Li-ion akkumulátorok: mitől lesz magas az élettartam?

Az elmúlt 5-7 év ugrásszerű fejlődésének köszönhetően a li-ion akkumulátor technológiára fókuszál többek között az elektromobilitás, a naperőmű iparág, továbbá az energiaközösségek és a lakossági napelemes rendszerek, emiatt a méretezés, valamint az élettartam-számítás kiemelten fontos műszaki területté vált.

Az akkumulátorok energiatároló eszközök, melyek cellákból, modulokból és pakkokból épülnek fel. Kisütéskor és töltéskor különböző karakterisztikákat mutatnak, melyeket a kisütési és töltési áram, a pillanatnyi SoC (State of Charge – töltöttségi szint), a SoH (State of Health – az akkumulátor kapacitásának állapota a gyártáskori kapacitáshoz képest), és a hőmérséklet nagyban befolyásolják.

A pillanatnyi értékek mind közvetlenül hatnak a kapacitásra és a belső impedanciára (belső ellenállásra), az adatlapban található névleges kapacitásra és feszültségre, valamint az ezekből számolt névleges energiára.

A li-ion akkumulátorokra jellemző nemlineáris viselkedés miatt, a karakterisztikáik és az őket leíró értékek függőségeit figyelembe vevő, laboratóriumi méréseken keresztül validált akkumulátormodell segítségével végezhető pontos szimuláció. A szimulációs modell alapján határozható meg, hogy az adott projektben mekkora teljesítményű napelemes rendszerre, valamint mekkora kapacitású akkumulátorpakkra van szükség.

A tévhitekkel ellentétben a lítium alapú akkumulátorok várható élettartama már jól becsülhető: egy megfelelően méretezett, vezérelt akkumulátor élettartama bőven meghaladja a tíz évet is, de optimális működési körülmények között akár a húsz év is elérhető.

Az élettartamot a gyártók az adatlapokon nem időben, hanem maximális ciklusszámban határozzák meg. A méréseikből kiderül, hogy adott igénybevétel esemény mennyi ciklus után csökken a kapacitásuk a névleges érték 70 százalékára, ami általában az élettartam végét jelöli.

Töltés, kisütés, élettartam

A különböző cellagyártók általában a ciklusszámok és az igénybevételi tartományok (maximum kisütési és töltési áram, minimális és maximális töltöttségi tartományok, üzemeltetési hőmérséklet) alapján határozzák meg a garanciális feltételeket. Az akkumulátor használata során bejárt, teljes ciklusokkal arányosan nő a belső ellenállás és csökken a kapacitás. A belső ellenállás növekedése miatt megnőnek a veszteségek, a kapacitás csökkenésével az egy ciklus alatt tölthető és kisüthető energiamennyiség pedig csökken.

Ha az akkumulátor az élettartama során alacsonyabb C értékkel (a névleges kapacitás és a töltési/kisütési teljesítmény aránya: például 0,5 C kisütés 100 kWh kapacitású tároló esetén 50 kW teljesítményt jelent) van terhelve, akkor az elérhető, látszólagos kapacitása magasabb lesz, ezáltal adott X ezer ciklus alatt szállítható energia mennyisége a nagyobb.

Szimulációk során az adott igénybevétel esetén várható élettartam ekvivalens (egyenértékű) ciklusszámláláson alapul. Erre azért van szükség, mert a valóságban sosem az történik, hogy egy akkumulátor teljesen lemerül, majd teljesen feltöltődik, hanem folyamatosan részterhelések érik. Ezzel a ciklusszám-számítással össze lehet adni a részterheléseket, és meg lehet határozni, hogy hány ekvivalens ciklusnak felelnek meg az adott idő alatt bejárt rész-ciklusok.

Kritikus pont

Az élettartamot befolyásoló legfontosabb tényezők között van az igénybevétel nagysága (mekkora teljesítménnyel, azaz hány C-vel történik a töltés, kisütés): minél nagyobb teljesítménnyel történik az akkumulátor töltése és kisütése, annál kisebb az elérhető kapacitás.

Általánosságban a nagyobb C értékű igénybevétel esetén alacsonyabb a látszólagos kapacitás, mely az élettartamot meghatározó ciklusszámot is befolyásolja. Érdemes az alacsonyabb C értékű igénybevételre törekedni, mert a folyamatos 1C és 0,5C igénybevétel között is hosszú távon jelentős különbség lehet. A gyártói adatlapok is tartalmazzák az igénybevételek nagyságának hatását a ciklusszámra vetítve.

Szintén jelentősen befolyásolja az élettartamot az akkumulátorok igénybevétele. Nem mindegy ugyanis, hogy általánosságban 0-100 százalék, 10-90 százalék, vagy 30-70 százalék közötti SoC tartományokban vannak üzemeltetve. A szűkebb töltöttségi tartományokban történő használat jellemzően az élettartam növekedésével jár, így viszont csak korlátozott kapacitás mellett működnek.

Szimulációk során így az egy kritikus pont, hogy mind műszaki, mind gazdasági szempontból optimális rendszerméret kerüljön meghatározásra egy várható igénybevétel alapján. Minden egyes projektben egyedi igénybevételnek tesszük ki az akkumulátorokat, emiatt az élettartam-számításokat minden projektre külön el kell végezni. A nagy számú, különböző alkalmazási terület miatt nincsenek univerzálisan használható ökölszámok. A várható igénybevétel minél pontosabb becslése elengedhetetlen egy méretezési feladatnál, ugyanis nagyban ez határozza meg az éves ciklusszámot.


Comments

Vélemény, hozzászólás?

Az e-mail címet nem tesszük közzé. A kötelező mezőket * karakterrel jelöltük