Kokie techniniai sprendimai optimizuoja 48 V baterijų našumą?

Litetis-jonų ir LiFePO4: cheminės sudėties palyginimas 48 V taikymams

Energijos tankis, ciklinė tarnavimo trukmė ir sąnaudų kompromisai

Li-iovo baterijos paprastai turi apie 150–200 Wh/kg energijos tankį, dėl ko jos yra geras pasirinkimas dirbant su kompaktiškomis 48 V sistemomis, kuriose nėra daug laisvos vietos. Kita vertus, litio geležies fosfatas arba LiFePO4 išsiskiria tuo, kad tarnauja žymiai ilgiau per įkrovimo ciklus. Kalbame apie daugiau nei 2000 pilnų ciklų, palyginti su tik 800–1200 ciklų standartinėms Li-iovo baterijoms, remiantis praėjusiais metais atliktu EV litio tyrimu. Pradinė LiFePO4 kaina iš tiesų yra apie 10–20 procentų brangesnė už įprastas ličio jonines parinktis. Tačiau dažnai nepastebima tai, kad šis papildomas investicijas ilgainiui atsipildo, nes šios baterijos reikia keisti žymiai rečiau. Laikui bėgant, tai faktiškai leidžia sutaupyti apie 40 procentų vieno ciklo atžvilgiu, palyginti su nuolat naujų Li-iovo rinkinių pirkimu.

48 V chemijų terminis stabilumas ir saugos charakteristikos

LiFePO4 baterijų geležies fosfato katodas lieka stabilus net tada, kai temperatūra pasiekia apie 270 laipsnių Celsijaus, dėl ko sumažėja pavojingų terminio nestabilumo situacijų tikimybė. Įprastos litio jonų baterijos pasako kitaip. Pagal Vatrer Power paskelbtą tyrimą praėjusiais metais, šios tradicinės chemijos pradeda skilinėti, vos tik pasiekus truputį daugiau nei 60 laipsnių Celsijaus. Tai sukelia rimtų saugos problemų vietose, kur būna karšta. Dėl šios vidinės stabilumo savybės, daugelis gamintojų renkasi LiFePO4 savo 48 voltų sistemoms sunkvežimių įrangai. Įsivaizduokite gamyklas ar statybos aikšteles, kur įrenginiai veikia nepertraukiamai, o aplinkos temperatūra reguliariai kyla virš 50 laipsnių. Baterija tiesiog toliau veikia be perkaitimo problemų.

Geriausi naudojimo atvejai: Automobilių pramonė, Pramonė ir Atsinaujinančios energijos kaupimas

• Automobilių pramonė : LiFePO4 yra teikiama pirmenybė 48 V lengvosioms hibridinėms sistemoms dėl didesnio atsparumo vibracijai ir patobulintos saugos susidūrimo atveju.
• Pramoninis : Li-ion akumuliatorių didesnis energijos tankis naudingas įrenginiams, tokiems kaip keltuvai, kuriems reikia greito įkrovimo/iškrovimo galimybės.
• Atsinaujinanti energija : Saugant saulės energiją, LiFePO4 ilgas ciklinis stabilumas užtikrina daugiau nei 90 % talpos išlaikymą po aštuonerių metų naudojimo, maksimaliai padidinant sistemos ilgaamžiškumą ir patikimumą.

Pažangios šilumos valdymo strategijos 48 V akumuliatorių blokams

Šilumos generavimo mechanizmai 48 V sistemose su didelėmis apkrovomis

Šilumos generavimas 48 V sistemose esant didelėms apkrovoms atsiranda pagrindžiai iš trijų šaltinių: vidinės varžos, kai vyksta ciklai, Džaulio šildymo, kai srovės šuoliai, ir tų egzoterminių reakcijų, kurios vyksta giliai išsikraunant. Kai baterijos veikia 3C išsikrovimo greičiu, jų paviršius dažnai pasiekia daugiau nei 54 laipsnius Celsijaus, jei nėra aktyvaus aušinimo, kaip nurodyta MDPI paskelbtoje 2023 metų studijoje. Taikymuose, kuriuose reikalinga didelė galia, pvz., elektrinių transporto priemonių pagalbinėse sistemose, tokia nekontroliuojama šilumos kaupimasis sukuria pavojingas karštas vietas visame bloke. Šios karštos vietos baterijų elementus blogina žymiai greičiau nei tai vyksta sistemose su tinkamu šilumos valdymu, kartais sutrumpinant tarnavimo laiką apie 40 procentų ar daugiau.

Netiesioginis skysčio aušinimas ir naujausi temperatūros valdymo pokyčiai

Netiesioginio skysčio aušinimo ir fazės pokyčio medžiagų, arba PCM, kombinacija iškyla kaip vienas geriausių būdų pasiekti tiek efektyvumą, tiek saugą tų naujų 48 voltų sistemų, kurias šiuolaikiniame pasaulyje matome visur. Dar 2025 m. paskelbtas tyrimas „Journal of Power Sources“ žurnale parodė gana įdomų rezultatą. Kai buvo testuojamos hibridinės sistemos, naudojančios tiek skysčio aušinimą, tiek PCM kartu, automobilių akumuliatorių maksimali temperatūra sumažėjo apie 18 procentų veikiant aplinkos temperatūrai 35 laipsnių Celsijaus. Gana įspūdingi skaičiai. Šiuolaikinės šilumos valdymo sistemos taip pat tampa protingesnės. Jos gali reguliuoti aušalo srautą priklausomai nuo esamos situacijos. Toks dinaminis reguliavimas sutaupo apie 70 procentų energijos, palyginti su senesnėmis fiksuoto greičio sistemomis, tuo pačiu palaikant temperatūrų skirtumą tarp elementų tik 1,5 laipsnio Celsijaus ribose. Kai pagalvoji, tai visiškai logiška.

Mastelio aušinimo sprendimų projektavimas įvairioms aplinkoms

Šiluminiai sprendimai turi būti pritaikyti prie eksploatacinių aplinkų:

• Dykumose naudojami sausi kondensatoriai ir silicio gelio barjerai drėgniam valdyti.
• Jūros taikymuose pasikliaujama koroziją atspariomis aliuminio oksido danga.
• Šiaurės ašigalyje montuojamos savęs šildančios PCM kompozitų sistemos, aktyvuojamos žemiau -20 °C.

Modulinės skysto aušinimo plokštės tapo mastelio standartu, leidžiančiu be vargo išplėsti nuo 5 kWh buitinių vienetų iki 1 MWh tinklo masto sistemų, nerekonstruojant pagrindinių šiluminių komponentų.

Atvejo analizė: Aušinimo sistemos veiksmingumo patvirtinimas realiomis sąlygomis

2025 metais žurnale „Applied Thermal Engineering“ atlikti tyrimai nagrinėjo, kaip speciali daugiasluokė PCM skysčio sistema veikia su 48 voltų keltuvų baterijomis sandėliuose, kuriuose temperatūra pasiekia apie 45 laipsnius Celsijaus. Gauti rezultatai buvo įspūdingi. Šios baterijos išlaikė žemesnę temperatūrą, visą ilgą aštuonių valandų darbo pamainą neviršydamos apie 29,2 laipsnių Celsijaus. Tai net 7,3 laipsniais žemesnė temperatūra lyginant su įprastomis baterijomis, neturinčiomis jokios aušinimo sistemos. Taip pat yra ir kitų gerų naujienų. Metinis baterijos talpos sumažėjimas smarkiai sumažėjo nuo 15 procentų iki tik 2,1 procento. Bandant realiomis sąlygomis, šios sistemos parodė minimalius temperatūros skirtumus – mažesnius nei 2 laipsniai tarp visų 96 elementų, net intensyviai 150 amperų greitai įkraunant. Gana nepaprasti rezultatai tiems, kas susiduria su sunkiaisiais baterijų eksploatavimo režimais.

Įkrovos ir iškrovos efektyvumo maksimalizavimas 48V sistemose

Energijos nuostolių faktoriai įkrovimo / iškrovimo ciklų metu

Pagrindiniai energijos nuostolių šaltiniai 48 V sistemose apima vidinę varžą, kuri svyruoja nuo 3 iki 8 procentų, taip pat šiluminės sklaidos nuostolius, siekiančius apie 2–5 procentus kiekvieno įkrovimo ciklo metu, nekalbant jau apie tas erzinančias elektrodų sąsajų netinkamumus. Kai įkrovimas atliekamas netinkamai, ominiai nuostoliai gali padidėti net 12 procentų lyginant su subalansuotomis įkrovimo metodikomis, kas nustatyta neseniai atliktuose tyrimuose, skirtuose litio jonų baterijų įkrovimo optimizavimui. Tiems, kurie dirba su aukštos galios programomis, pvz., elektrinių automobilių variklių sistemomis, tokie nuostoliai yra itin svarbūs, nes pastovus greitas ciklai ilgainiui greičiau susildo ir susidėvi komponentus.

Pažangios BMS reikšmė 48 V energijos naudojimo efektyvumui didinti

Šiuolaikinės baterijų valdymo sistemos padeda viskam veikti geriau, nes protingai reguliuoja srovės tėkmę. Tai padeda sumažinti erzinančius varžos nuostolius jų blogiausiomis akimirkomis nuo 18 iki 22 procentų. Taip pat jos labai tiksliai balansuoja elementus, palaikydamos įtampą, skirtumą tarp visų elementų neviršijantį 1,5 %. Be to, kai lauke atvėsta, šios sistemos kompensuoja temperatūros pokyčius krūvinant, kad nebūtų litio nusodinimo problemų. Remiantis mokslininkų tyrimais, baterijos, naudojančios šį daugiapakopį pastovios srovės metodą, ilgainiui praranda mažiau talpos. Išbandant 48 V LiFePO4 sistemas, buvo pastebėta apie 16,5 % mažesnis senėjimas lyginant su senesniais krūvio valdymo būdais. Aišku, kodėl vis daugiau įmonių perėina prie šių pažangios technologijos sistemų ilgesniam energijos sprendimams.

Dinaminių apkrovų poveikis 48 V baterijos našumui

Kintamos apkrovos robotikoje ir atsinaujinančios energijos mikrotinkluose sukelia efektyvumo iššūkius:

Telekomunikacijų atsarginio maitinimo sistemos duomenys rodo, kad apkrovos reguliavimas padidina grįžtamojo naudingumo koeficientą nuo 87 % iki 93 % 48 V ličio baterijose ir sumažina šilumos valdymo energijos poreikį 40 %.

48 V perkraunamųjų baterijų ciklo trukmės ir ilgaamžiškumo didinimas

48 V baterijų elementų degradacijos mechanizmai

48 V baterijų sistemų talpos praradimas vyksta dėl trijų pagrindinių priežasčių: tvirtos elektrolito sąsajos sluoksnio augimo, elektrodų paviršiuje susidarančių litio nuosėdų formavimosi ir fizinio poveikio, kurį sukelia medžiagų nuolatinis išsiplėtimas ir susitraukimas įkrovos ciklų metu. Kai temperatūra kyla, šios nereikalingos cheminės reakcijos žymiai paspartėja. Paskutiniais metais paskelbti tyrimai rodo, kad jei veikimo temperatūra pakyla tik 10 laipsnių Celsijaus virš 30 laipsnių, įkrovimo ciklų skaičius iki baterijos sugedimo sumažėja dvigubai. Automobilių gamintojams, turintiems omenyje realias važiavimo sąlygas, šis mechaninis nusidėvėjimas laikui bėgant dar labiau pablogėja, nes transporto priemonės baterijas kelyje veikia įvairūs virpuliai ir staigūs apkrovos pokyčiai.

Optimalus išsikrovimo gylis ir įkrovos sparta ilgaamžiškumui

48 V baterijų naudojimas 20 %–80 % įkrovos būsenos (SOC) diapazone sumažina SEI susidarymą 43 %, palyginti su visišku ciklumu. NREL 2023 m. analizė parodė, kad 0,5C įkrovimo greitis (3 valandos įkrovimas) išsaugo 98 % pradinės talpos po 800 ciklų, palyginti su 89 % išlaikymu esant 1C.

Lentelė: įkrovimo greičio poveikis 48 V litio jonų baterijų ilgaamžiškumui (NREL 2023)

Greitas įkrovimas ir ilgalaikis sveikatas: balansas tarp greičio ir baterijos tarnavimo laiko

Greitas 1C įkrovimas tikrai sutrumpina laukimo laiką, tačiau turi ir trūkumų: baterijos viduje įkaista apie 55–70 procentų labiau, palyginti su lėtesniu 0,5C greičiu. Naujausias 2024 m. komercinės energijos kaupimo sistemos vertinimas parodė įdomų dalyką. Jie išbandė metodą, kai įkrovimas vyko maksimaliu greičiu (1C) iki pasiekiamo apie 70 % įkrovos lygio, o po to greitis buvo sumažintas iki 0,3C. Po 1 200 įkrovimo ciklų šis metodas išlaikė apie 85 % pradinės talpos, kas iš tiesų yra gan artima rezultatams, gaunamiems naudojant itin atsargius lėtus įkrovimo metodus. Ir štai čia svarbiausia – jei tokios sistemos bus aprūpintos gera šilumos valdymo sistema, galinčia sumažinti temperatūrą bent 30 %, dalinis greitas įkrovimas pradeda atrodyti kaip protingas kompromisas tarp noro greitai įkrauti ir užtikrinti ilgesnį baterijų tarnavimo laiką.