Pil Şarj Süresi Hesaplayıcısı: Tam Şarj Ne Kadar Sürer?

Ben bu sektöre arka kapıdan girdim. Depolar için panel yükseltmeleri yapan bir elektrik yüklenicisi olarak işe başladım, cevaplayamadığım akü soruları sorulmaya devam etti ve sonunda kablolamadan çok güç sistemlerine zaman harcamaya başladım. Yıl 2016'ydı. Sekiz yıl sonra, Ortabatı ve Güneydoğu'da çoğunlukla kurşun-asitten lityuma dönüşüm sağlayan yaklaşık 400 forklift aküsü kurulumuna dokundum.

 

Şarj süresi sorusu neredeyse her satış görüşmesinde ortaya çıkıyor. Filo yöneticileri bir numara istiyor. "Ne kadar sürede şarj olacak?" Basit soru, karmaşık cevap. Herkesin çevrimiçi olarak kullandığı hızlı formül sizi oyuna sokacaktır, ancak aynı formülün Indianapolis'teki bir soğuk hava deposu tesisinde 340.000 dolarlık bir hataya neden olduğunu gördüm. Şarj altyapılarını teorik sayılara göre boyutlandırdılar ve ardından dondurucu hazırlama alanlarındaki 2 derecelik ortam sıcaklığını hiç kimse hesaba katmadığı için gerçek şarj sürelerinin %40 daha uzun sürdüğünü keşfettiler. Başlangıçtan itibaren yapmaları gereken elektrik yenilemesi için bütçe onayı almak sekiz ay sürdü.,

 

O halde, ücretlendirme süresi hesaplamaları için gerçekte neyin önemli olduğunu ve daha da önemlisi, satın alma kararınız için rakamların ne anlama geldiğini açıklamama izin verin.

Formüller ve Size Neden Yalan Söyledikleri

Temel hesaplama her yerde çevrimiçidir:

20A şarj cihazıyla 200Ah akü 10 saat sürer. Tamamlamak.

Ama bu şekilde çalışmıyor. Bu formül, mevcut olmayan %100 şarj verimliliğini varsayar. Her pil kimyası şarj sırasında enerji kaybeder. LiFePO4, hücre kalitesine ve sıcaklığına bağlı olarak %95 ila %98 oranında çalışır. Oda sıcaklığında %97,8'e ulaşan CATL 280Ah hücrelerini test ettim, ancak geçen yıl Seviye-3 tedarikçiden gelen bir grup bütçe hücresi aynı koşullar altında yalnızca %93,2'yi başardı. NMC kimyaları tipik olarak %90 ila %95 arasındadır. Kurşun asit haritanın her yerinde, soğuk havalarda eski bir aküde %68'den, optimum sıcaklıkta yeni bir aküde belki %85'e kadar herhangi bir yerde bulunur.

Verimlilik-ayarlanmış formül:

20A'de %95 verimle 200Ah akü aslında 10,5 saat sürüyor. %85 kurşun-asit verimliliğiyle 11,8 saate karşılık gelir.

Ancak çoğu hesap makinesinin durduğu yer burasıdır ve gerçek sorunların başladığı yer burasıdır.

CC-CV Ücretlendirmesi: Son %20'nin Neden Sonsuza Kadar Sürdüğünü

Her lityum şarj cihazı iki-fazlı bir işlem kullanır. İlk faz, şarj cihazının voltaj üst sınıra ulaşana kadar aküye sabit amperajı ittiği sabit akımdır. LiFePO4 için bu, hücre başına 3,65V'tur, bu da standart bir 48V paket için 58,4V anlamına gelir. NMC hücre başına 4,2V'ta kesiliyor.

Sabit akım sizi kabaca %80 şarj durumuna getirir. Basit formül bu kısım için oldukça iyi çalışıyor.

Daha sonra şarj cihazı sabit voltaj moduna geçer. Akım yavaş yavaş azalırken voltaj sabit kalır. Akım orijinal CC değerinin yaklaşık %3'üne düştüğünde pil "doludur". Bu aşama kalan %20'yi doldurur ancak toplam şarj sürenizin %30 ila %40'ını tüketebilir.

Memphis'teki bir dağıtım merkezi bana şarj kayıtlarını gösterene kadar bunun sadece teknik bir detay olduğunu düşünürdüm. Doğrusal şarjı varsayan bir hesaplamaya dayanarak şarj cihazlarını 2,5 saat sonra bağlantıyı kesecek şekilde programlamışlardı. Her bir pil %83 ila %86 SOC'de duruyordu. Operatörleri, 8 saatlik çalışma sürelerine sahip olduklarını ve 6,5 ile 7 arasında bir süre elde ettiklerini düşünüyordu. Birisi BMS verilerini çekene kadar üretkenlik rakamlarının hiçbir anlamı yoktu.

Piller eskidikçe CV fazının süresi de artar. Battery Üniversitesi'ne ilişkin BU-409. Maddede bu olgu ayrıntılı olarak ele alınmaktadır. Kalan kapasitesi %82 olan bozulmuş bir hücre, daha az doldurulacak kapasite olduğundan daha hızlı şarj olmaz. Aslında yeni bir hücreyle kabaca aynı toplam süreyi alır çünkü CV moduna daha erken girer ve düşük akım konikliğinde daha uzun süre harcar. Benzetmeleri faydalıdır: Genç bir atlet neredeyse hiç yavaşlamadan bitiş çizgisine kadar koşarken, daha yaşlı bir koşucu yarı yolda yürümeye başlar.

Aslında Önemli Olan Sıcaklık Etkileri

Teknik özellikler sayfaları 25 derecede performansı gösterir. Şarj alanında yıl boyunca-25 dereceyi koruyan bir depo görmedim.

20 derece ile 25 derece arasında her şey beklendiği gibi çalışıyor. Bu sizin temel noktanızdır.

5 derece ile 20 derece arasında, belki %5 ila %15 kapasite azalması ve biraz daha uzun şarj süreleri göreceksiniz. Çoğu operasyon fark etmez.

0 derece ile 5 derece arasında, herhangi bir düzgün sistemdeki BMS, şarj akımını azaltmaya başlayacaktır. Şarj sürelerinin iki veya üç katına çıkmasını bekleyin. 22 derecede 2,5 saatte şarj olan ve 3 derecede 7 saatten fazla şarj olan 48V 400Ah paketleri ölçtüm.

0 derecenin altında işler tehlikeli hale geliyor. LiFePO4'ün donma noktasının altında şarj edilmesi, anot yüzeyinde lityum kaplamaya neden olur. Bu hasar kalıcı ve birikimlidir ve her olayda hem kapasiteyi hem de çevrim ömrünü azaltır. Uygun bir BMS, bu sıcaklıklarda şarjı tamamen engeller, ancak yalnızca uyarı ışığı gösteren ve operatörün geçersiz kılmasına izin veren ucuz sistemlerle karşılaştım. 0 derecenin altında şarj etmenize izin veren bir BMS'ye asla güvenmeyin. Battery University hakkındaki BU-410 sayılı makale, lityum kaplama mekanizmasını belgeliyor ve hasarın mikroskopik görüntülerini gösteriyor.

45 derecenin üzerinde şarj, bozulmayı önemli ölçüde hızlandırır. Yazın şarj alanınız ısınırsa şarj cihazlarının yerini değiştirin veya havalandırma ekleyin. Paketlerin, güneye bakan, hava akışı olmayan bir yükleme iskelesinin yanında şarj oldukları için tek bir yaz döneminde %15 kapasite kaybettiğini gördüm.

Pratik çıkarım: şarj süresi hesaplamanız için bir sıcaklık düzeltme faktörüne ihtiyaç vardır. Aşağıdaki tablo proje tahminleri için ne kullandığımı göstermektedir.

Kimsenin Bahsetmediği Kapasite Seçimi Sorunu

Çoğu çevrimiçi tartışma, pil kapasitesini basit bir "daha büyük olan daha iyidir" sorusu olarak ele alır. Uygulamada hücre boyutları arasındaki seçim, şarj etme davranışını, termal yönetimi ve uzun-vadeli güvenilirliği etkileyen ödünleşimler yaratır.

280Ah veya 314Ah formatları gibi büyük prizmatik hücrelerin kWh başına maliyeti daha düşüktür. Ancak yüzey-/hacim oranı daha küçüktür, bu da ısıyı daha iyi korudukları ancak aynı zamanda soğuk ıslatmadan sonra daha yavaş ısındıkları anlamına gelir.

Geçen kış aynı üreticinin 100Ah ve 280Ah hücreleri üzerinde karşılaştırmalı testler yaptım. 100Ah piller -15 dereceden başlayarak standart ısıtma sistemimizle 14 dakikada güvenli şarj sıcaklığına ulaştı. 280Ah hücreleri 23 dakika sürdü. Şarj döngüsü başına neredeyse 10 dakikalık fark.

Tahmin edilebilir şarj aralıklarına sahip planlı vardiya operasyonları için bu önemli olmayabilir. Isıtıcıyı 30 dakika erken çalıştırın ve piller ihtiyacınız olduğunda hazır olsun. Düzensiz dağıtıma sahip isteğe bağlı uygulamalarda- bu fazladan 10 dakika tüm operasyonunuza yayılabilir.

Diğer sorun ise hücre-hücreden-hücreye tutarlılıktır. 100Ah'lik hücrelerden oluşan bir paket, dengede kalması gereken daha fazla bireysel hücreye sahiptir. Ancak bu daha küçük hücreler, üretim sırasındaki termal gradyanlar daha küçük olduğundan, bir parti içinde daha sıkı bir tutarlılık gösterme eğilimindedir. Bir müşteri 320Ah hücrelerden 100Ah hücrelere geçiş yaptı çünkü özellikle BMS'leri voltaj farkı konusunda sürekli alarm veriyordu. 320Ah paketi rutin olarak hücreler arasında 50 mV yayılma gösterdi. 100Ah yedek paket 15mV'nin altında kalır.

Bu, şarj süresi açısından önemlidir çünkü BMS dengeleme, şarj döngüsünün sonunda gerçekleşir. Daha büyük voltaj farkları daha uzun dengeleme süresi anlamına gelir; bu da gerçek tam şarja ulaşmak için toplam süreyi uzatır.

C-Ücret Seçimi ve Gerçek-Dünya Şarj Süreleri

C-oranı, şarj akımını kapasitenin katı olarak ifade eder. 1C'de şarj olan 100Ah'lik bir akü 100 amper alır. 0,5C'de 50 amper alır.

C-oranıyla şarj süresi arasındaki ilişki, CV aşamasından dolayı doğrusal değildir. Şarj akımınızı iki katına çıkarmak, toplam şarj sürenizi yarıya indirmez.

0,5°C'de tipik bir LiFePO4 paketinin CC modunda %80 SOC'ye ulaşması yaklaşık 100 dakika sürer, ardından CV modunda şarjın tamamlanması 40 ila 50 dakika daha alır. Toplam yaklaşık 2,5 saat.

1°C'de CC aşaması yaklaşık 50 dakikaya düşer, ancak CV aşaması hala 35 ila 45 dakika sürer. Toplam yaklaşık 1,5 saat.

Akımı iki katına çıkardınız ancak toplam süreyi yalnızca %40 kısalttınız. CV aşaması, CC oranından bağımsız olarak nispeten sabittir.

2C'de (hücreleriniz destekliyorsa) CC fazı belki 25 dakikaya düşer, CV fazı ise 30-40 dakika civarında kalır. Toplam yaklaşık 1 saat. Akımı 0,5C'ye kıyasla dört katına çıkardınız ancak süreyi yalnızca %60 kısalttınız.

Isı üretim kolonu önemlidir. Daha yüksek C-oranları, hücrelerin içinde ısı olarak daha fazla enerji kaybı anlamına gelir. Yeterli termal yönetim olmadan, şarj sırasında hücre sıcaklığı yükselir, bu da BMS'nin azalmasını tetikler, bu da şarj süresini uzatır ve bu da hızlı şarjın amacını kısmen boşa çıkarır. BMS döngünün yarısını termal koruma modunda geçirdiği için sıcak ortamlarda 1C sistemlerden daha uzun süren 2C-dereceli sistemler gördüm.

Şarj Süresinin Filo Ekonomisine Uygun Olduğu Yer

Satın alma kararlarının alındığı yer burasıdır. Şarj süresi yalnızca teknik bir özellik değildir. Kaç adet aküye ihtiyacınız olduğunu, kaç adet şarj cihazına ihtiyacınız olduğunu ve elektrik altyapınızın bu yükü kaldırabilecek olup olmadığını doğrudan etkiler.

Geçen yıl Dallas'ta iki vardiyada 36 adet Sınıf 1 koltuklu forklift çalıştıran bir 3PL operasyonu için yaptığımız gerçek bir karşılaştırmayı ele almama izin verin.

Senaryo A: Pil değişimiyle kurşun-asit

Geleneksel yaklaşım. Her forkliftin üç akü setine ihtiyacı vardır: biri çalışma, biri şarj, biri soğutma. Kurşun-asit pillerin yeniden kullanılmadan önce 8 saatlik şarj süresine ek olarak 8 saatlik soğuma süresine ihtiyacı vardır. 48V 600Ah üniteler için her biri yaklaşık 4.200 $ değerinde toplam 108 pil.

Yıllık işletme maliyetlerine elektrik (%80 civarında kurşun-asit gidiş-dönüş-verimliliği, önemli kayıplar anlamına gelir), sulama ve bakım işçiliği, akü odası HVAC ve değiştirme rezervleri dahildir. Ağır kullanımlı uygulamalarda kurşun-asit-genellikle 1.500 ila 2.000 döngü sürer; bu, iki vardiya işleminde 3 ila 4 yıl anlamına gelir.

Senaryo B: Fırsat şarjlı lityum

LiFePO4 piller molalar sırasında hasar görmeden veya soğuma gerektirmeden şarj edilebilir. Her forkliftin bir aküye ihtiyacı vardır. Eşdeğer 48V 400Ah LFP üniteleri için her biri yaklaşık 11.800 ABD Doları tutarında toplam 36 pil (ömrü korumak için %50'nin üzerinde kalması gereken kurşun-asitten farklı olarak, lityum deşarj boyunca tam kapasite sağladığı için daha küçük kapasite gerekir).

Yıllık işletme maliyetleri hikayenin geri kalanını anlatıyor:

Yenileme rezervi hesaplaması, bu uygulamada kurşun{0}}asit pillerin ortalama 3,5 yıl dayandığını varsayar ve her biri 3.650 ABD Doları tutarında yılda yaklaşık 31 pilin değiştirilmesini gerektirir (değişimler için fiyatlar, hesap oluşturuldukça biraz düşer). LiFePO4 bu uygulamada herhangi bir değişim beklenmeksizin 10 yıl garantilidir.

8 Yıllık TCO Özeti:

Lityum seçeneğinin maliyeti 8 yılda %69 daha azdır. İlk yatırım farkının geri ödemesi 5. ayda gerçekleşir.

Bu özel analizde Dallas müşterisinden alınan rakamlar kullanıldı. Numaralarınız elektrik fiyatlarına, işçilik maliyetlerine, vardiya düzenlerine ve yerel inşaat maliyetlerine bağlı olarak farklı olacaktır. Ancak farkın büyüklüğü, çoğu çoklu-vardiya operasyonunda gördüklerimi temsil ediyor.

Tek-Vardiya İşlemleri: Farklı Matematik

Tek vardiyalı tesislerde{0}ekonomik durum önemli ölçüde değişiyor. Ekipman günde 14 ila 16 saat boşta kalırsa, pil değiştirme işi denklemden kaybolur ve kurşun-asitin tek bir pil seti ile uygun şekilde şarj edilmesi ve soğuması için yeterli zamanı olur.

20-forklift tek vardiya operasyonu için:

Lityum hâlâ kazanıyor ancak fark çok daha küçük. Geri ödeme 5 ay yerine 4 ila 5 yıl sürüyor. Uzun vadeli planlarından emin olmayan- operasyonlar için bu, risk hesaplamasını değiştirir.

Bu durumdaki müşterilerim, özellikle 5 yıl sonra hâlâ o tesiste olacaklarından emin olmadıkları için kurşun{0}}asidi tercih ediyorlardı. Bu meşru bir iş kararıdır.

BMS Şarj Sürenize Ne Yapar?

Pil Yönetim Sistemi, şarj sırasında gerçekte ne olduğunu kontrol eder ve ucuz BMS tasarımları, giderdiğim çoğu şarj sorununun kaynağıdır.

Şarj süresini etkileyen üç BMS davranışı:

Hücre voltajı ölçüm doğruluğu.Endüstriyel-sınıf BMS üniteleri bireysel hücre voltajlarını ±2 mV dahilinde ölçer. Bütçe birimleri yalnızca ±10 mV'ye ulaşabilir. 16 hücreli bir dizide kümülatif hata 160 mV'a ulaşabilir. Bu, erken CV moduna girişe, yanlış dengeleme tetiklemelerine ve tutarsız şarj sonlandırılmasına neden olur. Ekranda "%100" görünen ama ölçtüğünüz hücreye bağlı olarak aslında %94 ile %102 arasında değişen paketler gördüm.

Akım ve stratejiyi dengelemek.Pasif dengeleme, fazla enerjiyi dirençler aracılığıyla ısı olarak dağıtır. Aktif dengeleme, hücreler arasında enerji aktarımını sağlar. Pasif dengeleme genellikle 50 ila 200 mA arasında çalışır; bu, hücreler arasındaki %1'lik SOC farkını dengelemenin 5 ila 20 saat sürdüğü anlamına gelir. Çoğu BMS ünitesi şarj eğrisinin yalnızca üstünde veya altında dengelenir; dolayısıyla hiçbir zaman %100'e kadar şarj etmezseniz dengeleme hiçbir zaman gerçekleştirilemeyebilir. Aktif dengelemenin maliyeti %15 ila %25 daha fazladır ancak dengesizliklerle çok daha hızlı başa çıkar.

Termal değer kaybı eğrileri.Hücre sıcaklığı yükseldiğinde, iyi-tasarlanmış bir BMS, hasarı önlemek için şarj akımını azaltır. Sorun, bu değer kaybı eğrilerinin üreticiler arasında büyük farklılıklar göstermesidir. 35 derecede akımı %50 oranında kesen BMS ünitelerini ve 45 dereceye kadar tam akımı koruyan diğerlerini gördüm. Her ikisi de mutlaka yanlış değildir, ancak sıcak ortamlarda çok farklı şarj süreleri üretirler.

Tedarikçinizden gerçek BMS parametrelerini isteyin: hücre başına ölçüm doğruluğu, dengeleme akımı ve tetikleme eşiği, termal değer kaybı eğrisi. Bunları sağlayamıyorlarsa farklı bir tedarikçi bulun.

Yaygın Tedarik Hataları

Hata 1: Altyapının boyutlandırılması için teorik şarj süresinin kullanılması.

Şarj cihazlarınızın ve elektrik servisinizin hesaplamaları değil, gerçek şarj sürelerini karşılaması gerekir. Minimum %20 marj oluşturun. Biraz fazla boyutlandırmanın maliyeti, daha sonra yenileme maliyetinden çok daha azdır.

Hata 2: Mevsimsel değişimleri göz ardı etmek.

İlkbaharda mükemmel çalışan bir sistem kışın zorlanabilir. Tesisinizin iklimi-kontrollü değilse, beklenen aşırı sıcaklıklarda şarj süresi verilerini alın.

Hata 3: Tüm lityuma eşdeğer muamelesi yapmak.

Farklı üreticilerin LiFePO4'ü farklı performans gösterir. Hücre kalitesi, BMS tasarımı ve termal yönetimin tümü, gerçek-dünyadaki şarj sürelerini etkiler. Genel "lityum pil" spesifikasyonlarını değil, satın aldığınız spesifik ürüne ilişkin test verilerini isteyin.

Hata 4: Yaşlanmayı unutmak.

Piller yaşlandıkça şarj süreleri artar. Yeniyken ihtiyaçlarınızı zar zor karşılayan bir sistem, 3. veya 4. yılda yetersiz kalacaktır. Yaşamın başlangıcı için değil,-ömür sonu-performansı için tasarım yapın,-.

Hata 5: Tam deşarj döngülerine göre hesaplama.

Çoğu işlemde piller boşalana kadar çalıştırılmaz. Tipik döngünüz %60 deşarj ise, şarj süresi hesaplamanızda %100 değil %60 kullanılmalıdır. Tam döngülere dayalı aşırı boyutlandırma, altyapı kapasitesini boşa harcar.

Proje Tahmini için Hızlı Başvuru

Bu rakamlar oda sıcaklığını ve sağlıklı pilleri varsayar. Gerçek koşullarınıza göre ayarlayın.

Operasyonunuz için Doğru Rakamları Alma

Genel hesap makineleri genel yanıtlar verir. Önemli sermaye gerektiren satın alma kararları için özel ekipmanınıza, ortamınıza ve çalışma düzenlerinize dayalı hesaplamalara ihtiyacınız vardır.

Polinovel'de proje kapsam belirlememiz kapsamında detaylı şarj süresi analizleri yapıyoruz. Mevcut pil özelliklerinizi, vardiya programınızı, tesis sıcaklık aralığınızı ve şarj döneminin müsaitlik durumunu bize gönderin. Beklenen şarj sürelerini modelleyeceğiz ve farklı yapılandırmaların altyapı gereksinimlerinizi ve TCO'nuzu nasıl etkilediğini göstereceğiz.

10 ünite üzeri projelerde analiz ücretsizdir. Daha küçük projelerde, yaygın boyutlandırma hatalarından birini yapmadığınızdan emin olmak için yine de konuşmaya değer.

İletişim: sales@polinovelpowbat.com

Şimdi iletişime geçin

Veri tabloları, birden fazla üretici ve uygulamada gözlemlenen tipik performans aralıklarını yansıtır. Spesifik sonuçlar hücre kalitesine, BMS konfigürasyonuna, çevresel koşullara ve çalışma modellerine bağlıdır. LiFePO4 kimyasına dayalı sıcaklık düzeltme faktörleri; NMC ve diğer kimyalar farklı olabilir. TCO hesaplamaları metinde belirtilen varsayımları kullanır; gerçek sonuçlar siteye-özel analiz gerektirir.

Referanslar:
1. Battery University, "BU-409: Şarj Lityum-iyon" ve "BU-410: Yüksek ve Düşük Sıcaklıklarda Şarj Etme" (batteryuniversity.com/article/bu-409-şarj-lityum-ion, piluniversity.com/article/bu-yüksek-ve-düşük-sıcaklıklarda-410-şarj)
2. BloombergNEF, "Pil Fiyat Araştırması 2024" dünya çapında ortalama paket fiyatlarının 139 $/kWh'ye düştüğünü belgeliyor (about.bnef.com)