Li battery for boat....Li ion or Lifepo4?


把船上的鉛酸電池換成锂離子電池(或锂鐵電池)的幾個考慮點:
Pro:

  • 壽命較長: recharge cycle的次數約是鉛酸電池的5倍左右
  • 放電能力高: 瞬間放電電流高, 對於需要大電流輸出的絞盤, 側推都會有比較好的表現
  • 電能容量大:一般表現最好的鉛蓄電池是deep cycle電池, 會比一搬鉛電池貴上一截,但是最高放電能量約是50%, 假設一顆標示100AH的深度循環電池,最多可以放到50AH, 就必須充電...然而鋰電池(不論li ion or LifePo4)都是可以放到80%再充電
    • 這個截止的百分比(最後放電電壓)是以可以達到標示的charge cycle為根據,也就是說放得越低, 電池壽命越短
    • (Li電池基本上是放電到最低安全電壓時的總電量來做為標示,這樣比較下,我就懷疑鉛蓄電池標示的電容量是如何量測的?)
  • 以單位電容量來說, Li 電池都要比任何形式的鉛蓄電池要輕很多...
  • 下圖是單一cell的鉛電池(2V)對LifePo4的單位重量放電量的比較,可以看出相同重量的電池在電量密度上的差異,3倍以上

下表是以放電量相近的電池做比較,這是通常想把鉛蓄電池換成鋰鐵電池的人會想 到的比較數據,要注意的是這裡的energy標示是以Wh, 而不是一般電池上的Ah, 

60Ah SuperPack

90Ah AGM

Weight
9.5kg27kg
Size (mm)
229 x 138 x 213350 x 167 x 183
Useable energy @ 25°C
614Wh540Wh
Cycle life
2,500 cycles600 cycles
Cost
x 2.5 (approx) x 1

 另外一個Li電池的特點是,放電時的電壓維持得比較好,下圖是48V電池的放電曲線, 可以觀察到鉛酸電池的電壓不不能維持得很好, 鋰電池,則是到了容量的最後面, 電壓才會大幅下滑

 lifepo4

 Con: 鋰電池的缺點:

  • 貴: 雖然marine grade的電池已經比一般鉛電池貴上一截, 但是鋰電池還是貴上一些, 雖然鋰電池本體的價格這在逐漸下滑,但是必須加上鋰電池需要的 battery management system, 再加上充電設備也有升級的必要, 整體來說, 鋰電池系統的建置費用,會貴上一截,但是以長期使用的角度來說是比較划算的
  • 安全性的問題: 鉛蓄電池一般來說不太會有爆炸的風險(我聽過鉛蓄電池爆炸的,一般是充電充過頭變成電解水, 累積的氫氣碰到火花爆炸, 另外一種是遭到雷擊, 電池炸出酸液傷人) 一般的鋰電池(例如3C 商品用的 鋰錳電池,鋰咕電池...) 都會一旦過度充放電, 或撞擊破損, 造成自燃,燃燒起來,火焰是會用噴的出來, 非常可怕...而且非常快....但是後來出現了一種穿刺也不會燃燒的電池LifePo4(但是還是會發熱, 冒煙), 所以在船上使用LifePo4鋰鐵電池是要比一般鋰離子電池安全多了. LifePo4 是電池正極的化學式, 英文要是: lithium iron phosphate battery, 他的負極還是鋰,其實還是鋰電池的一種, 只是陽極跟電解液的不同.但是一般講鋰電池(或鋰離子電池),是指鋰猛或鋰鈷等一般常用的3C電池, 如果是要講LifePo4的電池, 一般都會講鋰鐵電池 li-phosphate battery,而鋰鐵電池的壽命一般來說比其他鋰離子電池要長(以我個人RC 玩具的經驗, 一般鋰電池大約2years就壞了, 不管你用不用他都會壞.... LifePo4則可以撐上很多年,目前手上的都超過5years)
  • battery management 以及充電設備: 鋰鐵電池單一cell充飽電約是3.65V, 所以一般12V要用4顆去串聯(serial), 剛剛我們提到電池的壽命跟充放電的電壓很有關係,所以需要有一個BMS來琛對這幾個串接的cell做電壓的監控, 以及在單一cell的電壓異常時要有如何的處置, 有的BMS很簡單, 只是警告而已, 有的則可以做到很複雜,當然也跟價格有關
  • 充電系統: 有一些人士直接買liphosphate電池直接取代12V的電池, 充電系統就沿用原來的12V鉛電池充電系統,由於鋰鐵電池的充放電電壓範圍大於鉛電池系統, 所以沿用原有充電系統並不會把鋰鐵電池充壞, 但是這樣的缺點是沒有辦法發揮鋰離子電池的總電量, 所以更換能夠support 鋰鐵電池的充電電壓的充電系統就很重要了, 帆船上這樣的系統通常還會再可以接入太陽能板, 來做充電管理, 有的可以結合BMS....
  • Li phosphate電池的生產問題: 一般鋰電池在出廠前都會做充放電的測試, 來確定是否達到出廠標準, 鋰鐵電池在這樣的出貨檢驗下容易出現問題. 他有可能在出廠時正常, 但是使用幾個月後忽然壞了, 這時候問題不好解決, 因為這時大多已經串連起來在運用了,壞掉一個cell,維修成本很高, 所以鋰鐵電池很快就在一般消費型的市場消失了. 有個有名的例子是USA的 A123鋰鐵電池, 由於安全,一開始在很多電動工具裏使用(ex. muwakee), 但是10cell串連的pack, 會因為一顆壞了, 就整組不能用. 
但是根據我的經驗, 能活過1年的鋰鐵電池, 都是頭好壯壯可以撐很多年的電池

根據以上的特性,更換鋰鐵電池有幾個事情要注意:

  • 一般的鋰離子電池就不要冒險了,雖然鋰離子電池使用很廣, 保護系統也做得很成熟,但是 Tesla燒了還可以跳車, 船在海上碰到這種問題就很難處理
  • 雖然大部分的鋰鐵電池都是made in China, 但是選擇有口碑有品牌的供應商,很重要...電池跟CPU一樣,一批做出來, 一定會有比較好的cell,會賣給出價高的老外, 剩下比較差的cell, 自然不會丟掉, 會從其他的管道流入市場.再者我們剛剛說鋰鐵電池在一年容易有掛點的問題, 所以選擇有保固, 壞單一cell更換的系統是很重要的
  • 更換電池前, 最好重新估算一下船上系統所需的電量, 再來選擇適合的鋰鐵電池大小, 不要直接依照鉛蓄電池的容量去選, 兩種電池的重量,可以使用的AH, WH,都相差非常大
  • 雖然可以直接drop in 鋰鐵電池來取代鉛酸電池, 但是選擇正確的BMS 跟 charging system才能把鋰鐵電池的效能發揮出來

 雖然完整的整船更換鋰鐵系統很複雜, 但是如果正確的規劃, 會是一個使用上更強更便利的選擇, 所以很多公司開始投認這一塊, 發展出非常多的系統(有一般鋰離子的,也有鋰鐵的)
以下是我找到的有做 marine的, Mastervolt跟Victron我都有在台灣的船上看過

1. Lithionics  
https://lithionicsbattery.com/
2. Victron 
https://www.victronenergy.com/batteries/lithium-battery-12-8v
3. Mastervolt 
https://www.mastervolt.com/products/li-ion/
4. Trojan Trillium LiFePO4. 
https://www.trojanbattery.com/product/tr-12-8-110-li-ion/

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