Почему у аккумуляторных батарей для хранения энергии (бытовых и коммерческих) коэффициент заряда составляет 0,5С?

Системы хранения энергии и автономные системы содержат батареи, а важным показателем производительности батарей является скорость заряда и разряда или зарядная и разрядная емкость. Вы часто можете увидеть параметр "xxC" в технических требованиях или технических параметрах батареи, например "0.2C", "0.3C", "1C" или "2C". В системах хранения энергии наиболее распространенным является "0.5C", так почему же 0.5C является наиболее распространенным?

1. Что такое «С»?

C — первая буква единицы заряда, Кулон. Эта концепция была впервые предложена французским физиком Кулоном и определяет количество электричества, проходящего через площадь поперечного сечения провода за 1 секунду. В аккумуляторных батареях C используется для обозначения скорости заряда и разряда батареи. Как правило, величина тока заряда и разряда выражается этой скоростью заряда и разряда. Скорость заряда и разряда 1C означает, что аккумуляторная батарея может разрядить все свое электричество в течение 1 часа; 2C означает, что аккумуляторная батарея может разрядить все свое электричество в течение 0,5 часа.

2. Как рассчитывается или получается «С»?

C (скорость заряда и разряда) — это логическое понятие, а не фиксированное понятие, как ток (А) и напряжение (В). Например, цепь пропускает ток силой 1 А. Независимо от того, какое устройство используется для его измерения, значение тока 1 А одинаково. Что касается зарядной и разрядной емкости 1 С, она также связана с удельной емкостью аккумулятора. Для аккумулятора емкостью 1 А·ч его зарядный и разрядный ток 1 С составляет 1 А; для аккумулятора емкостью 2 А·ч его зарядный и разрядный ток 1 С составляет 2 А. И так далее.

В системах накопления энергии общий выбор скорости заряда и разряда 0,5С (т. е. емкость батареи полностью заряжается или разряжается в течение 2 часов) в основном основан на следующих основных причинах:

1. Продление срока службы батареи

- Стоимость высоковольтного заряда и разряда:

Чем выше скорость заряда и разряда аккумулятора (скорость С), тем быстрее ионы лития вставляются/извлекаются из материала электрода, что приводит к:

- Усиление побочных химических реакций (таких как утолщение пленки SEI, разложение электролита);

- Повышенная структурная напряженность материала (расширение/сужение электрода, разрыв частиц);

- Повышенное внутреннее тепловыделение (ускоренное старение).

Эти факторы значительно сокращают срок службы аккумулятора (например, разряд током 1С может сократить срок службы на 30–50 % по сравнению с разрядом током 0,5С).

- Требования к срокам службы сценариев хранения энергии:

Системы хранения энергии (такие как домашние накопители энергии, накопители энергии на уровне сети) обычно требуют срока службы более 10 лет (6000+ циклов).

Использование стратегии мягкого заряда и разряда током 0,5С может снизить скорость разряда аккумулятора и удовлетворить требования к длительному сроку службы.

2. Уменьшение сложности терморегулирования

-Соотношение между теплом и скоростью:

Тепло, выделяемое внутренним сопротивлением батареи, пропорционально квадрату тока (\(P = I^2 \cdot R\)).

- Ток 0,5С: предположим, что емкость аккумулятора составляет 100 Ач, а ток — 50 А;

- Ток 1С: Ток равен 100 А → тепловыделение в 4 раза больше, чем у предыдущего.

- Стоимость и риск рассеивания тепла:

Системы накопления энергии обычно используют крупногабаритные аккумуляторные батареи, а для высокоскоростной работы требуются более сложные системы отвода тепла (например, жидкостное охлаждение), которые являются дорогостоящими и повышают риск выхода из строя.

Конструкция 0,5°C упрощает управление тепловым режимом (естественная конвекция или воздушное охлаждение могут удовлетворить требованиям), снижает затраты и повышает безопасность.

3. Соответствие требованиям сценариев применения накопителей энергии

- Применение типа энергии и типа мощности:

- Система накопления энергии: в основном требования к типу энергии (например, сглаживание пиков и заполнение провалов, фотоэлектрическое накопление), что требует долгосрочного стабильного выхода энергии и низкого мгновенного потребления мощности;

- Аккумуляторная батарея (например, электромобили): требует конструкции типа питания (1C~3C) для удовлетворения высоких требований к мощности, таких как ускорение и быстрая зарядка.

- Применимость 0,5С:

Возьмем в качестве примера типичное бытовое хранилище энергии:

- Емкость аккумулятора составляет 10 кВт·ч, а мощность разряда 0,5С составляет 5 кВт, что позволяет покрыть большинство бытовых нагрузок (кондиционирование, освещение и т. д.);

- Если требуется более высокая мощность (например, кратковременная ударная нагрузка), эту проблему можно решить путем проектирования системы (например, путем увеличения мощности инвертора) без увеличения заряда батареи.

4. Исключения в реальных приложениях

- Краткосрочные сценарии высокой мощности:

Некоторые специальные сценарии хранения энергии (например, регулирование частоты сети, резервное питание ИБП) требуют быстрого реагирования и могут использовать батареи с более высокой емкостью (например, 1C~2C), но за счет срока службы и стоимости.

- Прогресс в области аккумуляторных технологий:

С развитием твердотельных аккумуляторов, отрицательных электродов на основе кремния и других технологий аккумуляторы для хранения энергии могут поддерживать более высокие значения тока (например, 1С) и при этом сохранять длительный срок службы в будущем, однако в настоящее время основным выбором по-прежнему остается 0,5С.

Слишком большая скорость заряда и разряда повлияет на срок службы аккумулятора, поэтому ее не следует устанавливать слишком высокой;

Конечно, C тоже не слишком мал. Например, 0,1C, 0,2C и 0,3C — это обычные ставки для свинцово-кислотных аккумуляторов. Ток зарядки небольшой, а скорость медленная. Хотя это лучше защищает аккумулятор, в промышленных и коммерческих проектах по хранению энергии, где у State Grid есть периоды пик-впадина-плоскость, и основная цель — получить выгоду от разницы в цене пик-впадина, это, очевидно, сократит количество кВт·ч, заряжаемых и разряжаемых за тот же период времени, тем самым уменьшая ежедневный доход и удлиняя период окупаемости, поэтому это не подходит.

В целом, при выборе тока заряда и разряда 0,5С учитываются как возможности заряда и разряда аккумулятора, так и сохранение срока службы аккумулятора, а также совместимость с пиковыми и спадными периодами.

Например, одношкафная система на 209 кВт·ч или 215 кВт·ч с PCS на 100 кВт может быть полностью заряжена или разряжена за 2 часа, что соответствует продолжительности пиковых и спадов, обозначенных местными электросетевыми компаниями. Зарядка и разрядка могут быть выполнены в течение соответствующего периода, так что мощность и время не тратятся впустую, и ожидаемые выгоды могут быть получены, что является разумным.

Литиевая батарея Hope Light Solar для жилых и коммерческих помещений: