バッテリー充電時間計算ツール: 完全に充電するまでの時間

私は裏口からこの業界に入りました。倉庫のパネルのアップグレードを行う電気請負業者としてスタートしましたが、バッテリーに関する質問を受け続けて答えられず、最終的には配線よりも電源システムに多くの時間を費やすようになりました。それは 2016 年のことでした。8 年後、私は中西部と南東部で約 400 台のフォークリフトのバッテリー設置に携わり、そのほとんどが鉛酸からリチウムへの変換でした。-

 

充電時間に関する質問は、ほぼすべての営業電話で聞かれます。艦隊管理者は番号を求めています。 「どれくらい充電するの？」単純な質問、複雑な答え。誰もがオンラインで使用している簡単な計算式を使えば、あなたは大成功を収めることができます。しかし、私は同じ計算式がインディアナポリスの冷蔵施設で 34 万ドルの間違いを引き起こすのを見てきました。彼らは、理論上の数値に基づいて充電インフラのサイズを決定したところ、冷凍庫のステージングエリアの周囲温度 2 度を誰も考慮していなかったため、実際の充電時間が 40% 長くかかることがわかりました。最初から行うべきだった電気設備のアップグレードの予算承認を得るまでに 8 か月かかりました。

 

それでは、充電時間の計算において実際に何が重要なのか、そしてさらに重要なことに、調達の決定において数値が何を意味するのかを説明しましょう。

公式とその公式が嘘をつく理由

基本的な計算はオンラインのどこにでもあります。

200Ah バッテリーと 20A 充電器の場合、10 時間かかります。終わり。

ただし、そのようには機能しません。この式は 100% の充電効率を前提としていますが、そんなことは存在しません。すべてのバッテリーの化学的性質は、充電中にエネルギーを失います。 LiFePO4 は、セルの品質と温度に応じて 95% ～ 98% で動作します。私がテストした CATL 280Ah セルは室温で 97.8% に達しましたが、昨年のティア 3 サプライヤーからの低価格セルのバッチでは、同一条件下で 93.2% しか管理できませんでした。 NMC の化学的性質は通常 90% から 95% の間にあります。鉛酸は世界中に存在しており、寒い気候の古いバッテリーでは 68% から、最適な温度では新しいバッテリーではおそらく 85% に達します。

効率を調整した式:{0}:

200Ah のバッテリーを 20A で効率 95% で駆動するには、実際には 10.5 時間かかります。 85% の鉛酸効率では、11.8 時間かかることになります。{6}}

しかし、ほとんどの計算機はここで止まり、本当の問題はここから始まります。

CC-CV 充電: 最後の 20% に永遠に時間がかかる理由

すべてのリチウム充電器は 2 段階のプロセスを使用します。-最初の段階は定電流で、電圧が上限に達するまで充電器が安定したアンペア数をバッテリーに送り込みます。 LiFePO4 の場合、セルあたり 3.65V、つまり標準 48V パックでは 58.4V になります。 NMC はセルあたり 4.2V でカットオフします。

定電流により、充電状態は約 80% になります。この部分については、単純な公式がかなりうまく機能します。

その後、充電器は定電圧モードに切り替わります。電圧は一定のままですが、電流は徐々に減少します。電流が元の CC 値の約 3% に低下すると、バッテリーは「フル」になります。このフェーズでは残りの 20% が満たされますが、総充電時間の 30% ～ 40% を消費する可能性があります。

メンフィスの配送センターから充電ログを見せられるまで、これは単なる技術的な詳細だと思っていました。彼らは、リニア充電を想定した計算に基づいて、2.5 時間後に充電器が切断されるようにプログラムしていました。どのバッテリーも SOC 83% ～ 86% で停止していました。オペレーターは、8 時間の実行時間があり、6.5 ～ 7 の結果が出ていると考えていました。誰かが BMS データを取得するまで、生産性の数値は意味がありませんでした。

CV フェーズの持続時間も、バッテリーが古くなると増加します。 Battery University に関する記事 BU-409 では、この現象について詳しく説明しています。残存容量が 82% ある劣化したセルは、充填できる容量が少ないため、より速く充電されません。実際には、新しいセルとほぼ同じ合計時間がかかります。これは、セルがより早く CV モードに入り、低電流テーパでより長く費やすためです。彼らの例えは役に立ちます。若いアスリートはほとんど速度を落とさずにゴールまで全力疾走しますが、年配のランナーは途中から歩き始めます。

実際に重要な温度の影響

スペックシートは 25 度でのパフォーマンスを示しています。充電エリアで年間を通じて 25 度を維持している倉庫を見たことがありません。-

20 度から 25 度の間では、すべてが期待どおりに機能します。これがあなたのベースラインです。

5 度から 20 度の間では、容量が 5% ～ 15% 減少し、充電時間がわずかに長くなります。ほとんどの操作では気付かれません。

0 度から 5 度の間では、まともなシステムの BMS は充電電流のディレーティングを開始します。充電時間は 2 倍または 3 倍になることが予想されます。 48V 400Ah パックを測定したところ、22 度では 2.5 時間で充電でき、3 度では 7 時間以上かかりました。

0度以下になると危険です。氷点下で LiFePO4 を充電すると、アノード表面にリチウム メッキが発生します。この損傷は永続的かつ累積的であり、発生するたびに容量とサイクル寿命の両方が低下します。適切な BMS はこれらの温度での充電を完全にブロックしますが、警告灯が表示されるだけでオペレーターがオーバーライドできる安価なシステムに遭遇したことがあります。 0 度以下で充電できる BMS を決して信用しないでください。 Battery University に関する記事 BU-410 では、リチウム メッキのメカニズムが文書化されており、損傷の顕微鏡画像が示されています。

45 度を超えると、充電によって劣化が著しく加速されます。夏に充電エリアが高温になる場合は、充電器の位置を変更するか、換気を追加してください。空気の流れのない南向きの積み込みドックの横で充電していたパックが、ひと夏で容量の 15% を失ったのを見たことがあります。-

実際的なポイント: 充電時間の計算には温度補正係数が必要です。以下の表は、私がプロジェクトの見積もりに使用するものを示しています。

誰も語らない容量選択の問題

ほとんどのオンライン ディスカッションでは、バッテリー容量は単純な「大きいほど良い」という質問として扱われます。実際には、セル サイズの選択によって、充電動作、熱管理、長期信頼性に影響を与えるトレードオフが生じます。-

280Ah や 314Ah フォーマットのような大型角形セルは、kWh あたりのコストが低くなります。ただし、表面の-対-の体積比は小さいため、熱をよりよく保持しますが、コールドソークからの温まりも遅くなります。

私は昨年の冬に、同じメーカーの 100Ah と 280Ah のセルで比較テストを実行しました。当社の標準加熱システムを使用すると、-15 度から開始して 100Ah セルは 14 分で安全な充電温度に達しました。 280Ah セルには 23 分かかりました。充電サイクルごとにほぼ 10 分の違いがあります。

予測可能な充電ウィンドウを持つスケジュールされたシフト操作の場合、これは問題にならない可能性があります。 30 分前にヒーターを始動すれば、必要なときにバッテリーが使えるようになります。不規則なディスパッチを伴うオンデマンド アプリケーションの場合、その余分な 10 分がオペレーション全体に波及する可能性があります。-

もう 1 つの問題は、セル間の一貫性です。{0}}- 100Ah セルで構築されたパックには、バランスを保つ必要があるより多くの個々のセルが含まれています。しかし、これらの小さなセルは、製造中の温度勾配が小さいため、バッチ内でより厳密な一貫性を示す傾向があります。ある顧客は、特に BMS が電圧差について常に警告を発していたために、320Ah セルから 100Ah セルに切り替えました。 320Ah パックでは、セル間で 50mV の広がりが日常的に示されました。 100Ah 交換パックは 15mV 未満にとどまります。

BMS のバランスは充電サイクルの最後に行われるため、これは充電時間にとって重要です。電圧差が大きいほどバランス時間が長くなり、真の完全充電に達するまでの合計時間が長くなります。

C-レートの選択と実際の-世界の充電時間

C- レートは、充電電流を容量の倍数で表します。 100Ah のバッテリーを 1C で充電すると、100 アンペアが供給されます。 0.5C では 50 アンペアを受信します。

CV フェーズのため、C- レートと充電時間の関係は線形ではありません。充電電流を 2 倍にしても、総充電時間は半分にはなりません。

0.5C では、一般的な LiFePO4 パックは SOC 80% に達するまでに CC モードで約 100 分かかり、充電が完了するまでに CV モードでさらに 40 ～ 50 分かかります。合計約2.5時間。

1C では、CC フェーズは約 50 分に短縮されますが、CV フェーズは依然として 35 ～ 45 分かかります。合計約1.5時間。

電流を 2 倍にしましたが、合計時間は 40% しか短縮されませんでした。 CV 位相は CC レートに関係なく比較的固定されています。

2℃ (細胞がサポートしている場合) では、CC フェーズは約 25 分に低下し、CV フェーズは約 30 ～ 40 分のままになります。合計約1時間。 0.5C と比較して電流は 4 倍になりましたが、時間は 60% しか短縮されませんでした。

発熱柱は重要です。 C- レートが高いほど、セル内で熱として失われるエネルギーが多くなります。適切な熱管理がないと、充電中にセルの温度が上昇し、BMS ディレーティングが引き起こされ、充電時間が延長され、急速充電の目的が部分的に無効になります。 BMS がサイクルの半分を熱保護モードで費やすため、高温環境では 2C- 定格のシステムが実際に 1C システムよりも時間がかかるのを見てきました。

充電時間は車両経済に適合するか

ここで調達に関する決定が行われます。充電時間は単なる技術仕様ではありません。それは、必要なバッテリーの数、必要な充電器の数、電気インフラが負荷に対応できるかどうかに直接影響します。

昨年、2 つのシフトにわたって 36 台のクラス 1 座り式フォークリフトを稼働させているダラスの 3PL 業務で行った実際の比較を見てみましょう。-

シナリオ A: バッテリー交換を伴う鉛酸-

伝統的なアプローチ。各フォークリフトには 3 つのバッテリー セットが必要です。1 つは動作中、1 つは充電、もう 1 つは冷却です。鉛-酸バッテリーは、8 時間の充電時間と、再使用する前に 8 時間のクールダウンが必要です。合計 108 個のバッテリー (48V 600Ah ユニットでそれぞれ約 4,200 ドル)。

年間の運用コストには、電気代（鉛酸の往復効率が約 80% であるため、重大な損失が発生することを意味します）、給水とメンテナンスの人件費、電池室の HVAC、交換用予備費が含まれます。頻繁に使用する用途における鉛酸--は、通常 1,500～2,000 サイクル持続します。これは、2 交代勤務で 3～4 年に相当します。{12}}

シナリオ B: 機会充電によるリチウム

LiFePO4 バッテリーは、休憩中に損傷やクールダウンを必要とせずに充電できます。各フォークリフトには 1 つのバッテリーが必要です。合計 36 個のバッテリーで、同等の 48V 400Ah LFP ユニットでそれぞれ約 $11,800 です（寿命を保つために 50% 以上に維持する必要がある鉛酸とは異なり、リチウムは放電全体を通じて全容量を提供するため、必要な容量は小さくなります）。{8}}

年間運営コストから次のことがわかります。

交換予備量の計算では、この用途における鉛蓄電池の寿命が平均 3.5 年であると想定しており、1 個あたり 3,650 ドルで年間約 31 個の電池を交換する必要があります（アカウントが確立されると、交換の価格はわずかに下がります）。{0} LiFePO4 は、この用途において 10 年間保証されており、交換の予定はありません。

8 年間の TCO の概要:

リチウム オプションのコストは 8 年間で 69% 削減されます。初期投資の差額は 5 か月目に回収されます。

この特定の分析では、ダラスの顧客からの数値が使用されました。数値は、電気料金、人件費、シフトパターン、地域の建設コストによって異なります。しかし、その差の大きさは、ほとんどの複数シフト業務で私が見ているものを代表するものです。-

シングルシフト演算: 異なる計算

単一シフトの施設では経済性が大幅に変わります。{0}}機器が毎日 14 ～ 16 時間アイドル状態にある場合、バッテリー交換の手間がなくなり、鉛蓄電池は 1 つのバッテリー セットで適切に充電して冷却する時間が確保されます。{4}}

20 台のフォークリフトの 1 シフト作業の場合:{1}:

依然としてリチウムが勝っていますが、その差ははるかに小さくなっています。投資回収には 5 か月ではなく 4 ～ 5 年かかります。長期計画が不確実な事業の場合、これによりリスク計算が変更されます。-

このような状況に陥ったお客様に、特に 5 年後もその施設に留まるかどうかわからないという理由で鉛酸を選んだことがあります。{0}それは正当なビジネス上の決定です。

BMS が充電時間に与える影響

バッテリー管理システムは、充電中に実際に何が起こるかを制御します。私がトラブルシューティングするほとんどの充電問題の原因は、安価な BMS 設計です。

充電時間に影響を与える 3 つの BMS 動作:

セル電圧測定精度。工業用グレードの BMS ユニットは、個々のセルの電圧を ±2mV 以内で測定します。{0}}バジェットユニットでは、±10mV しか達成できない場合があります。 16 セルの直列ストリングでは、累積誤差が 160mV に達する可能性があります。これにより、CV モードへの早期エントリ、誤ったバランシング トリガー、および一貫性のない充電終了が発生します。ディスプレイ上では「100%」と表示されているパックを見たことがありますが、実際には測定したセルに応じて 94% から 102% の間でした。

現在と戦略のバランスを取る。パッシブバランスは、抵抗を介して過剰なエネルギーを熱として放散します。アクティブバランシングはセル間でエネルギーを転送します。パッシブバランシングは通常 50 ～ 200mA で動作します。つまり、セル間の 1% の SOC 差のバランスを取るには 5 ～ 20 時間かかります。ほとんどの BMS ユニットは充電曲線の上部または下部でのみバランスをとるため、100% まで充電しないとバランスが実行されない可能性があります。アクティブなバランス調整には 15% ～ 25% 多くのコストがかかりますが、不均衡の処理ははるかに速くなります。

熱軽減曲線。セルの温度が上昇すると、適切に設計された BMS が充電電流を減らし、損傷を防ぎます。{0}問題は、これらのディレーティング曲線がメーカーによって大きく異なることです。私は、35 度で電流を 50% カットする BMS ユニットや、45 度までフル電流を維持する BMS ユニットを見てきました。どちらも必ずしも間違っているわけではありませんが、暖かい環境では充電時間が大きく異なります。

実際の BMS パラメータについては、サプライヤーに問い合わせてください。セルごとの測定精度、電流とトリガーしきい値のバランス、熱ディレーティング曲線です。これらを提供できない場合は、別のサプライヤーを探してください。

よくある調達ミス

間違い 1: 理論上の充電時間をインフラストラクチャのサイジングに使用している。

充電器と電気サービスは、計算ではなく実際の充電時間を処理する必要があります。最低 20% のマージンを組み込みます。わずかにサイズを大きくするコストは、後で改修するコストよりもはるかに低くなります。

間違い 2: 季節変動を無視する。

春には完璧に機能するシステムでも、冬にはうまく機能しない可能性があります。施設が空調管理されていない場合は、予想される極端な温度での充電時間データを取得してください。-

間違い 3: すべてのリチウムを同等のものとして扱う。

異なるメーカーの LiFePO4 の性能は異なります。セルの品質、BMS 設計、熱管理はすべて、実際の充電時間に影響します。-一般的な「リチウム電池」の仕様ではなく、購入する特定の製品に関するテストデータが必要です。

間違い 4: 老化のことを忘れてしまう。

バッテリーが古くなると充電時間は長くなります。新品の時点ではほとんどニーズを満たしていないシステムでも、3 年目か 4 年目には不十分になります。耐用年数の初めではなく、耐用年数の終了時のパフォーマンスを考慮して設計してください。--

間違い 5: 完全な放電サイクルに基づいて計算しています。

ほとんどの操作ではバッテリーが空になることはありません。一般的なサイクルが 60% 放電の場合、充電時間の計算には 100% ではなく 60% を使用する必要があります。フルサイクルに基づいて過剰なサイジングを行うと、インフラストラクチャの容量が無駄になります。

プロジェクト見積り早見表

これらの数値は、室温でバッテリーが正常であることを前提としています。実際の状況に合わせて調整してください。

業務の正確な数値を取得する

一般的な計算機は一般的な答えを返します。多額の資本を伴う調達の決定には、特定の機器、環境、運用パターンに基づいた計算が必要です。

Polinovel ではプロジェクトのスコーピングの一環として、詳細な充電時間分析を実行しています。現在のバッテリーの仕様、シフトスケジュール、施設の温度範囲、充電時間枠の空き状況を送信してください。予想される充電時間をモデル化し、さまざまな構成がインフラストラクチャ要件と TCO にどのような影響を与えるかを示します。

10 ユニットを超えるプロジェクトの分析は無料です。小規模なプロジェクトの場合でも、よくあるサイジングの間違いを犯していないかどうかを確認するために、話し合う価値はあります。

連絡先: sales@polinovelpowbat.com

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データ テーブルは、複数のメーカーおよびアプリケーションにわたって観察された典型的な性能範囲を反映しています。具体的な結果は、セルの品質、BMS 構成、環境条件、および動作パターンによって異なります。 LiFePO4 の化学的性質に基づく温度補正係数。 NMC と他の化学的性質は異なる場合があります。 TCO の計算には、本文に記載されている仮定が使用されます。実際の結果にはサイト固有の分析が必要です-。

参考文献:
1. Battery University、「BU-409: リチウム-イオンの充電」および「BU-410: 高温および低温での充電」(batteryuniversity.com/article/bu-409-charging-lithium-}ion, Batteryuniversity.com/article/bu-410-高温および低温での充電)
2. ブルームバーグNEF、「2024年バッテリー価格調査」世界全体の平均パック価格が139ドル/kWhに低下していることを記録 (about.bnef.com)