Perché la capacità di accumulo dell'energia nelle batterie residenziali e commerciali è di 0,5C?

I sistemi di accumulo di energia e i sistemi off-grid contengono batterie, e un importante indicatore di prestazione delle batterie è la velocità di carica e scarica o la capacità di carica e scarica. Spesso si trova un parametro "xxC" nei requisiti tecnici o nei parametri tecnici della batteria, come "0,2C", "0,3C", "1C" o "2C". Nei sistemi di accumulo di energia, il valore più comune è "0,5C", quindi perché 0,5C è il più comune?

1. Che cosa è la "C"?

C è la prima lettera dell'unità di carica, Coulomb. Questo concetto fu proposto per la prima volta dal fisico francese Coulomb e definisce la quantità di elettricità che attraversa la sezione trasversale di un filo in 1 secondo. Nelle batterie ad accumulo di energia, C viene utilizzata per indicare la velocità di carica e scarica della batteria. Generalmente, l'entità della corrente di carica e scarica è espressa da questa velocità di carica e scarica. Una velocità di carica e scarica di 1C significa che la batteria ad accumulo di energia può scaricare tutta la sua elettricità entro 1 ora; 2C significa che la batteria ad accumulo di energia può scaricare tutta la sua elettricità entro 0,5 ore.

2. Come si calcola o si ottiene la "C"?

La corrente di carica e scarica (C) è un concetto logico, non un concetto fisso come la corrente (A) e la tensione (V). Ad esempio, un circuito attraversa una corrente di 1 A. Indipendentemente dal dispositivo utilizzato per misurarla, il valore di corrente di 1 A è lo stesso. Per quanto riguarda la capacità di carica e scarica di 1 C, essa è anche correlata alla capacità specifica della batteria. Per una batteria con una capacità di 1 Ah, la sua corrente di carica e scarica di 1 C è di 1 A; per una batteria con una capacità di 2 Ah, la sua corrente di carica e scarica di 1 C è di 2 A. E così via.

Nei sistemi di batterie di accumulo di energia, la comune scelta progettuale di una velocità di carica e scarica di 0,5 C (ovvero la capacità della batteria viene completamente caricata o scaricata entro 2 ore) si basa principalmente sui seguenti motivi fondamentali:

1. Prolungare la durata della batteria

- Il costo delle tariffe di carica e scarica elevate:

Maggiore è la velocità di carica e scarica della batteria (C-rate), più velocemente gli ioni di litio vengono inseriti/estratti dal materiale dell'elettrodo, con conseguente:

- Reazioni chimiche collaterali intensificate (come l'ispessimento del film SEI, la decomposizione degli elettroliti);

- Aumento dello stress strutturale del materiale (espansione/contrazione dell'elettrodo, rottura delle particelle);

- Aumento della generazione di calore interno (invecchiamento accelerato).

Questi fattori ridurranno notevolmente la durata del ciclo di vita della batteria (ad esempio, una scarica di 1C può ridurre la durata del 30%-50% rispetto a una scarica di 0,5C).

- Requisiti di vita degli scenari di accumulo di energia:

I sistemi di accumulo di energia (ad esempio l'accumulo di energia domestica o l'accumulo di energia a livello di rete) solitamente richiedono una durata superiore a 10 anni (oltre 6000 cicli).

L'uso di una strategia di carica e scarica delicata pari a 0,5C può ridurre il tasso di attenuazione della batteria e soddisfare i requisiti di lunga durata.

2. Ridurre la difficoltà di gestione termica

-La relazione tra calore e velocità:

Il calore generato dalla resistenza interna della batteria è proporzionale al quadrato della corrente (\(P = I^2 \cdot R\)).

- Corrente 0,5C: supponiamo che la capacità della batteria sia 100Ah e la corrente 50A;

- Corrente 1C: la corrente è 100A → il calore è 4 volte superiore al precedente.

- Costi e rischi della dissipazione del calore:

I sistemi di accumulo di energia utilizzano solitamente pacchi batteria di grandi dimensioni e il funzionamento ad alta velocità richiede sistemi di dissipazione del calore più complessi (come il raffreddamento a liquido), che sono costosi e aumentano il rischio di guasti.

Il design a 0,5 °C semplifica la gestione termica (la convezione naturale o il raffreddamento ad aria possono soddisfare i requisiti), riduce i costi e migliora la sicurezza.

3. Soddisfare i requisiti degli scenari applicativi di accumulo di energia

- Applicazione tipo di energia vs. tipo di potenza:

- Sistema di accumulo di energia: per lo più requisiti di tipo energetico (come il peak shaving e il riempimento delle valli, accumulo fotovoltaico), che richiedono un output di energia stabile a lungo termine e bassi requisiti di potenza istantanea;

- Batteria di potenza (come quella dei veicoli elettrici): richiede una progettazione del tipo di potenza (1C~3C) per soddisfare elevati requisiti di potenza, come accelerazione e ricarica rapida.

- Applicabilità di 0,5C:

Prendendo come esempio un tipico accumulo di energia domestica:

- La capacità della batteria è di 10 kWh e la potenza di scarica di 0,5 C è di 5 kW, il che è sufficiente a coprire la maggior parte dei carichi domestici (aria condizionata, illuminazione, ecc.);

- Se è richiesta una potenza maggiore (ad esempio in caso di carico d'impatto a breve termine), il problema può essere risolto tramite la progettazione del sistema (ad esempio aumentando la capacità dell'inverter) senza aumentare la capacità della batteria.

4. Eccezioni nelle applicazioni effettive

- Scenari di alta potenza a breve termine:

Alcuni scenari speciali di accumulo di energia (ad esempio la regolazione della frequenza di rete, l'alimentazione di backup UPS) richiedono una risposta rapida e possono utilizzare batterie con capacità più elevata (ad esempio 1C~2C), ma a scapito della durata e dei costi.

- Progressi nella tecnologia delle batterie:

Con la maturazione delle batterie allo stato solido, degli elettrodi negativi al silicio e di altre tecnologie, le batterie ad accumulo di energia potrebbero supportare velocità più elevate (ad esempio 1C) mantenendo una lunga durata in futuro, ma al momento 0,5C è ancora la scelta prevalente.

Una velocità di carica e scarica troppo elevata influirà sulla durata della batteria, pertanto non dovrebbe essere impostata su un valore troppo alto;

Naturalmente, anche C non è troppo piccolo. Ad esempio, 0,1C, 0,2C e 0,3C sono valori comuni nelle batterie al piombo. La corrente di carica è bassa e la velocità è lenta. Sebbene protegga meglio la batteria, nei progetti di accumulo di energia industriale e commerciale in cui la rete elettrica statale prevede periodi di picco-valle senza variazioni di prezzo e lo scopo principale è ottenere vantaggi dalla differenza di prezzo tra picco e valle, questo ridurrà ovviamente il numero di kWh caricati e scaricati nello stesso periodo di tempo, riducendo così il reddito giornaliero e allungando il periodo di ammortamento, quindi non è adatto.

Nel complesso, la scelta di una velocità di carica e scarica di 0,5C tiene conto sia delle capacità di carica e scarica della batteria sia della tutela della sua durata utile, tenendo conto anche della compatibilità con i periodi di picco e di valle.

Ad esempio, un sistema a singolo cabinet da 209 kWh o 215 kWh, con un PCS da 100 kW, può essere completamente caricato o scaricato in 2 ore, il che è coerente con la durata dei periodi di picco e di valle stabiliti dalle aziende di rete elettrica locali. La carica e la scarica possono essere eseguite entro il periodo corrispondente, evitando sprechi di energia e tempo e ottenendo i benefici attesi, il che è ragionevole.

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