸电池组也能重达半吨。

另一方面,锂电池有更高的能量密度,因此需要更少的空间。另一个优点是锂电池模块在充电过程中不会排出任何挥发性气体,因此不需要相同的通风量。这意味着它们通常可以储存在大多数不适合居住的房间或车库中,而不用担心。此外,大多数锂电池都有一个内部电池监测系统(BMS),可以监测电池温度和电压,如果温度超过上限(通常超过45摄氏度),就可以关闭电池。BMS保护是一个很好的安全功能,但锂电池不应该安装在密闭的空间或炎热的、没有通风的半暴露的地方。

离网系统的电池

Powerplus能源锂离网电池系统

Powerplus能源锂离网电池系统

最近,锂电池由于其高效率(95%至98%)和可扩展性,离网安装系统已经变得非常受欢迎。相比之下,铅酸蓄电池的尺寸和容量是固定的,一旦安装就不能增加额外的容量。如果空间是个问题,锂电池的能量密度比铅酸电池高得多,而且更轻、更紧凑。当离网使用时,锂的最大优势可能是能够长时间保持低电荷状态(部分电荷状态),而不会产生任何负面影响,比如硫酸盐,这是铅酸电池的常见问题。

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