Sur tous les marchés ces dernières annéesBatteries lithium-ionont gagné en traction. Pour les non-initiés, il est facile de considérer le Lithium-ion comme une alternative coûteuse aux technologies VRLA (acide au plomb régulé par vanne), telles que l'AGM (mat de verre absorbé), si on se contente de déterminer l'intensité nominale (Ah). Ce fut la première erreur que j'ai commise il y a quelques années. En creusant plus profondément, il m'est apparu clairement que le choix de la meilleure batterie pour votre application dépendait de la classification Ah.

Dans les comparaisons ci-dessous, alors que les batteries au gel sont montrées, elles ont une capacité effective inférieure aux forts courants de décharge. Ils coûtent à peu près le même prix que les AGA, en supposant que les deux types sont des monoblocs, par opposition aux cellules de gel longue durée de 2 V. Les piles au plomb ou les piles au plomb noyées (FLA) ne sont pas prises en compte dans l’essentiel de cette comparaison, principalement pour des raisons de maintenance et de sécurité en milieu marin. Cela ne peut bien sûr pas s'appliquer à d'autres marchés.

Énergie utilisable et coût

Il est généralement admis que la profondeur de décharge (DOD) la plus économique et la plus pratique pour une batterie AGM est de 50%. Pour le lithium-fer-phosphate (LiFePO4 ou LFP) qui est le plus sûr des types de batteries Li-ion classiques, on utilise 80% de DOD.

Comment cela fonctionne-t-il dans le monde réel? Prenons deux exemples de batterie 24V et comparons l’énergie utilisable pour un petit yacht:
1 x Lithium-ion 24 V 180 Ah

La tension nominale de la cellule LFP est de 3,3 V. Cette batterie LFP 26,4 V est composée de 8 cellules connectées en série avec une puissance nominale de 180 Ah. L'énergie disponible est de 26,4 x 180 = 4. 75 kWh. L'énergie utilisable est de 26,4 x 180 x 0,80 = 3,8 kWh.
2 x AGM 12 V 220 Ah

La tension nominale de la cellule plomb-acide est de 2,0 V / cellule. Chaque batterie monobloc 12 V est composée de 6 cellules connectées en série avec une puissance nominale de 220 Ah. En connectant 2 batteries 12 Ah 220 V en série pour donner 24 V et 220 Ah, l'énergie disponible est de 24,0 x 220 = 5,28 kWh. L'énergie utilisable est de 24 x 220 x 0,50 = 2,64 kWh.

Cela soulève la question suivante: quel classement Ah des batteries AGM équivaudrait à l'énergie utilisable de 3,8 kWh de la batterie Lithium-ion? En raison de la règle d'économie de 50% de la DOD, à savoir 3,8 x 2 = 7,6 kWh, pour obtenir 3,8 kWh d'énergie utilisable d'une batterie AGM, il faudrait au moins deux fois cette taille. À 24 V, cela signifie 7 600/24, ce qui nous donne une capacité de batterie de 316,66 Ah, ce qui nous rapproche du double de la capacité nominale du Lithium-ion 24 V 180 Ah. Notez que cela ne prend pas en compte le vieillissement des batteries, le déclassement de la température ou l'effet de charges plus élevées. Pour les batteries AGM, les charges plus élevées ont un effet plus important que sur le lithium. Voir la section - Energie utilisable: influence sur la capacité de décharge et la tension avec des charges différentes, ci-dessous. Sur la base de tout cela, il est raisonnable de dire qu'une batterie AGM devra être deux fois plus puissante qu'une batterie au lithium.

Poids

La plupart des caractéristiques Ah des batteries, quel que soit leur type, sont spécifiées au taux de 20 heures. Cela fonctionnait bien à l'époque des charges légères, mais comme le nombre de charges et la taille des charges ont augmenté au fil du temps, nous devons également examiner les charges élevées à court terme, à moyen et long terme, pour différents types d'équipement. Cela peut signifier une grande batterie. Dans les cas extrêmes, la climatisation peut fonctionner pendant 10 heures avec 10 kW, comparé à une lampe LED utilisant 100 watts pendant cette période. L'équilibre entre ces différentes exigences et toutes les charges entre les deux devient essentiel. Pour ce faire, avec un grand emballage, comme indiqué ci-dessous, on voit clairement à quel point l’acide au plomb lourd peut être comparé au lithium. 1360/336 = 4 fois plus lourd.

Energie utilisable: effet sur la capacité de décharge et la tension avec des charges différentes

Comme indiqué précédemment, la plupart des batteries en Ah sont citées au taux de 20 heures. Dans l'image ci-dessous pour la batterie au plomb, s'il s'agissait d'une batterie 100 Ah au taux de 20 heures, vous pouvez voir que 0,05 ° C signifie 100 x 0,05 = 5 ampères pendant 20 heures = 100 Ah disponible jusqu'à ce que la batterie soit totalement à plat. Comme nous n'utilisons que 50% de la batterie, nous pouvons voir que la tension sera toujours de 24 V à 50% de DOD pour une charge de 5 ampères sur 10 heures. Nous aurions donc consommé 50 Ah.

L'augmentation de la consommation de courant (comme le montrent les graphiques ci-dessous) peut affecter l'énergie utilisable disponible et la tension de la batterie. Ce retrait effectif de la notation est connu sous le nom d’effet Peukert. Au plomb acide, plus la charge est élevée, plus il vous faut augmenter la capacité en Ah de votre batterie pour atténuer ce problème. Avec le lithium, cependant, une charge même 10 fois supérieure à 0,5 ° C peut toujours avoir une tension de borne de 24 V à 80% de DOD / 20% de SOC, sans monter en Ah sur la batterie. C'est ce qui rend le lithium particulièrement adapté aux charges élevées.

Remarque: Les graphiques ci-dessous indiquent la capacité de décharge en fonction de la tension aux bornes. Habituellement, les graphiques de l’AGM apparaissent sous le nom Temps de décharge en fonction de la tension terminale. La raison pour laquelle nous avons tracé la capacité de décharge (au lieu du temps de décharge) est que le lithium a une tension terminale plus élevée et plus stable que l'AGM. Par conséquent, le tracé des courbes avec la capacité de décharge à l'esprit permet une comparaison plus précise des propriétés chimiques, montrant que le lithium augmente l'énergie utilisable à des charges plus élevées en raison de tensions de borne plus élevées et plus stables. Bien que vous considériez cela comme une zone grise (en partie aussi à cause de la résistance interne variable des batteries), c’est probablement le seul véritable moyen de comparer les technologies. Ceci est davantage démontré dans les images ci-dessous les graphiques.

Lithium - Capacité de décharge en fonction de la tension terminale


Plomb acide - Capacité de décharge en fonction de la tension terminale

Énergie utilisable (acide de plomb)

Energie utilisable (Lithium)

Efficacité de charge

Une grande partie de ce que nous avons vu dans le processus de décharge est également vraie dans le processus inverse de chargement. Ne soyez pas rebutés par les grandes tailles de générateurs illustrées ci-dessous, car ce blog présente simplement un éventail de scénarios. Les solutions sont évolutives en principe. Commençons par comparer l’efficacité de charge de l’acide au plomb de gauche à celle de Lithium de droite pendant tout le cycle de charge. Charger les 20% restants d’une batterie au plomb est toujours lent et inefficace par rapport au lithium. Ceci est confirmé par les coûts de carburant (ou la source de charge que vous utilisez) dans les images plus bas. Notez également la différence de temps de charge.

Note: taux de charge
Le taux de charge recommandé pour les batteries AGM de grande taille est de 0,2 C, soit 120 A pour une batterie de 600 A constituée de blocs de 200 Ah en parallèle.
Des taux de charge plus élevés chaufferont la batterie (la compensation de température, la détection de tension et une bonne ventilation sont absolument nécessaires dans un tel cas pour éviter un emballement thermique) et, en raison de la résistance interne, la tension d'absorption sera atteinte lorsque la batterie est chargée à seulement 60%. ou moins, ce qui entraîne un temps d’absorption plus long pour charger complètement la batterie.
Un taux de charge élevé ne réduira donc pas sensiblement le temps de charge d’une batterie à technologie plomb-acide.
Par comparaison, une batterie au lithium de 200Ah peut être chargée jusqu’à 500A. Toutefois, le taux de charge recommandé pour une durée de vie maximale du cycle est de 100A (0,5C) ou moins. Encore une fois, cela montre que dans les décharges et les charges, le lithium est supérieur.

Choix de batteries, marchés et cycle de vie

Selon la manière dont vous traitez une batterie, vous pouvez raisonnablement vous attendre à la gamme de cycles ci-dessous, sous réserve que le DOD et les groupes de batteries soient correctement dimensionnés pour les charges. La température de fonctionnement entre également en jeu. Plus la batterie est chaude, moins elle durera. La capacité de la batterie diminue également avec la température ambiante. La ligne de base des variations dues à la température est de 25 degrés Celsius.

Conclusions

Il est clair que les batteries AGM devront être remplacées plus souvent que les batteries au lithium. Il convient de garder cela à l'esprit car cela implique des coûts de temps, d'installation et de transport, ce qui annule encore le coût en capital initial plus élevé du Lithium, tout comme le coût moins élevé de la recharge du Lithium.

Quel que soit le choix de batterie que vous fassiez, il y a aussi un coût en capital et un risque technologique au départ. Si vous êtes en mesure de disposer du capital nécessaire pour couvrir les coûts initiaux plus élevés de Lithium, vous trouverez peut-être que la vie est plus facile et que ce choix est rentable dans le temps. Cela dépend en grande partie de la connaissance de l'opérateur et de la façon dont il traite un système de batterie. Il y a un vieil adage qui dit que les piles ne meurent pas, elles sont tuées. De bonnes pratiques de gestion sont votre assurance contre les défaillances précoces, quelle que soit la technologie utilisée.

Lithium-ion vs AGM? Le choix t'appartient. Le moment est venu de considérer Lithium dans l'industrie maritime comme une solution rentable, fiable et performante. Aucun constructeur de véhicules électriques qui se respecte ne pourrait toujours utiliser les technologies de batterie à base de plomb-acide aujourd'hui. Il est temps que l'industrie maritime rattrape son retard?