Сергій Миронов (КОМПЕЛ)
Відносно недавно з'явилися на ринку літій-залізофосфатні акумулятори кілька програють літій-полімерним за максимальною питомою щільності енергії. Однак це окупається практично чотириразовим перевагою за кількістю циклів «заряд-розряд». Компанія EEMB випускає широку лінійку Li-FePO4 -Акумулятор для різних застосувань.
В даний час відбувається активний розвиток систем зберігання даних (серверних / дата-центрів), різного телекомунікаційного устаткування, систем контролю доступу та охоронно-пожежних систем, альтернативної енергетики, електротранспорту та інших промислових систем і об'єктів, що вимагають автономного електроживлення. Для забезпечення електроживленням зазначених систем все більш затребуваними стають різного роду вторинні хімічні джерела струму, або акумулятори.
У більшості додатків в якості вторинних джерел струму до сих пір застосовуються свинцево-кислотні акумулятори, як такі, що найбільш налагоджену технологію виробництва і низьку питому вартість енергії.
Мал. 1. Система електроживлення дата-центру
Багато із зазначених вище областей застосування акумуляторів характеризуються споживанням великої і навіть дуже великої потужності - від одиниць до декількох сотень кіловат (альтернативна енергетика, електротранспорт, дата-центри). Відключення основної мережі електроживлення носять випадковий характер і можуть відбуватися з різними інтервалами часу, тому для безперебійної роботи потрібно дуже великий запас енергії. Звичайно, на важливих об'єктах час відключення від основної електромережі регламентовано і забезпечується виконанням додаткових ліній резервного живлення і / або дизельною установкою. Наприклад, якщо розглянути схему побудови електроживлення серверного обладнання, то вона буде включати в себе підсистему гарантованого електроживлення (ПГЕ) з двома вводами від різних підстанцій і окрему дизельну установку (рисунок 1). Додатково в схему входить підсистема безперебійного електроживлення (ПБЕ), що включає два комплекти джерел безперебійного живлення (основний і резервний канали UPS). Кожен з джерел безперебійного живлення оснащений комплектом акумуляторних батарей на необхідну енергію, а з огляду на потужність, споживану дата-центрами (до сотень кВт), стає зрозумілою важливість високої питомої енергоємності та тривалого терміну служби використовуваних акумуляторів. Ще більш значущим цей параметр стає, якщо акумулятори використовуються на електротранспорті, оскільки транспортування «зайвих» кілограмів призводить тільки до марної витрачання енергії і зниження загального ККД. І тут поширені свинцево-кислотні акумулятори істотно програють іншим типам акумуляторів (на основі літію). Програють свинцево-кислотні акумулятори і за змістом шкідливих речовин, коли потрібно їх утилізація, а утилізувати їх доводиться у величезних кількостях.
Якщо подивитися на історію розвитку хімічних джерел струму, ми зауважимо, що увага розробників приділялася і приділяється, в основному, кількома показниками: збільшення питомої енергоємності та терміну служби, зниження масогабаритних характеристик і вартості, підвищення екологічності та безпеки. Перераховані параметри є найбільш важливими по відношенню до всіх хімічних джерел струму.
Акумулятори - акумуляторні джерела струму, і для них одним з основних параметрів є допустима кількість циклів «заряд-розряд», так як саме цим параметром визначається термін експлуатації акумулятора, а відповідно - частота обслуговування (регламентна заміна акумуляторів) і надійність системи в цілому. Найбільшою кількістю циклів «заряд-розряд» в даний час володіють літій-залізофосфатні акумулятори (Li-FePO4) [1]. Деякі основні параметри кислотно-свинцевих і літій-залізофосфатні акумуляторів наведені в таблиці 1. Зазначене в таблиці значення циклів заряд-розряд для Li-FePO4 навіть може бути збільшено в 2 ... 4 рази, якщо здійснювати зарядку не чекаючи повної розрядки акумулятора. Це можна робити, так як розглянутий тип акумуляторів не володіє ефектом пам'яті.
Таблиця 1. Узагальнені порівняльні характеристики акумуляторів
Робоча напруга (осередки), В
Діапазон робочої температури (розряд), ° С
Літій-залізофосфатні акумулятор був розроблений як подальший розвиток літій-іонного акумулятора, але при цьому він характеризується меншою вартістю і значно тривалішим терміном служби. Крім того, елементи даного типу акумулятора хімічно і термічно стабільні, тому він значно безпечніше в експлуатації, ніж попередник. Звичайно, не можна сказати, що літій-залізофосфатні акумулятор має максимальну питомоющільністю енергії. Він трохи програє за цим параметром літій-полімерним акумуляторів (малюнок 2), але цей недолік з запасом окупається практично чотириразовим перевагою в кількості циклів «заряд-розряд» (терміном служби). За час роботи літій-залізофосфатні акумулятора можна змінити три-чотири літій-полімерних, а він буде продовжувати працювати.
Мал. 2. Питома енергоємність акумуляторів
Слід сказати, що серед усього різноманіття існуючих і застосовуваних на сьогоднішній день акумуляторів неможливо знайти абсолютного лідера по всіх параметрах. У будь-якому випадку, завжди доводиться керуватися тим, що в даному застосуванні є найбільш важливим, і, як правило, ми змушені вибирати деякий компромісне рішення між технічними параметрами, вартістю і безпекою.
В даний час літій-залізо-фосфатні акумулятори випускаються в багатьох країнах, в тому числі і в Росії, але основна кількість виробників зосереджено в Китаї. Це пояснюється тим, що саме в цій країні знаходяться найбільші запаси літію. На російському ринку представлена продукція різних виробників, серед яких помітну роль грає відома компанія EEMB.
Історія роботи компанії EEMB в сфері розробки та виготовлення хімічних джерел струму налічує близько 20 років. Весь цей час компанія спеціалізується на виготовленні саме літієвих первинних і вторинних джерел струму різних електрохімічних систем (Li-SOCl2, Li-MnO2, Li-SO2, Li-Ion, Li-Polimer).
Все що випускаються акумулятори виробляються як у вигляді поодиноких елементів, так і у вигляді батарей з послідовно-паралельним з'єднанням елементів (осередків). Залежно від потреб в конкретному додатку (ємність / напруга), можна замовити виготовлення спеціальних батарей з окремих осередків, також можна замовити необхідний розмір осередків (важливо виконати умову: необхідна питома енергетична щільність не повинна перевищувати досягнутої - 250 ... 270 Вт · год / л ).
Лінійка продукції літій-залізо-фосфатних акумуляторів, що випускаються компанією, ділиться на кілька груп, що розрізняються між собою електричними і конструктивними параметрами:
- окремі осередки у вигляді модулів;
- батареї для телекомунікаційного обладнання (BTS);
- батареї для джерел безперебійного живлення та альтернативної енергетики (UPS);
- батареї для електротранспорту.
Зовнішній вигляд деяких акумуляторів, що випускаються компанією EEMB, представлений на малюнку 3.
При розряді літій-залізофосфатні акумулятори мають дуже хорошу стабільність напруги до тих пір, поки елемент не розрядиться повністю, потім напруга різко зменшується. Наприклад, на малюнку 4 наведено усереднені розрядні криві, зняті при різних токах розряду (1 ... 10С) при кімнатній температурі. Вкрай важливо не допускати розряд осередку менш 2.0 В, інакше відбудуться незворотні процеси, які приведуть до різкої втрати ємності. Цей контроль слід покласти на електронну схему або при замовленні акумулятора вказати на наявність схеми захисту в самому акумуляторі. Компанія EEMB виробляє акумулятори як з наявністю, так і з відсутністю захисної схеми. Наявність захисної схеми (від розряду і перевищення напруги заряду) кодується в найменуванні абревіатурою PCM в кінці (наприклад, LP385590F-PCM).
Мал. 4. Розрядні криві Li-FePO4-акумуляторів
Мал. 5. Кількість циклів «заряд-розряд» Li-FePO4-акумуляторів
Літій-залізофосфатні акумулятори характеризуються низьким струмом саморозряду і вкрай низькою швидкістю зниження ємності. За дослідженнями очікується, що за 15 років зберігання повністю зарядженого акумулятора при температурі 60 ° С зниження ємності буде на рівні 23 ... 25%.
Поведінка розглянутого типу акумуляторів при низьких температурах ілюструє малюнок 6. Видно, що при температурі -20 ° С і при розряді струмом 0.2С ємність акумулятора знижується приблизно на 40%. Це, звичайно, потрібно враховувати при виборі акумулятора для роботи на низьких температурах, але, з іншого боку, це є проблемою практично всіх типів акумуляторів. Проте, літій-залізофосфатні акумулятори витримують температуру зберігання до -40 ° С.
Для роботи при низьких температурах компанія EEMB випускає спеціальні низькотемпературні акумулятори (-40 ... 60 ° С), але, оскільки вони виготовляються на основі літій-полімерної електрохімічної системи, то в даній статті ми їх розглядати не будемо.
Як і всі літієві акумулятори, даний тип акумулятора також чутливий до режиму заряду, а саме - до перевищення зарядного напруги. При заряді необхідно стежити, щоб напруга не перевищувало величини 3.65 В на клітинку. Цей контроль також покладається на схему захисту, про яку говорилося вище. Причому стандартний струм заряду вибирається, як правило, рівним половинної ємності акумулятора, і зарядка здійснюється протягом двох годин (заряд постійним струмом). Максимальний струм заряду - до 1С (зарядка протягом 1 год). Можна здійснювати зарядку і постійною напругою, в цьому випадку закінченням зарядки можна вважати зниження зарядного струму до 1/50 від ємності акумулятора.
Для виробників акумуляторів розуміння факторів, що впливають на їх термін служби, є життєво важливим. Тут необхідно враховувати гарантійні зобов'язання, вартість вироби та інші експлуатаційні параметри. Якщо запропонувати продукцію з низьким гарантійним терміном або з високою вартістю, то споживач відмовиться від неї. Якщо переоцінити термін служби виробу, то можна зазнати збитків, замінюючи вийшли з ладу акумулятори. Тому однією з найбільших проблем при розробці і виробництві акумуляторів є правильне визначення його терміну служби і забезпечення при цьому невисоку вартість.
Компанія EEMB випускає LiFePO4-батареї, які забезпечують надійність і економічну ефективність систем з безперебійним харчуванням (UPS / ІБП). Батареї грають істотну і важливу роль в системі безперебійного живлення, так що вибір правильного акумулятора для подібної системи є основоположним. В даному випадку батарея LiFePO4 може забезпечити оптимальне рішення. По відношенню до свинцево-кислотного акумулятора, застосування літій-залізофосфатні акумулятора дозволяє скоротити на 2/3 вагу і зменшити обсяг, що сприяє створенню досить компактних і легких систем безперебійного живлення
література
- komar.bitcheese.net
- Миронов С. Автономне електроживлення на всі випадки життя. Огляд літієвих батарей і акумуляторів. Електронні компоненти №8.