Quand utiliser quelle batterie ? Lithium-ion contre AGM

Sur tous les marchés, ces dernières années, les batteries lithium-ion ont gagné du terrain. Pour les non-initiés, il est facile de rejeter le lithium-ion comme une alternative coûteuse aux technologies VRLA (acide de plomb régulé par valve) telles que l'AGM (mat de verre absorbé), si l'on regarde simplement la valeur nominale en ampères-heures (Ah). C’est la première erreur que j’ai commise il y a quelques années. En creusant plus profondément, il m'est devenu clair qu'il y a bien plus que les valeurs Ah à prendre en compte lors du choix des meilleures batteries pour votre application.

Dans les comparaisons ci-dessous, bien que les batteries au gel soient présentées, elles ont une capacité effective inférieure à des courants de décharge élevés. Ils coûtent à peu près le même prix que les AGM, en supposant que les deux types soient monoblocs, par opposition aux cellules gel longue durée de 2 V. Les batteries à cellules humides ou au plomb-acide inondé (FLA), bien qu'elles soient mentionnées, ne sont pas prises en compte pour l'essentiel de cette comparaison particulière, principalement en raison de considérations de maintenance et de sécurité dans l'environnement marin. Bien entendu, cela peut ne 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 grand public, 80 % de DOD est utilisé.

Comment cela se passe-t-il dans le monde réel ? Prenons deux exemples de batterie 24 V 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 tension de 180 V. Ah note. 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 au plomb est de 2,0 V/cellule. Chaque batterie monobloc 12 V est composée de 6 cellules connectées en série d'une capacité de 220 Ah. En connectant 2 batteries 12 V 220 Ah 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 : quelle valeur Ah des batteries AGM serait l'équivalent de l'énergie utilisable de 3,8 kWh de la batterie lithium-ion ? Pour obtenir 3,8 kWh d'énergie utilisable à partir d'une batterie AGM, il faudrait qu'elle soit deux fois plus grande au départ en raison de la règle d'économie de 50 % du DOD, soit 3,8 x 2 = 7,6 kWh. À 24 V, cela signifierait 7 600/24, ce qui nous donne une batterie de 316,66 Ah, ce qui se 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 en température ou l’effet de charges plus élevées. Pour les batteries AGM, des charges plus élevées ont un effet plus important que pour les batteries Lithium. Voir la section – Énergie utilisable : effet sur la capacité de décharge et la tension avec différentes charges, ci-dessous. Sur la base de tout cela, il est raisonnable de dire qu’une batterie AGM devra avoir une capacité Ah deux fois supérieure à celle d’une batterie au lithium.

Poids

La plupart des valeurs Ah des batteries, quel que soit leur type, sont spécifiées au tarif de 20 heures. C'était bien à l'époque des charges légères, mais comme le nombre et la taille des charges ont augmenté avec le temps, nous devons également examiner les charges élevées à court terme, à moyen et à long terme pour différents types d'équipement. Cela peut signifier une grosse batterie. Aux extrêmes, nous pourrions avoir une climatisation fonctionnant pendant 10 heures en utilisant 10 kW, par rapport à une lumière LED utilisant 100 watts pendant cette période. Équilibrer ces différentes exigences et toutes les charges intermédiaires devient essentiel. Avec un grand emballage comme indiqué ci-dessous pour y parvenir, il devient clair à quel point le plomb acide peut être comparé au lithium. 1360/336 = 4 fois plus lourd.

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

Comme indiqué précédemment, la plupart des batteries en Ah sont indiquées au taux de 20 heures. Dans l'image ci-dessous pour la batterie au plomb, s'il s'agissait d'une batterie de 100 Ah au rythme de 20 heures, vous pouvez voir que 0,05C signifie 100 x 0,05 = 5 ampères pendant 20 heures = 100 Ah disponibles jusqu'à ce que la batterie soit totalement déchargée. Comme nous n'utilisons que 50% de la batterie nous pouvons voir que la tension sera toujours de 24 V à 50% DOD pour une charge de 5 Ampères sur 10 heures, et donc nous aurions 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. Avec le plomb-acide, plus la charge est élevée, plus vous devez augmenter la capacité Ah de votre batterie pour aider à atténuer ce problème. Cependant, avec le lithium, une charge même 10 fois supérieure à 0,5 C peut toujours avoir une tension aux bornes de 24 V à 80 % DOD/20 % SOC, sans augmenter la valeur Ah de la batterie. C’est ce qui rend le Lithium particulièrement adapté aux charges élevées.

Remarque : Dans les graphiques ci-dessous, la capacité de décharge par rapport à la tension aux bornes est indiquée. Habituellement, vous verrez les graphiques AGM sous forme de temps de décharge par rapport à la tension aux bornes. La raison pour laquelle nous traçons la capacité de décharge (au lieu du temps de décharge) est que le lithium a une tension aux bornes plus élevée et plus stable que l'AGM, donc tracer les courbes en gardant à l'esprit la capacité de décharge donne une comparaison plus précise des produits chimiques, montrant que le lithium augmente l'énergie utilisable. à des charges plus élevées en raison de tensions aux bornes plus élevées et plus stables. Bien que vous puissiez considérer cela comme une zone grise (en partie également 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 situées sous les graphiques.

Lithium – Capacité de décharge par rapport à la tension aux bornes


Plomb – Capacité de décharge par rapport à la tension aux bornes

Énergie utilisable (plomb-acide)

Énergie utilisable (lithium)

Efficacité de charge

Beaucoup de ce que nous avons vu dans le processus de décharge est également vrai dans le processus inverse de charge. Ne vous laissez pas rebuter par les grandes tailles de générateurs présentées ci-dessous, car ce blog ne présente qu'une gamme de scénarios. Les solutions sont en principe évolutives. Comparons d'abord l'efficacité de charge du plomb acide à gauche au lithium à droite, pendant le cycle de charge complet. Charger les derniers 20 % d’une batterie à technologie plomb-acide est toujours lent et inefficace par rapport au lithium. Cela est confirmé par les coûts de carburant (ou quelle que soit la source de recharge que vous utilisez) dans les images plus bas. Notez également la différence dans les temps de charge.

Remarque : 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 composée de blocs de 200 Ah en parallèle.
Des taux de charge plus élevés réchaufferont la batterie (une compensation de température, une 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 nécessaire pour charger complètement la batterie.
Une charge à haut débit ne réduira donc pas considérablement le temps de charge d’une batterie à technologie plomb-acide.
En comparaison, une batterie au lithium de 200 Ah peut être chargée jusqu'à 500 A, mais le taux de charge recommandé pour une durée de vie maximale est de 100 A (0,5 C) ou moins. Encore une fois, cela montre qu'en termes de décharge et de charge, le lithium est supérieur.

Choix de batteries, marchés et durée de vie

En fonction de la manière dont vous traitez une batterie, vous pouvez raisonnablement vous attendre à la plage de cycles ci-dessous, à condition que le DOD et les parcs de batteries soient correctement dimensionnés pour les charges. La température de fonctionnement entre également en ligne de compte. Plus la batterie est chaude, moins elle durera longtemps. La capacité de la batterie diminue également avec la température ambiante. La valeur de référence pour les 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 Lithium. Il convient de garder cela à l’esprit car cela implique du temps, des coûts d’installation et de transport, ce qui annule encore davantage le coût d’investissement initial plus élevé du lithium, tout comme le coût inférieur de recharge du lithium.

Quel que soit le choix de batterie que vous faites, il existe dès le départ un coût en capital et un risque technologique. Si vous êtes en mesure de disposer du capital nécessaire pour couvrir les coûts initiaux plus élevés du lithium, vous constaterez peut-être que la vie est plus facile et que ce choix est rentable au fil du temps. Cela dépend en grande partie des connaissances de l’opérateur et de la manière dont il traite un système de batterie. Il y a un vieux dicton qui dit que les batteries ne meurent pas, elles sont tuées. De bonnes pratiques de gestion sont votre assurance contre un échec précoce, quelle que soit la technologie utilisée.

Lithium-ion contre AGM ? Le choix t'appartient. Le moment est venu de considérer le lithium dans l’industrie maritime comme une solution rentable, fiable et performante. Aucun constructeur de véhicules électriques qui se respecte n’utiliserait encore aujourd’hui des technologies de batteries à base de plomb. Il est temps pour l’industrie maritime de rattraper son retard ?