Warum beträgt die C-Rate der Energiespeicherbatterie – privat und gewerblich – 0,5 C?

Energiespeichersysteme und Inselsysteme enthalten Batterien. Ein wichtiger Leistungsindikator für Batterien ist die Lade- und Entladegeschwindigkeit bzw. die Lade- und Entladekapazität. In den technischen Anforderungen oder den technischen Batterieparametern findet man häufig den Parameter „xxC“, z. B. „0,2C“, „0,3C“, „1C“ oder „2C“. Bei Energiespeichersystemen ist „0,5C“ am gebräuchlichsten. Warum ist 0,5C also der gebräuchlichste Wert?

1. Was ist „C“?

C ist der Anfangsbuchstabe der Ladungseinheit Coulomb. Dieses Konzept wurde erstmals vom französischen Physiker Coulomb vorgeschlagen und definiert die Strommenge, die in einer Sekunde durch den Querschnitt eines Drahtes fließt. Bei Energiespeicherbatterien wird C verwendet, um die Lade- und Entladerate der Batterie anzugeben. Im Allgemeinen wird die Größe des Lade- und Entladestroms durch diese Lade- und Entladerate ausgedrückt. Eine Lade- und Entladerate von 1C bedeutet, dass die Energiespeicherbatterie ihren gesamten Strom innerhalb einer Stunde entladen kann; 2C bedeutet, dass die Energiespeicherbatterie ihren gesamten Strom innerhalb von 0,5 Stunden entladen kann.

2. Wie wird „C“ berechnet bzw. ermittelt?

C (Lade- und Entladerate) ist ein logisches Konzept und kein festes Konzept wie Stromstärke (A) und Spannung (V). Beispielsweise fließt durch einen Stromkreis ein Strom von 1 A. Unabhängig vom verwendeten Messgerät bleibt der Stromwert von 1 A gleich. Die Lade- und Entladekapazität von 1 C hängt ebenfalls mit der spezifischen Kapazität der Batterie zusammen. Bei einer Batterie mit einer Kapazität von 1 Ah beträgt der 1 C-Lade- und Entladestrom 1 A; bei einer Batterie mit einer Kapazität von 2 Ah beträgt der 1 C-Lade- und Entladestrom 2 A. Und so weiter.

Bei Energiespeicherbatteriesystemen basiert die übliche Designwahl einer Lade- und Entladerate von 0,5 C (dh die Batteriekapazität ist innerhalb von 2 Stunden vollständig geladen oder entladen) hauptsächlich auf den folgenden Hauptgründen:

1. Verlängerung der Akkulaufzeit

- Die Kosten für das Laden und Entladen mit hoher Rate:

Je höher die Lade- und Entladerate (C-Rate) der Batterie ist, desto schneller werden die Lithiumionen in das Elektrodenmaterial eingebracht bzw. daraus extrahiert. Dies führt zu:

- Verstärkte chemische Nebenreaktionen (wie z. B. Verdickung des SEI-Films, Elektrolytzersetzung);

- Erhöhte strukturelle Materialspannung (Elektrodenausdehnung/-kontraktion, Partikelbruch);

- Erhöhte innere Wärmeentwicklung (beschleunigte Alterung).

Diese Faktoren verkürzen die Lebensdauer der Batterie erheblich (z. B. kann eine Entladung von 1 C die Lebensdauer im Vergleich zu 0,5 C um 30–50 % verkürzen).

- Lebensdaueranforderungen von Energiespeicherszenarien:

Energiespeichersysteme (wie z. B. Energiespeicher für Privathaushalte oder Energiespeicher auf Netzebene) erfordern normalerweise eine Lebensdauer von mehr als 10 Jahren (mehr als 6.000 Zyklen).

Durch die Verwendung einer sanften Lade- und Entladestrategie von 0,5 C kann die Batteriedämpfungsrate verringert und die Anforderungen an eine lange Lebensdauer erfüllt werden.

2. Reduzieren Sie die Schwierigkeit des Wärmemanagements

-Die Beziehung zwischen Wärme und Geschwindigkeit:

Die durch den Innenwiderstand der Batterie erzeugte Wärme ist proportional zum Quadrat des Stroms (\(P = I^2 \cdot R\)).

- 0,5 C Strom: Angenommen, die Batteriekapazität beträgt 100 Ah und der Strom 50 A.

- 1C-Strom: Der Strom beträgt 100 A → die Wärme ist 4-mal so hoch wie beim vorherigen.

- Kosten und Risiken der Wärmeableitung:

Energiespeichersysteme verwenden üblicherweise große Batteriepakete und für den Betrieb mit hoher Rate sind komplexere Wärmeableitungssysteme (wie etwa Flüssigkeitskühlung) erforderlich, die teuer sind und das Ausfallrisiko erhöhen.

Das 0,5-C-Design vereinfacht das Wärmemanagement (natürliche Konvektion oder Luftkühlung können die Anforderungen erfüllen), senkt die Kosten und verbessert die Sicherheit.

3. Anpassung an die Anforderungen von Energiespeicher-Anwendungsszenarien

- Energieart vs. Leistungsart Anwendung:

- Energiespeichersystem: hauptsächlich Energieartanforderungen (wie Spitzenlastkappung und Talauffüllung, Photovoltaikspeicher), die eine langfristig stabile Energieabgabe und einen geringen Momentanleistungsbedarf erfordern;

- Leistungsbatterie (z. B. Elektrofahrzeuge): erfordert ein Leistungstypdesign (1C ~ 3C), um hohe Leistungsanforderungen wie Beschleunigung und Schnellladen zu erfüllen.

- Anwendbarkeit von 0,5 °C:

Am Beispiel eines typischen Energiespeichers im Haushalt:

- Die Batteriekapazität beträgt 10 kWh und die 0,5-C-Entladeleistung beträgt 5 kW, womit die meisten Haushaltslasten (Klimaanlage, Beleuchtung usw.) abgedeckt werden können.

- Wenn eine höhere Leistung erforderlich ist (z. B. bei kurzfristiger Stoßbelastung), kann dies durch die Systemauslegung (z. B. Erhöhung der Wechselrichterkapazität) gelöst werden, ohne die Batterierate zu erhöhen.

4. Ausnahmen in der Praxis

- Kurzfristige Hochleistungsszenarien:

Einige spezielle Energiespeicherszenarien (wie etwa Netzfrequenzregelung, USV-Notstromversorgung) erfordern eine schnelle Reaktion und können Batterien mit höherer Rate (wie etwa 1C bis 2C) verwenden, allerdings auf Kosten der Lebensdauer und der Kosten.

- Fortschritt der Batterietechnologie:

Mit der Weiterentwicklung von Festkörperbatterien, negativen Elektroden auf Siliziumbasis und anderen Technologien können Energiespeicherbatterien künftig möglicherweise höhere Raten (wie etwa 1C) unterstützen und gleichzeitig eine lange Lebensdauer beibehalten. Derzeit ist jedoch 0,5C noch immer die gängige Wahl.

Eine zu hohe Lade- und Entladerate beeinträchtigt die Lebensdauer der Batterie und sollte daher nicht zu hoch eingestellt werden.

Natürlich darf C auch nicht zu klein sein. Beispielsweise sind 0,1 C, 0,2 C und 0,3 C übliche Werte für Blei-Säure-Batterien. Der Ladestrom ist gering und die Ladegeschwindigkeit langsam. Obwohl dies die Batterie besser schützt, reduziert es in industriellen und gewerblichen Energiespeicherprojekten, in denen das staatliche Stromnetz Spitzen- und Talzeiten aufweist und der Hauptzweck darin besteht, Preisunterschiede zwischen Spitzen und Tal zu erzielen, offensichtlich die Anzahl der im gleichen Zeitraum geladenen und entladenen Kilowattstunden. Dadurch sinken die täglichen Einnahmen und die Amortisationszeit verlängert sich. Daher ist es nicht geeignet.

Insgesamt werden bei der Wahl einer Lade- und Entladerate von 0,5 C sowohl die Lade- und Entladefähigkeiten der Batterie als auch der Schutz der Batterielebensdauer berücksichtigt, wobei auch die Kompatibilität mit Spitzen- und Talperioden berücksichtigt wird.

Beispielsweise kann ein Einzelschranksystem mit 209 kWh oder 215 kWh und einem 100-kW-PCS innerhalb von zwei Stunden vollständig geladen oder entladen werden. Dies entspricht den von den lokalen Stromnetzbetreibern festgelegten Spitzen- und Talzeiten. Das Laden und Entladen kann innerhalb der entsprechenden Zeitspanne erfolgen, sodass weder Strom noch Zeit verschwendet werden und die erwarteten Vorteile erzielt werden können. Dies ist sinnvoll.

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