Tại sao tỷ lệ C của pin lưu trữ năng lượng -- dân dụng và thương mại -- lại là 0,5C?

Hệ thống lưu trữ năng lượng và hệ thống ngoài lưới điện chứa pin, và một chỉ số hiệu suất quan trọng của pin là tốc độ sạc và xả hoặc dung lượng sạc và xả. Bạn thường có thể thấy tham số "xxC" trong các yêu cầu kỹ thuật hoặc thông số kỹ thuật của pin, chẳng hạn như "0,2C", "0,3C", "1C" hoặc "2C". Trong hệ thống lưu trữ năng lượng, phổ biến nhất là "0,5C", vậy tại sao 0,5C lại phổ biến nhất?

1. "C" là gì?

C là chữ cái đầu tiên của đơn vị điện tích, Coulomb. Khái niệm này lần đầu tiên được đề xuất bởi nhà vật lý người Pháp Coulomb và định nghĩa lượng điện chạy qua diện tích mặt cắt ngang của một dây dẫn trong 1 giây. Trong pin lưu trữ năng lượng, C được sử dụng để chỉ tốc độ sạc và xả của pin. Nhìn chung, kích thước của dòng điện sạc và xả được thể hiện bằng tốc độ sạc và xả này. Tốc độ sạc và xả 1C có nghĩa là pin lưu trữ năng lượng có thể xả hết điện trong vòng 1 giờ; 2C có nghĩa là pin lưu trữ năng lượng có thể xả hết điện trong vòng 0,5 giờ.

2. "C" được tính toán hoặc thu được như thế nào?

C (tốc độ sạc và xả) là một khái niệm logic hơn là một khái niệm cố định như dòng điện (A) và điện áp (V). Ví dụ, một mạch điện chạy qua một dòng điện 1A. Bất kể sử dụng thiết bị nào để đo, giá trị dòng điện 1A đều như nhau. Đối với khả năng sạc và xả 1C, nó cũng liên quan đến dung lượng cụ thể của pin. Đối với pin có dung lượng 1Ah, dòng điện sạc và xả 1C của nó là 1A; đối với pin có dung lượng 2Ah, dòng điện sạc và xả 1C của nó là 2A. Và cứ như vậy.

Trong các hệ thống pin lưu trữ năng lượng, lựa chọn thiết kế phổ biến là tốc độ sạc và xả 0,5C (tức là dung lượng pin được sạc đầy hoặc xả hết trong vòng 2 giờ) chủ yếu dựa trên các lý do cốt lõi sau:

1. Kéo dài tuổi thọ pin

- Chi phí nạp và xả cước cao:

Tốc độ sạc và xả pin (C-rate) càng cao thì tốc độ đưa/lấy ion lithium ra khỏi vật liệu điện cực càng nhanh, dẫn đến:

- Tăng cường các phản ứng phụ về mặt hóa học (như làm dày màng SEI, phân hủy chất điện phân);

- Tăng ứng suất cấu trúc vật liệu (giãn nở/co lại của điện cực, vỡ hạt);

- Tăng sinh nhiệt bên trong (tăng tốc độ lão hóa).

Các yếu tố này sẽ làm giảm đáng kể tuổi thọ của pin (ví dụ, xả 1C có thể làm giảm tuổi thọ pin từ 30%-50% so với xả 0,5C).

- Yêu cầu về tuổi thọ của các kịch bản lưu trữ năng lượng:

Hệ thống lưu trữ năng lượng (như lưu trữ năng lượng tại nhà, lưu trữ năng lượng lưới điện) thường có tuổi thọ hơn 10 năm (hơn 6000 chu kỳ).

Việc sử dụng chiến lược sạc và xả nhẹ 0,5C có thể làm giảm tốc độ suy giảm của pin và đáp ứng các yêu cầu về tuổi thọ dài.

2. Giảm bớt khó khăn trong quản lý nhiệt

-Mối quan hệ giữa nhiệt lượng và tốc độ:

Nhiệt lượng tỏa ra từ điện trở trong của pin tỉ lệ thuận với bình phương cường độ dòng điện (\(P = I^2 \cdot R\)).

- Dòng điện 0,5C: Giả sử dung lượng pin là 100Ah và dòng điện là 50A;

- Dòng điện 1C: Dòng điện là 100A → nhiệt tỏa ra gấp 4 lần dòng điện trước.

- Chi phí và rủi ro tản nhiệt:

Hệ thống lưu trữ năng lượng thường sử dụng bộ pin quy mô lớn và hoạt động ở tốc độ cao đòi hỏi hệ thống tản nhiệt phức tạp hơn (như làm mát bằng chất lỏng), tốn kém và làm tăng nguy cơ hỏng hóc.

Thiết kế 0,5C giúp đơn giản hóa việc quản lý nhiệt (đối lưu tự nhiên hoặc làm mát bằng không khí có thể đáp ứng các yêu cầu), giảm chi phí và cải thiện độ an toàn.

3. Phù hợp với yêu cầu của các kịch bản ứng dụng lưu trữ năng lượng

- Ứng dụng loại năng lượng so với loại công suất:

- Hệ thống lưu trữ năng lượng: chủ yếu là các yêu cầu về loại năng lượng (như cắt đỉnh và lấp đầy thung lũng, lưu trữ quang điện), đòi hỏi sản lượng năng lượng ổn định lâu dài và yêu cầu công suất tức thời thấp;

- Pin nguồn (như xe điện): yêu cầu thiết kế loại nguồn điện (1C~3C) để đáp ứng các yêu cầu công suất cao như tăng tốc và sạc nhanh.

- Khả năng áp dụng 0,5C:

Lấy ví dụ về việc lưu trữ năng lượng thông thường trong gia đình:

- Dung lượng pin là 10kWh, công suất phóng điện 0,5C là 5kW, có thể đáp ứng được hầu hết các nhu cầu sử dụng trong gia đình (điều hòa, chiếu sáng, v.v.);

- Nếu cần công suất cao hơn (như tải tác động ngắn hạn), có thể giải quyết thông qua thiết kế hệ thống (như tăng công suất biến tần) mà không cần tăng tỷ lệ ắc quy.

4. Ngoại lệ trong các ứng dụng thực tế

- Kịch bản công suất cao trong ngắn hạn:

Một số tình huống lưu trữ năng lượng đặc biệt (như điều chỉnh tần số lưới điện, nguồn điện dự phòng UPS) yêu cầu phản ứng nhanh và có thể sử dụng pin tốc độ cao hơn (như 1C~2C), nhưng phải đánh đổi bằng tuổi thọ và chi phí.

- Tiến bộ công nghệ pin:

Với sự phát triển của pin thể rắn, điện cực âm gốc silicon và các công nghệ khác, pin lưu trữ năng lượng có thể hỗ trợ tốc độ cao hơn (như 1C) trong khi vẫn duy trì tuổi thọ cao trong tương lai, nhưng 0,5C vẫn là lựa chọn phổ biến hiện nay.

Tốc độ sạc và xả quá lớn sẽ ảnh hưởng đến tuổi thọ của pin, vì vậy không nên đặt tốc độ quá cao;

tất nhiên, C cũng không quá nhỏ. Ví dụ, 0,1C, 0,2C và 0,3C là các mức giá phổ biến trên ắc quy chì-axit. Dòng điện sạc nhỏ và tốc độ chậm. Mặc dù nó bảo vệ ắc quy tốt hơn, nhưng trong các dự án lưu trữ năng lượng công nghiệp và thương mại, nơi Lưới điện Nhà nước có các giai đoạn đỉnh-thung lũng-bằng phẳng và mục đích chính là để có được lợi ích chênh lệch giá đỉnh-thung lũng, thì rõ ràng sẽ làm giảm số lượng KWh được nạp và xả trong cùng một khoảng thời gian, do đó làm giảm thu nhập hàng ngày và kéo dài thời gian hoàn vốn, vì vậy nó không phù hợp.

Nhìn chung, việc lựa chọn tốc độ sạc và xả 0,5C sẽ tính đến cả khả năng sạc và xả của pin cũng như khả năng bảo vệ tuổi thọ của pin, đồng thời cũng tính đến khả năng tương thích với các giai đoạn cao điểm và thấp điểm.

Ví dụ, hệ thống tủ đơn 209KWh hoặc 215KWh, với PCS 100KW, có thể sạc đầy hoặc xả đầy trong 2 giờ, phù hợp với thời gian cao điểm và thời gian thấp điểm do các công ty lưới điện địa phương chỉ định. Có thể sạc và xả trong khoảng thời gian tương ứng, do đó không lãng phí điện năng và thời gian, và có thể đạt được lợi ích mong đợi, điều này là hợp lý.

Pin lithium năng lượng mặt trời Hope Light dùng cho dân dụng và thương mại: