Litiumparistot kylmällä säällä: suorituskyky ja parhaat käytännöt

Viime talvena menetimme lähes 47 000 dollaria yhdestä projektista Minnesotassa. Pakasteiden jakelija osti meiltä 32 LFP-akkua. Tekniset tiedot kertoivat käyttölämpötila-alueen olevan -20 astetta 60 asteeseen. Näytti hyvältä. Kolme kuukautta myöhemmin neljä pakkausta oli kuollut ja asiakas uhkasi oikeustoimilla.

 

Perimmäinen syy? Se -20 astetta oli purkauslämpötila, ei latauslämpötila. LFP-akut muodostavat litiumdendriittejä, kun niitä ladataan alle 0 asteen. Battery University on kirjoittanut tästä vuosia, mutta emme ottaneet sitä tarpeeksi vakavasti. Kallis oppitunti.

 

Joten tässä artikkelissa kerrotaan, mitä kahdeksan vuoden{0}}kylmän ilmaston käyttöönotto on minulle itse asiassa opettanut. Ei yleisiä neuvoja. Todellinen käyttökokemus, jolla on merkitystä B2B-hankinnoissa.

Kriittisin kohta: Kylmälataus on kymmenen kertaa vaarallisempaa kuin kylmälataus

Monet hankintapäälliköt kysyvät minulta, toimivatko litiumakut talvella. Kyllä, he tekevät. Mutta sinun on ymmärrettävä, mitä "työ" tarkoittaa.

Kylmän akun purkaminen vain vähentää käytettävissä olevaa kapasiteettia. LFP -20 asteessa tuottaa noin 50–60 % nimelliskapasiteetista. NMC saa noin 70 prosenttia. LTO säilyttää 90%. Olemme testanneet nämä luvut itse, ja ne vastaavat Xi'an Jiaotongin yliopiston Journal of Power Sources -julkaisussa julkaisemaa tutkimusta (DOI: 10.1016/j.jpowsour.2022.230892).

Lataus on täysin eri asia.

Xi'an Jiaotong -paperi mittasi LFP-kapasiteetin säilymisen niinkin alhaiseksi kuin 31,5 % -20 asteessa tietyissä olosuhteissa. En uskonut tätä numeroa aluksi. Sitten testasimme itse CATL 280Ah -kennoja. Jotkut erät osoittivat vain 48 % retentiota -20 asteessa. Sama tuoteperhe, eri erät, 13 prosenttiyksikköä vaihtelua.

Tästä syystä vaadin nyt eräkohtaisia{0}}testausraportteja toimittajilta. Yleisiä teknisiä tietoja ei hyväksytä.

Kuinka eri kemiat toimivat alhaisissa lämpötiloissa

Tuo 8-20 % lyijy-hapolle ei ole kirjoitusvirhe. Battle Born suoritti vertailevan testin ja totesi lyijy{5}}happoakut käytännössä hyödyttömiksi pakkasella. Tämä selittää, miksi perinteiset kylmävarastot, joissa käytetään lyijyhappotrukkeja, tarvitsevat erilliset akun lämmityshuoneet, jotka maksavat 1 000–2 000 puntaa vuodessa.

LTO ansaitsee erityismaininnan. Se maksaa kolme kertaa niin paljon kuin LFP, mutta äärimmäisen kylmissä olosuhteissa se on ainoa kemia, johon luotan täysin. Otimme käyttöön LTO-paketit kaivosasiakkaalle Nunavutissa, joka toimii -40 asteessa. Kolmen vuoden kuluttua kapasiteetin heikkeneminen on alle 3 prosenttia. Asiakas melkein hylkäsi LTO:n kustannusten vuoksi. Nyt he ovat uskollisin toistuva asiakkaamme.

Kapasiteetin valintaongelma Kukaan ei puhu siitä

Tästä tulee monimutkaista.

Suuren kapasiteetin kennoissa, kuten 280 Ah tai 314 Ah prismaatit, on alhaisemmat kilowattituntikustannukset. Mutta niiden pinta--tilavuussuhde- on pienempi. Kaksi seurausta: parempi lämmönpidätys, mutta hitaampi lämpeneminen kylmästä liotosta.

Testasimme saman valmistajan 100Ah ja 280Ah kennoja. Lämpeneminen -15 astetta latauslämpötilaan kesti 100Ah kennossa 14 minuuttia ja 280Ah kennossa 23 minuuttia. Eroa lähes 10 minuuttia.

Suunnitellun vuorotyön yhteydessä tätä 10 minuuttia voidaan hallita esilämmityksellä. Käynnistä lämmitin 30 minuuttia aikaisemmin. Mutta on-demand-sovelluksissa, kuten hätälogistiikka tai epäsäännöllinen lähetys, ero tulee ratkaisevaksi.

Yksinkertainen päätöksentekokehys:

Vielä yksi asia, jota useimmat ihmiset kaipaavat: pienemmät solut pakkauksessa tarkoittavat parempaa solujen{0}}to-yhdenmukaisuutta ja pienempää BMS-tasapainotuskuormitusta. Yksi asiakas vaati 320 Ah:n kennoja säästääkseen rahaa. Kuusi kuukautta myöhemmin jännite-ero pakkauksessa ylitti 50 mV ja BMS hälytti jatkuvasti. Vaihdettu 100Ah kennoihin, ongelma hävisi.

TCO-analyysi: Milloin litium todella maksaa takaisin?

Todellisia lukuja vuoden 2024 projektista. Minnesota 3PL asiakas, 32 trukkia, sekoitettu ympäristö- ja kylmävarasto. Ensimmäisen vuoden todelliset käyttökustannukset:

Vuosittaisten käyttökustannusten vertailu (USD per yksikkö)

Litiumin ostopalkkio: noin 14 200 dollaria yksikköä kohden. 1 870 dollarin vuosittaisella säästöllä staattinen takaisinmaksuaika on 7,6 vuotta.

Mutta tässä laskelmassa on virhe.

Lyijy-happoakut kestävät kylmäsäilytysympäristöissä yleensä 3–4 vuotta, eivät valmistajat väittävät viittä vuotta. Tietomme kolmelta kylmävarastoasiakkaalta osoittavat keskimääräisen todellisen käyttöiän 3,8 vuotta. Oikaistu laskelma:

10 vuoden TCO-vertailu

Kylmäsäilytys on vahvin vaihtoehto litiumille, koska lyijy{0}}happo hajoaa niin nopeasti alhaisissa lämpötiloissa. Pahin tapaus, jonka olen nähnyt: asiakkaan lyijy-happotrukin akku -18 asteen pakastimessa kesti 18 kuukautta ennen kuin kapasiteetti putosi 40 prosenttiin.

BMS-valinta: eniten huomiotta jätetty päätös

Tuo Minnesotan projekti epäonnistui BMS:n takia.

Käytimme edullista-kiinalaista BMS:ää, jossa oli vain kaksi lämpötila-anturia, jotka oli sijoitettu pakkauksen vastakkaisiin päihin. Keskisoluissa oli 7-8 astetta kylmempää kuin päissä. BMS näytti 5 astetta ja salli latauksen. Todellinen keskilämpötila oli -3 astetta. Useiden kuukausien jälkeen keskisoluilla oli 15 % pienempi kapasiteetti kuin päätysoluissa.

Nykyiset BMS-vaatimukset:

Olen kysynyt monilta tavarantoimittajilta näitä erityisiä kysymyksiä. Alle kolmasosa osaa vastata selkeästi. Ne, jotka eivät osaa vastata, eivät ota asioitani vastaan.

Kentän suorituskykytiedot

Kolme projektia, joita olemme seuranneet yli kahden vuoden ajan:

Projekti A: Minneapolisin kylmävarasto (-5 astetta -25 astetta)
24 LFP-pakettia PTC-lämmityksellä, otettu käyttöön 2022. Kapasiteetin säilyvyys kahden vuoden jälkeen: 94,8 %. Tapahtui kaksi kylmää-säätapahtumaa, jotka molemmat johtuivat siitä, että käyttäjät jättivät esilämmitystoimenpiteet väliin. Laitevikojen määrä laski 4,1 %:sta lyijy-hapon kanssa 0,3 %:iin.

Projekti B: Edmontonin ulkologistiikkapiha (+25 astetta -35 asteeseen)
8 NMC-pakettia lämpöpumpun lämmönhallinnan kanssa, otettu käyttöön 2023. Talvikäyttöinen kapasiteetti: 78 % kesän perusarvosta. Kylmä-käynnistysvirheet: nolla. Lämmitysenergian kulutus: 4,2 % kokonaissyötöstä. Tämä projekti muutti näkemystäni lämpöpumpun arvosta äärimmäisen kylmässä.

Projekti C: Nunavutin kaivostoiminta (-10 astetta -45 astetta)
6 LTO-pakettia, otettu käyttöön 2021. Kapasiteetin säilyvyys kolmen vuoden jälkeen: 97,1 %. Lämpötilaan -liittyvät tapahtumat: nolla. Investoinnit elpyivät 28 kuukaudessa ennustettuun 36 kuukauteen verrattuna. Asiakkaan sanat: "Jos olisin tiennyt, että se toimisi näin hyvin, olisin muuttanut kaiken ensimmäisenä vuonna."

Tiedon arvoisia kysymyksiä teollisuusfoorumeilta

Selaan säännöllisesti Forkliftaction-foorumeita ja Redditin r/electricvehicles-sivustoja nähdäkseni, mitä käyttäjät todella kohtaavat. Useita aiheita esiintyy toistuvasti:

• SOC-arviosta tulee epäluotettava.LFP-purkauskäyrät ovat tasaiset, mikä tekee latauksen tilan--arvioinnista vaikeaa jopa normaaleissa olosuhteissa. Alhaisissa lämpötiloissa arviovirhe voi ylittää 20 %. Olemme saaneet asiakkaita raportoimaan äkillisistä sammutuksista näytetyllä 25 %:n latauksella. Ratkaisu: kouluta käyttäjiä ymmärtämään, että matalan lämpötilan SOC-lukemat ovat vain arvioita. Jätä isommat marginaalit.
   
• Latausaika kaksin- tai kolminkertaistuu.Tammikuun 2024 Chicagon napapyörteen aikana sähköautojen omistajat odottivat tuntikausia latausasemilla. Ongelma ei ollut latureissa. Akut olivat liian kylmiä lataukseen. Esilämmityskyky on välttämätön, ja käyttäjien on kehitettävä tapa aloittaa esilämmitys aikaisin.
   
• BMS-logiikka vaihtelee dramaattisesti eri merkkien välillä.Teslan esilämmitys kestää noin 15 minuuttia. Jotkut merkit vaativat yli 40 minuuttia. Pyydä toimittajilta aina kylmäliotusta-valmiusaikaa- hankinnan aikana.

Katsomisen arvoiset teknologiatrendit vuonna 2025

Solid-state-akut toimivat paljon paremmin alhaisissa lämpötiloissa kuin nestemäiset elektrolyyttijärjestelmät, koska kiinteät elektrolyytit eivät sakeudu tai jäädy kylmissä olosuhteissa. QuantumScape on julkaissut -30 asteen testituloksia, jotka näyttävät lupaavilta, mutta volyymituotanto on vielä vuosien päässä.

Heti osuvampi: matalan lämpötilan{0}}elektrolyyttikehitys. Asahi Kasei kaupallistaa asetonitriili-pohjaisen elektrolyytin tänä vuonna ja väittää, että sen teho on korkea -40 asteessa. Jos se tuottaa tuotantoa mittakaavassa, kylmäalueen sovellukset hyötyvät merkittävästi.

Itse{0}}lämpenevät akut edustavat nyt yli 1,2 miljardin dollarin markkinoita. Nämä akut integroivat lämmityselementit suoraan kennorakenteeseen, mikä saavuttaa paljon paremman lämmitystehokkuuden kuin ulkoiset PTC-järjestelmät.

Loppuajattelua

Litiumakut voivat toimia täysin kylmissä olosuhteissa. Mutta onnistunut käyttöönotto vaatii huolellisempaa valintaa ja kurinalaisempia toimintatapoja kuin lauhkean-ilmaston sovellukset.

Omat suositukseni:

Kaikki kylmän-ilmaston käyttöönotto: vaadi eräkohtaiset{1}}testitiedot. Älä luota yleisiin eritelmiin.

Olemme tehneet tätä Polinovelissa lähes vuosikymmenen ajan. Jos sinulla on jokin tietty hakemus keskusteltavaksi, ota yhteyttä suunnittelutiimiimme. Voimme antaa suosituksia todellisten käyttöolosuhteiden perusteella.