¿Por qué la tasa C de las baterías de almacenamiento de energía (residenciales y comerciales) es de 0,5 C?

Los sistemas de almacenamiento de energía y los sistemas aislados contienen baterías, y un indicador importante de rendimiento de las baterías es la velocidad o capacidad de carga y descarga. Es frecuente encontrar el parámetro "xxC" en los requisitos técnicos o parámetros técnicos de la batería, como "0,2C", "0,3C", "1C" o "2C". En los sistemas de almacenamiento de energía, el valor más común es "0,5C", entonces, ¿por qué es 0,5C el más común?

1. ¿Qué es "C"?

C es la primera letra de la unidad de carga, Coulomb. Este concepto fue propuesto por primera vez por el físico francés Coulomb y define la cantidad de electricidad que pasa a través de la sección transversal de un cable en 1 segundo. En las baterías de almacenamiento de energía, C se utiliza para indicar la velocidad de carga y descarga de la batería. Generalmente, la magnitud de la corriente de carga y descarga se expresa mediante esta velocidad de carga y descarga. Una velocidad de carga y descarga de 1C significa que la batería de almacenamiento de energía puede descargar toda su electricidad en 1 hora; 2C significa que puede descargar toda su electricidad en 0,5 horas.

2. ¿Cómo se calcula u obtiene “C”?

C (velocidad de carga y descarga) es un concepto lógico, no un concepto fijo como la corriente (A) y el voltaje (V). Por ejemplo, un circuito pasa una corriente de 1 A. Independientemente del dispositivo utilizado para medirla, el valor de corriente de 1 A es el mismo. En cuanto a la capacidad de carga y descarga de 1 C, también está relacionada con la capacidad específica de la batería. Para una batería con una capacidad de 1 Ah, su corriente de carga y descarga de 1 C es de 1 A; para una batería con una capacidad de 2 Ah, su corriente de carga y descarga de 1 C es de 2 A. Y así sucesivamente.

En los sistemas de baterías de almacenamiento de energía, la elección de diseño común de una tasa de carga y descarga de 0,5 C (es decir, la capacidad de la batería se carga o descarga por completo en 2 horas) se basa principalmente en las siguientes razones fundamentales:

1. Prolongar la vida útil de la batería

- El coste de la carga y descarga de alta tasa:

Cuanto mayor sea la tasa de carga y descarga de la batería (tasa C), más rápido se insertarán/extraerán los iones de litio del material del electrodo, lo que dará como resultado:

- Reacciones químicas secundarias intensificadas (como engrosamiento de la película SEI, descomposición de electrolitos);

- Aumento de la tensión estructural del material (expansión/contracción del electrodo, ruptura de partículas);

- Aumento de la generación de calor interno (envejecimiento acelerado).

Estos factores acortarán significativamente el ciclo de vida de la batería (por ejemplo, una descarga de 1 C puede reducir la vida útil entre un 30 % y un 50 % en comparación con 0,5 C).

- Requisitos de vida de los escenarios de almacenamiento de energía:

Los sistemas de almacenamiento de energía (como el almacenamiento de energía doméstico o el almacenamiento de energía a nivel de red) generalmente requieren una vida útil de más de 10 años (más de 6000 ciclos).

El uso de una estrategia de carga y descarga suave de 0,5 C puede reducir la tasa de atenuación de la batería y cumplir con los requisitos de larga vida útil.

2. Reducir la dificultad de la gestión térmica

-La relación entre el calor y la velocidad:

El calor generado por la resistencia interna de la batería es proporcional al cuadrado de la corriente (\(P = I^2 \cdot R\)).

- Corriente de 0,5 C: Supongamos que la capacidad de la batería es de 100 Ah y la corriente es de 50 A;

- Corriente 1C: La corriente es de 100A → el calor es 4 veces mayor que el anterior.

- Costo y riesgo de disipación de calor:

Los sistemas de almacenamiento de energía suelen utilizar paquetes de baterías de gran escala y su funcionamiento a alta velocidad requiere sistemas de disipación de calor más complejos (como refrigeración líquida), que son costosos y aumentan el riesgo de fallas.

El diseño de 0,5 °C simplifica la gestión térmica (la convección natural o el enfriamiento por aire pueden satisfacer los requisitos), reduce los costos y mejora la seguridad.

3. Adecuación a los requisitos de los escenarios de aplicación del almacenamiento de energía

- Aplicación de tipo de energía vs. tipo de potencia:

- Sistema de almacenamiento de energía: principalmente requisitos de tipo energético (como reducción de picos y relleno de valles, almacenamiento fotovoltaico), que requieren una producción de energía estable a largo plazo y bajos requisitos de potencia instantánea;

- Batería de energía (como vehículos eléctricos): requiere un diseño de tipo de energía (1C ~ 3C) para cumplir con los requisitos de alta potencia, como aceleración y carga rápida.

- Aplicabilidad de 0,5C:

Tomemos como ejemplo el almacenamiento de energía de un hogar típico:

- La capacidad de la batería es de 10 kWh y la potencia de descarga de 0,5 C es de 5 kW, lo que puede cubrir la mayoría de las cargas domésticas (aire acondicionado, iluminación, etc.);

- Si se requiere mayor potencia (por ejemplo, una carga de impacto a corto plazo), se puede solucionar mediante el diseño del sistema (por ejemplo, aumentando la capacidad del inversor) sin aumentar la capacidad de la batería.

4. Excepciones en aplicaciones reales

- Escenarios de alta potencia a corto plazo:

Algunos escenarios especiales de almacenamiento de energía (como regulación de frecuencia de red, energía de respaldo UPS) requieren una respuesta rápida y pueden usar baterías de mayor capacidad (como 1C~2C), pero a expensas de la vida útil y el costo.

- Avances en la tecnología de las baterías:

Con la madurez de las baterías de estado sólido, los electrodos negativos basados ​​en silicio y otras tecnologías, las baterías de almacenamiento de energía pueden soportar tasas más altas (como 1C) y al mismo tiempo mantener una larga vida útil en el futuro, pero 0,5C sigue siendo la opción principal en la actualidad.

Una tasa de carga y descarga demasiado alta afectará la vida útil de la batería, por lo que no debe configurarse demasiado alta;

Por supuesto, C tampoco es demasiado pequeño. Por ejemplo, 0,1 C, 0,2 C y 0,3 C son valores comunes en baterías de plomo-ácido. La corriente de carga es baja y la velocidad es lenta. Si bien protege mejor la batería, en proyectos de almacenamiento de energía industriales y comerciales donde la Red Eléctrica Estatal tiene períodos de máxima y mínima demanda y el objetivo principal es obtener beneficios de la diferencia de precio, obviamente reducirá la cantidad de kWh cargados y descargados en el mismo período, lo que reducirá los ingresos diarios y prolongará el período de recuperación, por lo que no es adecuado.

En general, la elección de una tasa de carga y descarga de 0,5 C tiene en cuenta tanto las capacidades de carga y descarga de la batería como la protección de la vida útil de la batería, además de tener en cuenta la compatibilidad con los períodos pico y valle.

Por ejemplo, un sistema de un solo gabinete de 209 kWh o 215 kWh, con un sistema de suministro de energía de 100 kW, puede cargarse o descargarse completamente en 2 horas, lo cual coincide con la duración de los períodos de máxima y mínima establecidos por las compañías eléctricas locales. La carga y la descarga pueden realizarse dentro del período correspondiente, evitando así el desperdicio de energía y tiempo, y obteniendo los beneficios esperados, lo cual es razonable.

Batería de litio solar Hope Light para uso residencial y comercial: