Літій-залізофосфатні АКБ EEMB - досить в два рази меншої ємності

1. Основні властивості літій-залізофосфатні акумуляторів
2. Порівняльні характеристики LiFePO4-акумуляторів
3. Висновок
4. Про компанію EEMB

Максимальна в галузі кількість циклів заряду-розряду, в два рази менша ємність для досягнення тих же електричних характеристик в порівнянні з свинцево-кислотними, швидкий заряд великими струмами і стабільну напругу розряду, можливість автоматичного контролю параметрів - ось переваги літій-залізофосфатні акумуляторів. Широка лінійка цих виробів, що випускаються компанією EEMB, застосовується в системах електроживлення базових станцій стільникового зв'язку та автоматичних метеостанцій, сонячних енергосистемах, системах аварійного енергопостачання, харчування промислових електроприводів і електротранспорту.

В останні роки питання щодо вдосконалення мобільних джерел енергії як ніколи актуальний. Ще 10-15 років тому він не стояло так гостро. Але краще - ворог хорошого, і з підвищенням мобільності міського жителя, тобто з переходом від стаціонарного комп'ютера до ноутбука, від простого мобільного телефону до смартфону, запити до мобільних джерел енергії різко зросли.

З мініатюризацією побутової електроніки її розробники повинні витримувати загальний напрямок, зменшуючи розміри джерел живлення і при цьому збільшуючи їх ємність. Однак виникає питання про зміну не тільки ємності батарей, а й швидкості їх перезарядки і довговічності. Адже якщо батарея буде відновлювати заряд майже миттєво, то вже не так критично важливо, скільки годин без підзарядки може працювати пристрій.

Ємність акумулятора, а також його здатність до багаторазового перезарядки також важлива для:

• автономних пристроїв, орієнтованих на тривалу роботу без обслуговування - метеостанцій, гідропостів, грунтових станцій;
• систем альтернативної енергетики - сонячних і вітрогенераторів;
• електротранспорту - гібридних автомобілів, навантажувачів, електрокарів.

Практично у всіх перерахованих випадках акумулятори експлуатуються в умовах, далеких від ідеальних: при низьких температурах, неоптимальні або неповних циклах заряду, високу ймовірність глибокого розряду.

Серед сучасних акумуляторів особливе місце займають літієві. Літій володіє величезним ресурсом зберігання енергії, тому використання літій-іонних акумуляторів в ролі накопичувачів енергії для сонячних електростанцій та інших джерелах ВДЕ є найбільш вигідним, у порівнянні з кислотно-свинцевими акумуляторами або іншими типами АКБ. Особливе місце серед акумуляторів на основі іонів літію займають літій-залізофосфатні акумулятори (LiFePO4).

Вперше LiFePO4 в якості катода для літій-іонного акумулятора був застосований в 1996 році професором Джоном Гуденаф з Техаського Університету. Даний матеріал зацікавив дослідника тим, що в порівнянні з традиційним LiCoO2 він володіє значно меншою вартістю, є менш токсичним і більш термостійким. Але недолік його - менша ємність. І тільки в 2003 році компанія A123 System під керівництвом професора Цзян Йе-Міна зайнялася дослідженням літій-залізофосфатні акумуляторів (LiFePO4).

Основні властивості літій-залізофосфатні акумуляторів

Літій-залізофосфатні акумулятори (LiFePO4) є підвидом літій-іонних батарей, в якому в якості катода використовується фосфат заліза. Їх без перебільшення можна назвати вершиною технології силових акумуляторів. Даний тип акумуляторів за деякими параметрами, зокрема, за кількістю циклів зарядки-розрядки, перевершує всі інші.

На відміну від інших літій-іонних, акумулятори LiFePO4, як і нікелеві, мають дуже стабільну напругу розряду. Напруга на виході під час розряду залишається близько до 3,2 В, поки заряд акумулятора не буде вичерпаний повністю. Це може значно спростити або навіть усунути необхідність регулювання напруги в ланцюгах.

У зв'язку з постійною напругою 3,2 В на виході чотири акумулятора можуть бути з'єднані послідовно для отримання номінальної напруги на виході 12,8 В, що наближається до номінальної напруги свинцево-кислотних акумуляторів з шістьма осередками. Це, поряд з хорошими характеристиками безпеки літій-залізофосфатні акумуляторів, робить їх доброю потенційної заміною для свинцево-кислотних акумуляторних батарей в таких галузях як автомобілебудування і сонячна енергетика.

• При повторних циклах заряду / розряду повністю відсутній ефект пам'яті
• Літій-залізофосфатні акумулятори мають тривалий термін служби (понад 4600 циклів при глибині розряду 80%)
• Вони володіють високою питомою енергоємністю: щільність енергії досягає 110 Вт • год / кг)
• Їм властивий широкий температурний діапазон експлуатації (-20 ... 60 ° С)
• Ці акумулятори не вимагають обслуговування
• Є можливість швидкого заряду акумуляторів: за 15 хвилин - до 50%
• Надійність і безпека літій-залізофосфатні акумуляторних батарей підтверджені міжнародними сертифікатами
• Вони володіють високою ефективністю: 93% при запуску 30 ... 90%
• Допускається висока швидкість розряду струмом до 10 С (десятикратний номінальний струм)
• Ці акумулятори екологічні і не представляють небезпеки для людини і навколишнього середовища при утилізації
• На відміну від свинцевих акумуляторів, літій-залізофосфатні в два рази легше при тій же ємності

Недоліки в порівнянні з свинцево-кислотними батареями:

• більш висока вартість;
• необхідність спеціальної схеми контролю заряду-розряду.

Літій-залізофосфатні акумулятори (LiFePO4) трохи програють літій-полімерним по енергоємності (рисунок 1). Але однією з сильних сторін є стабільність матеріалу, що дозволяє створювати акумуляторні батареї, що витримують набагато більше циклів розряду / заряду (більше 2000), і швидка зарядка. Завдяки цим особливостям дані акумулятори оптимально використовувати в електричному транспорті.

Мал. 1. Питома енергоємність акумуляторів різних типів

На російському ринку особливе місце серед постачальників акумуляторів на основі іонів літію займає компанія EEMB [1]. Вона випускає кілька груп літій-залізофосфатні акумуляторів (малюнок 2), що розрізняються між собою по електричним і конструктивним параметрам [2]:

• модульні системи акумуляторів;
• акумулятори для телекомунікаційних пристроїв;
• джерела енергії для «розумного будинку»;
• тягові акумулятори для електротранспорту.

Літій-залізофосфатні акумулятори при розряді мають дуже стабільну вихідну напругу до тих пір, поки елемент не розрядиться повністю. Потім напруга різко зменшується.

На малюнку 3 наведені розрядні криві акумулятора LP8867220F , Зняті на різних токах розряду (0,2 ... 2С) при нормальних температурних умовах. Як видно з графіка, особливістю літій-залізофосфатні акумулятора є слабка залежність ємності від величини струму розряду. При розряді малим струмом (0,2 с) і при розряді підвищеним струмом (2С) ємність акумулятора практично не змінюється і залишається рівною 10 А • год (номінальна ємність зазначеного акумулятора).

Дуже важливо не допускати розряду осередку до рівня менше 2,0 В, інакше відбудуться незворотні процеси, які приведуть до різкої втрати номінальної ємності. Для цього служить контролер розряду. Компанія EEMB виробляє акумулятори як з наявністю, так і з відсутністю захисної схеми. Наявність схеми захисту від розряду і перевищення напруги заряду кодується в найменуванні абревіатурою PCM в кінці, наприклад, LP385590F-PCM.

Розглянемо залежності кількості циклів «заряд-розряд» від величини розрядного струму і глибини розряду. На малюнку 4 приведені експериментальні дані. З них видно, що при повному розряді втрата ємності акумулятора на 20% відбувається при кількості циклів не менш як 2000 (струм розряду 1C). Якщо глибину розряду обмежити рівнем 80% в кожному циклі, то при проведенні приблизно 1500 подібних циклів зниження ємності акумулятора від початкової величини практично не спостерігалося (струм розряду 0,5С).

Мал. 4. Кількість циклів «заряд-розряд» Li-FePO4-акумуляторів

Останнє покоління літій-залізофосфатні АКБ виробництва компанії EEMB на відміну від існуючих свинцево-кислотних акумуляторів не вимагає частої заміни і обслуговування. Як правило, літій-залізофосфатні АКБ - сучасний акумулятор, що витримує більше 2000 циклів заряду-розряду, абсолютно нечутливий до режимам хронічного недозаряд. У більшості випадків він має вбудовану плату управління акумуляторною батареєю (Battery Management System). Заряд здійснюється постійною напругою і постійним струмом без стадій.

У таблиці 1 показані основні параметри одноелементні літій-залізофосфатні акумуляторів компанії EEMB. Номінальна ємність цього типу акумуляторів знаходиться в межах 600 ... 36000 мА • год (вага - 15 ... 900 грам відповідно). Одноелементні Li-FePO4-акумулятори найчастіше застосовуються в приладах з автономним живленням. Ці акумулятори допускають розряд високим струмом до 10С. Після 2000 циклів заряду-розряду струмом 1С залишкова ємність становить близько 80%.

Таблиця 1. Одноелементні LiFePO4-акумулятори EEMB

Використовуючи модульні системи з окремими осередками, що володіють підвищеною ємністю, параметри яких наведені в таблиці 2, можна зібрати акумуляторний блок необхідної ємності та вихідної напруги.

Таблиця 2. Основні параметри модульних систем Li-FePO4

Тип модуля Номінальна

Напруга, В

Ємність, А • год Розміри, мм Вага, кг Товщина Ширина Висота 3,2 В, 100 А • ч 3,2 100 60 165 280 3,75 3,2 У, 40 А • год 3,2 40 60 95 280 2

Також модульні системи оснащені системою управління живленням (BMS), яка допускає розряд високої потужності і має безліч контрольних і захисних функцій. Модулі з інтегрованою системою моніторингу забезпечують високий рівень безпеки всієї системи і навколишнього середовища. Рекомендовані області застосування:

• системи аварійного та безперебійного харчування;
• базові станції.

Телекомунікаційні системи харчування вимагають від акумуляторів невеликих розмірів, малої ваги, великої кількості циклів перезарядки, високою питомою ємності, широкого діапазону робочих температур і простоти в обслуговуванні. Літій-залізофосфатні акумулятори цілком відповідають цим вимогам. У таблиці 3 наведені основні параметри акумуляторів EEMB для телекомунікаційних систем.

Таблиця 3. Акумулятори для телекомунікаційних систем харчування

Приклад номенклатурної записи: 4P5S - чотири паралельно включених збірки (кожна збірка складається з п'яти послідовно включених акумуляторів), P - Parallel, паралельне включення, S - Serial, послідовне включення.

В основному акумулятори даних серій застосовуються в:

• системах живлення постійного струму;
• пристроях забезпечення безперебійного харчування (UPS);
• високовольтних системах живлення постійного струму (240/336 В).

Характеристики акумуляторних батарей для джерел і систем безперебійного живлення для «розумного будинку» (UPS / ІБП) наведені в таблиці 4, а зовнішній вигляд зображений на малюнку 3в.

Таблиця 4. Акумулятори для ДБЖ «розумного будинку»

Найменування Напруга, В Ємність, А • год Вага, кг LP8867220F-4S 12 10 1,3 LP8867220F-4S2P 12 20 2,5 LP8867220F-4S3P 12 30 3,5 LP8867220F-8S2P 24 20 4,5 SLF5H12-L 14,4 4,5 0,7 SLF7H12-L 14,4 7 0,9 U1 48 10 4

Літій-залізофосфатні акумулятори EEMB Super Energy серії SLM повністю замінюють звичайні свинцево-кислотні та гелієві акумулятори. Вони не вимагають обслуговування, на 80% легше і в п'ять разів довговічніші свинцево-кислотних акумуляторів і їх аналогів.

Тягові акумулятори для електромобілів - це батарея для установки в автомобілях на електричній тязі. Ключовими особливостями акумуляторів для електромобілів є мала вага, компактний розмір і велика енергоємність, що дозволяє зменшити вагу самого електромобіля і дає можливість швидкої зарядки.

Компанія EEMB пропонує асортимент акумуляторів для електротранспорту різних категорій (таблиці 5, 6).

Основні параметри літій-залізофосфатні акумуляторів, що застосовуються в автомобілях для гольфу, і аналогічних акумуляторів серії GOLF CART наведені в таблиці 5. Ці акумулятори допускають паралельне і послідовне з'єднання осередків, завдяки чому можна легко змінювати номінальну ємність і напруга акумулятора.

Таблиця 5. Параметри акумуляторних батарей серії GOLF CART

Найменування Напруга, В Ємність, А • год Вага, кг LP8867220F-2S 6,4 10 0,5 LP8867220F-2P3S 9,6 20 1,5 LP8867220F-3P4S 12,8 30 3 LP8867220F-4P4S 12,8 40 4 LP8867220F-8S 25,6 10 2 LP8867220F-6P8S 25,6 60 12

Параметри акумуляторів Li-FePO4 для електровелосипедів (серія E-bike) наведені в таблиці 6.

Таблиця 6. Параметри акумуляторних батарей серії E-bike

За вимогами клієнта під замовлення можуть бути виготовлені і інші варіанти. Дані серії акумуляторів також випускаються в збірках, де поодинокі елементи з'єднані послідовно або паралельно-послідовно. Габаритні розміри одного елемента збірки цієї серії складають 9,1х67,5х222 мм.

У таблиці 7 наведені параметри літій-залізофосфатні акумуляторів для електричних скутерів та електроінструментів. Акумулятори серії E-scooter володіють невеликими розмірами, мають високий допустимий струм розряду, великий термін служби, високу щільність енергії, відсутність ефекту пам'яті, що забезпечує популярність цих акумуляторів у відповідних за потужністю приладах, де необхідно автономно живити електродвигуни.

Таблиця 7. Параметри акумуляторних батарей серії E-scooter

У таблиці 8 наведені параметри літій-залізофосфатні акумуляторів для електромотороллеров серії E-motorcycle. Номінальна напруга всіх акумуляторів цієї серії складає 48 В. Мінімальне значення номінальної ємності - 9 А • год при вазі 4 кг. Максимальне значення ємності - 90 А • год при вазі 40 кг. Розміри одного елемента - 7,5х67х220 мм.

Таблиця 8. Параметри акумуляторних батарей серії E-motorcycle

Порівняльні характеристики LiFePO4-акумуляторів

На об'єктах малої енергетики в режимах постійного циклирования літій-залізофосфатні акумулятори за рахунок можливості глибокого розряду і великої кількості циклів заряду-розряду дають відчутні переваги в обслуговуванні об'єкта.

Акумуляторні модулі мають вбудований захист від перенапруг, низького заряду, підвищених струмів. Вони сумісні з усіма приладами, в тому числі - инверторами і зарядними пристроями, що працюють зі свинцево-кислотними акумуляторами. Спочатку ціна на літій-залізофосфатні АКБ здається досить високою. Однак при розрахунку ємності АКБ для роботи в режимі циклирования з'ясовується, що в разі застосування LiFePO4-акумуляторів досить АКБ приблизно в 2 ... 2,5 рази меншої місткості, ніж для свинцево-кислотних акумуляторів (включаючи свинцево-гелієві). Це можливо за рахунок того, що літій-залізофосфатні акумулятори допускають зарядку більш високими струмами, ніж свинцево-кислотні (1С проти типових для свинцево-кислотних 0,1 ... 0,2 с). Внаслідок цього масив сонячних панелей, наприклад, при тому ж вихідному струмі масиву і необхідному часу заряду, можна навантажувати на менш ємний, ніж свинцево-кислотний, літій-залізофосфатні акумулятор. Менша ємність на розряд буде компенсуватися більш швидкими циклами заряду, тим більше що ресурс по циклам «заряд-розряд» в середньому на порядок більше. Сюди ж додається набагато більш повільне падіння ємності при циклах перезарядки.

Розглянемо приклад. Якщо ми раніше використовували свинцево-кислотний АКБ AGM / GEL 150 А • ч в режимі циклирования, то для його заміни без втрати експлуатаційних характеристик буде достатньо АКБ типу LiFePO4 ємністю 60 А • год. При правильному розрахунку 1 до 2,5 вартість АКБ LiFePO4 всього на 25 ... 35% більше, ніж свинцево-кислотних АКБ. При цьому літій-залізофосфатні АКБ в середньому будуть мати кращі експлуатаційні характеристики в порівнянні зі свинцево-кислотними.

У режимі накопичення і наступного розряду при однакових розрядних токах літій-залізофосфатні акумулятори можуть дати перевагу в ємності в 2,5 рази, що легко показати на прикладі.

Як правило, ємність акумулятора вибирається виходячи з можливого часу відсутності основної енергії і споживаної потужності навантаження.

Наприклад, якщо нам потрібно живити навантаження 2 кВт протягом 1 години, то, відповідно, потрібен запас енергії, як мінімум, в 2 кВт • год. Необхідно, щоб ця система могла нормально функціонувати більше 6 місяців в циклічному режимі (вдень - заряд, ввечері - розряд). Для акумулятора або набору акумуляторів з вихідною напругою 48 В необхідна розрахункова ємність складе приблизно 42 А • год. Струм при розряді буде приблизно дорівнює 1С (42 А). Однак слід врахувати, що в нашому прикладі слід вважати розряд не постійним струмом, а постійною потужністю, при цьому при розряді АКБ струм розряду буде збільшуватися. У режимі розряду постійною потужністю (2 кВт) свинцево-кислотний АКБ (48 В / 40 А • год) здатний пропрацювати не більше 30 хвилин (при глибокому розряді - до 40,8 В).

Щоб НАВАНТАЖЕННЯ впевнена відпрацювала один годину на свинцево акумуляторі, нужно его Ємність примерно в два рази больше спочатку розрахованої - около 85 А • год. З Іншого боку, розряд залізо-фосфатного акумулятора Струм 1С або вищє НЕ виробляти до істотного зниженя его ємності - вона залішається на Рівні номінальної (рисунок 3). З цього видно, що може бути досягнуто відмінність в ємності двох типів АКБ в два рази. Також необхідно взяти до уваги, що при роботі свинцево-кислотного АКБ в режимі циклирования його ємність знизиться на 20% вже при 150 ... 200 циклах заряду-розряду, тому, щоб це компенсувати, слід спочатку вибрати акумулятор з ємністю на 20% вище. Виходить, що умови раніше поставленого завдання будуть виконані протягом перших 6 місяців при ємності свинцево-кислотного АКБ в 102 А • ч. З іншого боку, слабка залежність ємності залізофосфатні АКБ дозволить обійтися практично розрахункової ємністю 42 А • год. Як бачимо, різниця в необхідної ємності між двома типами АКБ становить близько 2,5 раз.

Мал. 3. Розрядні криві Li-FePO4-акумулятора LP8867220F

Літій-залізофосфатні акумулятори легко приймають потужний зарядний струм. Тому, навантаживши на них втричі могутніший (щодо свинцево-кислотних АКБ) масив сонячних батарей, можна зарядити їх за короткий час, що дорівнює 2 ... 4 годин. А беручи до уваги нечутливість до глибокого розряду і хронічного недозаряду, ці батареї незамінні в зимовий період, особливо з урахуванням того факту, що літій-залізофосфатні АКБ мають більш високе ККД 95% (на відміну від 80% у свинцево-кислотних АКБ), а значить, в похмуру і дощову погоду ці АКБ заряджаються швидше (таблиця 9).

Таблиця 9. Порівняння літій-залізофосфатні і свинцево-кислотних акумуляторів

Параметр Літій-залізофосфатні
система електропостачання Звичайна система
зі свинцевими АКБ
глибокого розряду Переваги LiFePO4 Робоча кількість ефективних циклів> 6000 при розряді 80% ~ 500 Кількість циклів значно вище Система балансування осередків Присутній при заряді і розряді Відсутня Автоматичний контроль за станом кожного осередку Захист від перезаряду / глибокого заряду на рівні осередків 100% багаторівневий контроль Захист АКБ при збоях в системі 100% (відключення струму заряду і розряду) Точний розрахунок запасу енергії в АКБ на підставі даних від датчиків напруги, струму, температури і опору осередків Постійний рас ет в реальному часі Можливість швидкої зарядки Так (близько 15 хвилин) Ні Необхідність підтримки АКБ
в зарядженому стані Ні Так, інакше - сульфатация пластин Немає необхідності підтримувати заряд, економія на обслуговуванні Розрахунковий термін служби при щоденному повному ціклованіі 70% для LiFePO4 і 50% для свинцевих АКБ (при ідеальних умовах), років 15 ~ 4 Мінімум в 4 рази вище діапазон робочих температур, ° С -20 ... 60 Рекомендована температура: 20 ° С Можлива установка системи харчування в неопалюваних приміщеннях Вплив підвищеної температури (30 ° С і вище) Допустима робота аж до верхньої межі робочого діапазону температур Швидка деградація акумулятор яторние осередку витримують значно вищі температури Календарний термін служби (буферний режим або режим зберігання) Не обмежений Обмежено, так як пластини деградують в будь-якому випадку Значний виграш Можливість додавати ємність в існуючий блок акумуляції Так Не рекомендується, оскільки призведе до розбалансування Можливість поступової модернізації та масштабування без зайвих витрат Можливість заміни однієї / кількох зіпсованих осередків в акумуляторної збірці Так, оскільки є система балансування

Висновок

У режимах циклирования використання літій-залізофосфатні акумуляторів вигідніше, так як для досягнення енергетичних і експлуатаційних параметрів досить приблизно в два рази меншої місткості, ніж у свинцево-кислотних. Не меншу цінність представляють нечутливість до недозаряду, підвищений ККД і прискорений заряд великими струмами.

Літій-залізофосфатні акумулятори рекомендується використовувати в сонячних енергосистемах, які працюють в умовах короткого світлового дня, що особливо актуально для середньої смуги Росії, північних регіонів, а також гірських районів. Тривалий термін служби (велика кількість циклів «заряд-розряд») літій-залізофосфатні акумуляторів дозволяє істотно скоротити витрати на їх обслуговування і заміну, що актуально, наприклад, для автоматичних станцій спостереження за погодними умовами і систем аварійного живлення базових станцій стільникового зв'язку. Збільшення періоду часу між плановою зміною акумуляторів призводить до економії на оплаті праці бригади обслуговування, а також на дорожніх витратах (особливо в тому випадку, якщо обладнання встановлено в важкодоступних місцях). Зниження накладних витрат на обслуговування буде з лишком компенсувати відносно високу вартість літій-залізофосфатні акумулятора.

Акумулятори даного типу також можуть бути успішно застосовані в телекомунікаційній техніці (базове телекомунікаційне обладнання та мобільні пристрої), джерелах безперебійного живлення, системах аварійного енергопостачання, системах живлення електроприводів і електротранспорту.

Виробник акумуляторів - компанія EEBM - здійснює ретельний контроль якості продукції та має можливість виконання акумуляторних зборок на замовлення за вимогами клієнта.

література

1. http://www.eemb.com.
2. http://www.eemb.com/products/rechargeable_battery/lifepo4_battery/lifepo4_battery.html.

Отримання технічної інформації , замовлення зразків , замовлення і доставка .

Про компанію EEMB

ЕЕМВ - міжнародна компанія, заснована в 1995 р, спеціалізується на виробництві елементів живлення. В даний час працюють два офіси і заводи з виробництва - в США і у вільній економічній зоні Китаю - Шензен. На ринку батарей джерела живлення ЕЕМВ зарекомендували себе, як надійний постачальник продукції. Цьому сприяє система контролю якості, що відповідає стандарту ISO9001. Продукція піддаються ретельній перевірці на всіх етапах виробництва. Джерела струму ЕЕМВ п ... читати далі