A123 LiFePO4 (Li-Fe) литий-фосфатные аккумуляторы. LiFePO4 аккумуляторы Максимальный ток разряда, А
Современный рынок пестрит разнообразным электронным оборудованием. Для их функционирования разрабатываются все более совершенные источники питания. Среди них особое место занимают литий железо фосфатные аккумуляторы. Они безопасны, обладают большой электроемкостью, практически не выделяют токсины, долговечны. Возможно, скоро эти батареи вытеснят из устройств своих «собратьев».
Содрежание
Что такое литий железо фосфатный аккумулятор
LiFePo4 аккумуляторы – это высококачественные и надежные источники питания с высокой производительностью. Они активно вытесняют не только морально устаревшие свинцово-кислотные, но и современные Li-ion батареи. Сегодня данные АКБ встречаются не только в промышленном оборудовании, но и в бытовых устройствах – от смартфонов до электровелосипедов.
LFP аккумуляторы были разработаны Массачусетским Технологическим Университетом в 2003 году. Их основа – усовершенствованная технология Li-ion с измененным химическим составом: для анода используется лития феррофосфат вместо кобальтата лития. Широкое распространение АКБ получили благодаря таким компаниям, как Motorola и Qualcomm.
Как осуществляется производство LiFePo4 аккумуляторов
Основные компоненты для изготовления LiFePo4 батарей поставляются на завод в виде темно-серого порошка с металлическим блеском. Схема производства анодов и катодов одинакова, но из-за недопустимости смешивания компонентов все технологические операции выполняются на разных цехах. Все производство делится на несколько этапов.
Первый шаг. Создание электродов. Для этого готовый химический состав покрывается с обеих сторон металлической фольгой (как правило, алюминиевой для катода, а медной для анода). Фольга предварительно обрабатывается суспензией, чтобы она могла выступать в роли приемника тока и токопроводящего элемента. Готовые элементы нарезаются на тонкие полоски и сворачиваются несколько раз, образуя квадратные ячейки.
Второй шаг. Непосредственно сборка батареи. Катоды и аноды в форме ячеек располагают по обе стороны сепаратора из пористого материала, плотно закрепляют на нем. Полученный блок помещают в пластиковый контейнер, заливают электролитом и запечатывают.
Заключительный этап. Контрольная зарядка/разрядка батареи. Зарядка производит с постепенным нарастанием напряжения электротока, чтобы не случился взрыв или воспламенение из-за выделения большого количества тепла. Для разрядки аккумулятор подключают к мощному потребителю. Не выявив отклонений, готовые элементы отправляются к заказчику.
Принцип работы и устройство литий железо фосфатного АКБ
LFP батареи состоят из электродов, плотно прижатых к пористому сепаратору с обеих сторон. Для питания устройств и катод, и анод подключаются к токосъемникам. Все компоненты помещены в пластиковый корпус, залиты электролитом. На корпус помещается контролер, который регулирует подачу тока во время зарядки.
Принцип работы LiFePo4 аккумуляторов основан на взаимодействии литий феррофосфата и углерода. Сама реакция протекает по формуле:
LiFePO 4 + 6C → Li 1-x FePO 4 + LiC 6
Переносчиком заряда АКБ выступает положительно заряженный ион лития. Он имеет способность внедряться в кристаллическую решетку других материалов, с образованием химических связей.
Технические характеристики LiFePo4 аккумуляторов
Вне зависимости от производителя все LFP ячейки имеют одинаковые технические характеристики:
- пиковое напряжение – 3,65 V;
- напряжение в средней точке – 3,3 V;
- напряжение в полностью разряженном состоянии – 2,0 V;
- номинальное рабочее напряжение – 3,0-3,3 V;
- минимальное напряжение под нагрузкой – 2,8 V;
- долговечность – от 2-х до 7 тыс. циклов заряда/разряда;
- самозаряд при температуре 15-18 С о – до 5% в год.
Представленные технические характеристики относятся именно к LiFePo4 ячейкам. В зависимости от того, сколько их объединено одной батареей, будут варьироваться и параметры аккумуляторов.
Экземпляры отечественного производства имеют следующие характеристики:
- емкостью – до 2000 Ач;
- напряжением – 12 v, 24v, 36v и 48v;
- с диапазоном рабочих температур – от -30 до +60 С о;
- с током заряда – от 4 до 30А.
Все аккумуляторы не теряют свои качества при хранении на протяжении 15 лет, имеют стабильное напряжение и отличаются низкой токсичностью.
Какие бывают LiFePo4 батареи
В отличие от привычных для нас батарей, которые маркируются символами АА или ААА, литий железо фосфатные элементы имеют совершенно иную маркировку форм-фактора – их размеры шифруются 5-значным номером. Все они представлены в таблице.
| Типоразмер | Габариты, DxL (мм) |
|---|---|
| 14430 | 14 x 43 |
| 14505 | 14 x 50 |
| 17335 | 17 x 33 |
| 18500 | 18 x 50 |
| 18650 | 18 x 65 |
| 26650 | 26 x 65 |
| 32600 | 32 x 60 |
| 32900 | 32 x 90 |
| 38120 | 38 x 120 |
| 40160 | 40 x 160 |
| 42120 | 42 x 120 |
Даже не имея перед собой таблицу с обозначением маркировки, можно легко сориентироваться в габаритах батареи. Первый две цифры кода обозначают диаметр, остальные – длину источника питания (мм). Число 5 на конце некоторых типоразмеров соответствует половине миллиметра.
Литий железо фосфатный аккумулятор: плюсы и минусы
LFP батареи основаны на технологии Li-ion, что позволило им вобрать в себя все плюсы данных источников питания, и одновременно избавиться от присущих им недостатков.
Среди главных достоинств выделяют:
- Долговечность – до 7 000 циклов.
- Высокий ток заряда, что сокращает время восполнения энергии.
- Стабильное рабочее напряжение, которое не падает до полного исчерпания заряда.
- Высокое пиковое напряжение – 3,65 Вольта.
- Высокая номинальная емкость.
- Небольшой вес – до нескольких килограммов.
- Низкий уровень загрязнения окружающей среды при утилизации.
- Морозостойкость – работа возможна при температуре от -30 до +60С о.
Но у аккумуляторов выделяют также и минусы. Первый из них – это высокая стоимость. Цена элемента на 20 Ач может достигать 35 тыс. рублей. Второй и последний недостаток – сложность собственноручной сборки банки батарей, в отличие от литий-ионных элементов. Других явных минусов у этих источников питания пока не выявлено.
Зарядные устройства и как заряжать LiFePo4
Зарядные устройства для LiFePo4 аккумуляторов практически ничем не отличаются от обычных инверторов. В особенности можно записать большая сила тока на выходе – до 30А, что используется для быстрой подзарядки элементов.
Покупая готовый блок батарей трудностей с их зарядкой возникнуть не должно. В их конструкции встроено электронное управление, которое защищает все ячейки от полного разряда и перенасыщения электроэнергией. Дорогие системы используют балансирную плату, которая равномерно распределяет энергию между всеми ячейками устройства.
Важно при подзарядке не превышать рекомендуемую силу тока, если вы используете сторонние ЗУ. Это снизит срок службы батареи в несколько раз за одну подзарядку. Если батарея нагревается или вздувается, то сила тока превышает допустимые значения.
Где применяются LiFePo4 аккумуляторы
LFP батареи имеют большое значение для промышленности. Их используют для поддержания работоспособности устройств на метеостанциях, больницах. Они также внедряются в качестве буфера на ветряные электростанции и применяют для накопления энергии от солнечных панелей.
Аккумуляторы на 12v начинают использоваться в современных автомобилях вместо привычных свинцово-кислотных элементов. LiFePo4 конструкции устанавливаются в качестве главного источника питания на электровелосипедах и квадроциклах, моторных лодках.
Широко их значение и в быту. Они встраиваются в телефоны, планшеты, и даже в шуруповерты. Однако такие устройства значительно отличаются по цене от своих менее технологичных собратьев. Поэтому встретить их на рынке пока сложно.
Правила хранения, эксплуатации и утилизации LiFePo4
Прежде чем отправить LFP аккумулятор на длительное хранение, необходимо его зарядить до 40-60% и поддерживать этот уровень заряда на протяжении всего срока консервации. Держать АКБ следует в сухом месте, где температура не отпускается ниже комнатных значений.
Во время эксплуатации следует выполнять требования производителя. Важно не допускать перегрева батареи. Если вы заметили, что аккумулятор во время работы или подзарядки нагревается неравномерно, то следует обратиться в ремонтный центр – возможно одна из ячеек вышла из строя, либо присутствуют неисправности блока управления или балансирной платы. Так же следует поступить и при появлении вздутий.
Для правильной утилизации полностью исчерпавшей свой ресурс батареи следует обратиться в специализирующиеся на этом организации. Так вы не только поступите как сознательный гражданин, но и сможете на этом заработать. Однако если вы просто отправите АКБ на свалку, то ничего страшного не произойдет.
Вам так же может быть интересно
Миниатюрные батарейки в форме таблетки используются во многих устройствах. Изделия различных производителей могут по
Надежность запуска мотора любого автомобиля во многом зависит от качества применяемого аккумулятора. Он должен
Для каждого автомобиля важно правильно подбирать аккумуляторную батарею. Это позволит значительно продлить срок службы
Что такое LiFePO4 АКБ
LiFePO4 это минерал, семейства оливин, встречающийся в естественной среде. Датой рождения LiFePO4 аккумуляторов считается 1996 год, когда в Техасском Университете впервые было предложено использование LiFeP04 в электроде аккумулятора. Минерал не токсичен, относительно дешев и встречается в естественной среде.
LiFEPO4 относится к подвиду литиевых аккумуляторов и используют ту же технологию получения энергии что и литиевые батареи, тем ни менее, они не являются 100% литиевыми (литий-ионными) батареями.
В связи с тем что технология появилась относительно недавно, единого стандарта оценки качества LiFEPO4 батарей не существует, так же как и прямых привычных нам аналогий с показателями свинцово-кислотных аккумуляторов.
По причине отсутствия единого стандарта на LFTP батареи на рынке существует масса разновидностей LFP элементов и батареи их использующих с различными характеристиками и химией внутри, все они называются LFP или литиевыми батареями, но работают по-разному. Не пытаясь объять необъятное мы сделаем акцент на том, что гарантированно могут наши батареи.
Литий-железо-фосфатные батареи Aliant обладают следующими практическими достоинствами:
- габариты - батареи в 3 раза меньше свинцовых аналогов, поэтому всего 3 батареи закрывают весь модельный рад мотоциклов
- батарея само-разряжается менее чем на 0.05% в день, т.е. может спокойно простоять на полке год без подзаряда и не потеряв своих характеристик запустить мотор и затем зарядиться до близкого к 100% состояния
- может находиться в разряженном состоянии без серьезных последствий для последующей производительности, порог разряда 9.5В, пока напряжение на терминалах батареи не опустилось ниже 9.5В - батарея может быть заряжена и возвращена в первоначальное состояние
- равномерный заряд всех 4 элементов внутри с помощью BMS (Batery Management System - Система Управления Батарей) контролера, встроенного в батарею. Внутри батареи 4 элемента, соединенные последовательно, каждая по 3.3V, номинальное напряжение 13.3В, тем ни менее, заряжается батарея через 2 терминала. Этот способ заряда подходит для свинцовых батарей, но не подходит для LFP - внутренние элементы остаются всегда недозаряжены, что увеличивает вероятность их выхода из строя, для того чтобы LFP элементы в последовательном соединении заряжались равномерно в батарею встроена электронная схема, распределяющая заряд, приходящий на 2 терминала по 4 элементам внутри батареи равномерно
огромное число циклов перезаряда, большее чем у литий-ионных батареи и свинцовых батарей,
батарея выдерживает 3000 циклов заряда из состояния 70% разряженности и 2000 циклов из состояния 80% разряженности, что обеспечивает срок службы батареи до 7 лет, мы предоставляем безусловную 2ух летнюю гарантию на батареи ALIANT. В среднем, батарея рассчитана на 12 000 пусков стартера.
высокий ток вращения стартера, при -18С батарея обеспечивает стартер мощностью, соответствующим средней новой свинцовой батареи, но при +23C мощность, которым может снабжаться стартер в два раза выше свинцовой батареи. Высокая отдаваемая мощность немедленно ощущается при запуске мотора, стартер вращается быстро, как на свежайшей свинцовой батареи
вес - ALIANT батареи в 5 раз легче свинцовых
быстрый заряд - в среднем батареи заряжаются на 50% в течение первых 2 минут, 100% заряд в течение 30 минут, это значит что через 30 минут поездки - батарея заряжена на 100%, т.е. фактически ваша батарея всегда заряжена на 100%
стабильное напряжение разряда - во время разряда батарея до последнего держит напряжение, близкое к 13.2В, затем, после разряда, происходит резкое падение напряжения, - батарея, в которой осталось 40% заряда будет быстро крутить стартер
стабильное напряжение разряда - во время разряда батарея до последнего держит напряжение, близкое к 13.2В, затем, после разряда, происходит резкое падение напряжения
работа при сверх-низких температурах. Мы сделали особый акцент на работу батарей при сверх-низких температурах, некоторые опытные мотоциклисты, которым довелось использовать LFP батареи других производителей заметили что с температурой производительность LFP батарей резко падает. Так при +3 градусах, бодрого вращения стартера уже нет, а при минусе, батарея "засыпает" и проснется только после прогрева, по мере отдачи энергии. Благодаря специальной химии - наши батареи лишены этого недостатка. Хотя мощность отдаваемая батарей при -18С падает почти в 2 раза - её все равно достаточно чтобы бодро крутить стартер. Батарея рассчитана на работу при температурах до -30С, при температурах от -3 и выше батареи имеют избыток мощности. В диапазонах температур от -18 до -30С батарея будет крутить стартер, но ощущаться будет как полу-разряженная свинцовая батарея.
работа в любом положении, в батареи нет жидкостей, она может использоваться в любом положении, так же как и гелевые батареи
широкий температурный диапазон - от -30С до +60С
Принципиальные физические отличия LiFePO4 батарей от свинцовых аналогов
Как и сказано ранее, в LiFePO4 батареях и свинцовых батареях разная химия, и чтобы понимать вашу батарею нужно знать в чем кроются различия.
основное отличие касается емкости. Понять различия в батареях можно на примере: если подключить стартер к LiFEP04 батареи и к свинцовой батареи и начать его крутить то за то же время LiFEPO4 батарея прокрутит стартер чуть ли ни в 1.5 больше, практически не снижая скорости вращения чем свинцово-кислотная батарея, если вы ранее пользовались свинцовой батарей то у вас будет до последнего создаваться впечатления что в батареи осталось очень много заряда, однако батарея, на деле, может быть уже почти разряжена, падение скорости вращения не будет происходить плавно, как в случае свинцовой батареи а произойдет скачком после падения напряжения ниже 12в. Если брать свинцовую батарею в 7А/ч и LiFEPO4 батарею схожей емкости то число вращений стартера (по сути - нагрузке) до полного истощения за первые 10 минут у LiFEP04 будет много больше, но в течение следующих 5 минут батарея истощится, тогда как свинцовая батарея сможет крутить стартер до 20 минут. Таким образом, во всех практических случаях жизни при температурах от -18С LiFEPO4 батарея выигрывает у свинцовых батарей, кроме случая когда генератор вышел из строя. В этом случае без генератора, на свинцовой батареи можно протянуть дольше чем на LiFePO4.
перенапряжение. При превышении напряжения заряда выше допустимого LiFEPO4 и свинцово-кислотные батареи ведут себя по-разному. Свинцово-кислотная батарея начинает кипеть. В LIFEPO4 батареях происходят необратимые химические реакции. На рынке не существует мотоцикла который бы давал напряжение, способное вывести LIFEPO4 батарею из строя, тем ни менее в очень редких случаях, когда реле регулятора выходит из строя таким образом, что напряжение на клеммах аккумулятора находится в диапазоне от 15 до 60В - LIFEP04 батарея будет повреждена.
температуры. LIFEP04 батареи не любят низких температур, в наших батареях мы используем специальные элементы, способные работать при температурах до -30С, тем ни менее, после -18С производительность LIFEPO4 батареи падает таким образом, что свинцовая батарея выдает больше мощности чем наша. Если бы не специальная химия в элементах, то уже при +4 градусах LIFEPO4 батарея теряла бы производительность.
Задайте вопрос в службу поддержки: Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
Максимальное в отрасли количество циклов заряда-разряда, в два раза меньшая емкость для достижения тех же электрических характеристик по сравнению со свинцово-кислотными, быстрый заряд большими токами и стабильное напряжение разряда, возможность автоматического контроля параметров – вот преимущества литий-железофосфатных аккумуляторов
. Широкая линейка этих изделий, выпускаемых компанией EEMB
, применяется в системах электропитания базовых станций сотовой связи и автоматических метеостанций, солнечных энергосистемах, системах аварийного энергоснабжения
, питания промышленных электроприводов и электротранспорта.
В последние годы вопрос по усовершенствованию мобильных источников энергии как никогда актуален. Еще 10-15 лет назад он не стоял столь остро. Но лучшее – враг хорошего, и с повышением мобильности городского жителя, т.е. с переходом от стационарного компьютера к ноутбуку, от простого мобильного телефона к смартфону, запросы к мобильным источникам энергии резко возросли.
С миниатюризацией бытовой электроники ее разработчики должны выдерживать общее направление, уменьшая размеры источников питания и при этом увеличивая их емкость. Однако возникает вопрос об изменении не только емкости батарей, но и скорости их перезарядки и долговечности. Ведь если батарея будет восстанавливать заряд почти мгновенно, то уже не так критически важно, сколько часов без подзарядки может работать устройство.
Емкость аккумулятора, а также его способность к многократной перезарядке также важна для:
- автономных устройств, ориентированных на длительную работу без обслуживания – метеостанций, гидропостов, почвенных станций;
- систем альтернативной энергетики – солнечных и ветрогенераторов;
- электротранспорта – гибридных автомобилей, погрузчиков, электрокаров.
Практически во всех перечисленных случаях аккумуляторы эксплуатируются в условиях, далеких от идеальных: при низких температурах, неоптимальных или неполных циклах заряда, высокой вероятности глубокого разряда.
Среди современных аккумуляторов особое место занимают литиевые. Литий обладает огромным ресурсом хранения энергии, поэтому использование литий-ионных аккумуляторов в роли накопителей энергии для солнечных электростанций и других источниках ВИЭ является наиболее выгодным, по сравнению с кислотно-свинцовыми аккумуляторами или другими типами АКБ. Особое место среди аккумуляторов на основе ионов лития занимают литий-железофосфатные аккумуляторы (LiFePO4).
Впервые LiFePO4 в качестве катода для литий-ионного аккумулятора был применен в 1996 году профессором Джоном Гуденафом из Техасского Университета. Данный материал заинтересовал исследователя тем, что в сравнении с традиционным LiCoO2 он обладает значительно меньшей стоимостью, является менее токсичным и более термоустойчивым. Но недостаток его – меньшая емкость. И только в 2003 году компания A123 System под руководством профессора Цзян Йе-Мина занялась исследованием литий-железофосфатных аккумуляторов (LiFePO4).
Основные свойства литий-железофосфатных аккумуляторов
Литий-железофосфатные аккумуляторы (LiFePO4) являются подвидом литий-ионных батарей, в котором в качестве катода используется фосфат железа. Их без преувеличения можно назвать вершиной технологии силовых аккумуляторов. Данный тип аккумуляторов по некоторым параметрам, в частности, по количеству циклов зарядки-разрядки, превосходит все прочие.
В отличие от других литий-ионных, аккумуляторы LiFePO4, как и никелевые, имеют очень стабильное напряжение разряда. Напряжение на выходе во время разряда остается близко к 3,2 В, пока заряд аккумулятора не будет исчерпан полностью. Это может значительно упростить или даже устранить необходимость регулирования напряжения в цепях.
В связи с постоянным напряжением 3,2 В на выходе четыре аккумулятора могут быть соединены последовательно для получения номинального напряжения на выходе 12,8 В, что приближается к номинальному напряжению свинцово-кислотных аккумуляторов с шестью ячейками. Это, наряду с хорошими характеристиками безопасности литий-железофосфатных аккумуляторов, делает их хорошей потенциальной заменой для свинцово-кислотных аккумуляторных батарей в таких отраслях как автомобилестроение и солнечная энергетика.
- При повторных циклах заряда/разряда полностью отсутствует эффект памяти
- Литий-железофосфатные аккумуляторы имеют длительный срок службы (свыше 4600 циклов при глубине разряда 80%)
- Они обладают высокой удельной энергоемкостью: плотность энергии достигает 110 Вт ч/кг)
- Им свойственен широкий температурный диапазон эксплуатации (-20…60°С)
- Эти аккумуляторы не требуют обслуживания
- Имеется возможность быстрого заряда аккумуляторов: за 15 минут – до 50%
- Надежность и безопасность литий-железофосфатных аккумуляторных батарей подтверждены международными сертификатами
- Они обладают высокой эффективностью: 93% при запуске 30…90%
- Допускается высокая скорость разряда током до 10 С (десятикратный номинальный ток)
- Эти аккумуляторы экологичны и не представляют опасности для человека и окружающей среды при утилизации
- В отличие от свинцовых аккумуляторов, литий-железофосфатные в два раза легче при той же емкости
Недостатки по сравнению со свинцово-кислотными батареями:
- более высокая стоимость;
- необходимость специальной схемы контроля заряда-разряда.
Литий-железофосфатные аккумуляторы (LiFePO4) немного проигрывают литий-полимерным по энергоемкости (рисунок 1). Но одной из сильных сторон является стабильность материала, что позволяет создавать аккумуляторные батареи, выдерживающие гораздо больше циклов разряда/заряда (более 2000), и быстрая зарядка. Благодаря этим особенностям данные аккумуляторы оптимально использовать в электрическом транспорте.
На российском рынке особое место среди поставщиков аккумуляторов на основе ионов лития занимает компания EEMB . Она выпускает несколько групп литий-железофосфатных аккумуляторов (рисунок 2), различающихся между собой по электрическим и конструктивным параметрам :
- модульные системы аккумуляторов;
- аккумуляторы для телекоммуникационных устройств;
- источники энергии для «умного дома»;
- тяговые аккумуляторы для электротранспорта.
 |
 |
 |
 |
| а) модульные системы аккумуляторов | б) аккумуляторы для телекоммуникационного оборудования | в) аккумуляторы для систем аварийного питания и автономных систем электроснабжения |
г) тяговые аккумуляторы для электротранспорта |
Литий-железофосфатные аккумуляторы при разряде имеют очень стабильное выходное напряжение до тех пор, пока элемент не разрядится полностью. Затем напряжение резко уменьшается.
На рисунке 3 приведены разрядные кривые аккумулятора , снятые на различных токах разряда (0,2…2С) при нормальных температурных условиях. Как видно из графика, особенностью литий-железофосфатного аккумулятора является слабая зависимость емкости от величины тока разряда. При разряде малым током (0,2С) и при разряде повышенным током (2С) емкость аккумулятора практически не меняется и остается равной 10 А ч (номинальная емкость указанного аккумулятора).
Очень важно не допускать разряда ячейки до уровня менее 2,0 В, иначе произойдут необратимые процессы, которые приведут к резкой потере номинальной емкости. Для этого служит контроллер разряда. Компания EEMB производит аккумуляторы как с наличием, так и с отсутствием защитной схемы. Наличие схемы защиты от разряда и превышения напряжения заряда кодируется в наименовании аббревиатурой PCM в конце, например, LP385590F-PCM .
Рассмотрим зависимости количества циклов «заряд-разряд» от величины разрядного тока и глубины разряда. На рисунке 4 приведены экспериментальные данные. Из них видно, что при полном разряде потеря емкости аккумулятора на 20% происходит при количестве циклов не менее 2000 (ток разряда 1C). Если глубину разряда ограничить уровнем 80% в каждом цикле, то при проведении примерно 1500 подобных циклов снижения емкости аккумулятора от первоначальной величины практически не наблюдалось (ток разряда 0,5С).
Последнее поколение литий-железофосфатных АКБ производства компании EEMB в отличие от существующих свинцово-кислотных аккумуляторов не требует частой замены и обслуживания. Как правило, литий-железофосфатный АКБ – современный аккумулятор, выдерживающий более 2000 циклов заряда-разряда, абсолютно нечувствительный к режимам хронического недозаряда. В большинстве случаев он имеет встроенную плату управления аккумуляторной батареей (Battery Management System). Заряд осуществляется постоянным напряжением и постоянным током без стадий.
В таблице 1 показаны основные параметры одноэлементных литий-железофосфатных аккумуляторов компании EEMB. Номинальная емкость этого типа аккумуляторов находится в пределах 600…36000 мА ч (вес – 15…900 грамм соответственно). Одноэлементные Li-FePO4-аккумуляторы чаще всего применяются в приборах с автономным питанием. Эти аккумуляторы допускают разряд высоким током до 10С. После 2000 циклов заряда-разряда током 1С остаточная емкость составляет около 80%.
Таблица 1. Одноэлементные LiFePO4-аккумуляторы EEMB
| Наименование | Напряжение, В | Емкость, мА ч | Вес, г |
| 3,2 | 600 | 15 | |
| 1250 | 31,25 | ||
| 2000 | 50 | ||
| 3500 | 87,5 | ||
| 5000 | 125 | ||
| 5000 | 125 | ||
| 7000 | 175 | ||
| 9000 | 225 | ||
| 22000 | 500 | ||
| 36000 | 900 |
Используя модульные системы с отдельными ячейками, обладающими повышенной емкостью, параметры которых приведены в таблице 2, можно собрать аккумуляторный блок необходимой емкости и выходного напряжения.
Таблица 2. Основные параметры модульных систем Li-FePO4
Также модульные системы оснащены системой управления питанием (BMS), которая допускает разряд высокой мощности и обладает множеством контрольных и защитных функций. Модули с интегрированной системой мониторинга обеспечивают высокий уровень безопасности всей системы и окружающей среды. Рекомендованные области применения:
- системы аварийного и бесперебойного питания;
- базовые станции.
Телекоммуникационные системы питания требуют от аккумуляторов небольших размеров, малого веса, большого количества циклов перезарядки, высокой удельной емкости, широкого диапазона рабочих температур и простоты в обслуживании. Литий-железофосфатные аккумуляторы вполне соответствуют этим требованиям. В таблице 3 приведены основные параметры аккумуляторов EEMB для телекоммуникационных систем.
Таблица 3. Аккумуляторы для телекоммуникационных систем питания
| Наименование | Напряжение, В | Емкость, А ч | Вес, кг |
| 12 | 50 | 6 | |
| 12 | 100 | 22 | |
| 48 | 100 | 40 | |
| 48 | 200 | 78 |
Пример номенклатурной записи: 4P5S – четыре параллельно включенных сборки (каждая сборка состоит из пяти последовательно включенных аккумуляторов), P – Parallel, параллельное включение, S – Serial, последовательное включение.
В основном аккумуляторы данных серий применяются в:
- системах питания постоянного тока;
- устройствах обеспечения бесперебойного питания (UPS);
- высоковольтных системах питания постоянного тока (240/336 В).
Характеристики аккумуляторных батарей для источников и систем бесперебойного питания для «умного дома» (UPS/ИБП) приведены в таблице 4, а внешний вид изображен на рисунке 3в.
Таблица 4. Аккумуляторы для ИБП «умного дома»
| Наименование | Напряжение, В | Емкость, А ч | Вес, кг |
| 12 | 10 | 1,3 | |
| 12 | 20 | 2,5 | |
| 12 | 30 | 3,5 | |
| 24 | 20 | 4,5 | |
| 14,4 | 4,5 | 0,7 | |
| 14,4 | 7 | 0,9 | |
| U1 | 48 | 10 | 4 |
Литий-железофосфатные аккумуляторы EEMB Super Energy серии SLM полностью заменяют обычные свинцово-кислотные и гелиевые аккумуляторы. Они не требуют обслуживания, на 80% легче и в пять раз долговечнее свинцово-кислотных аккумуляторов и их аналогов.
Тяговые аккумуляторы для электромобилей - это перезаряжаемая батарея для установки в автомобилях на электрической тяге. Ключевыми особенностями аккумуляторов для электромобилей являются малый вес, компактный размер и большая энергоемкость, что позволяет уменьшить вес самого электромобиля и дает возможность быстрой зарядки.
Компания EEMB предлагает ассортимент аккумуляторов для электротранспорта различных категорий (таблицы 5, 6).
Основные параметры литий-железофосфатных аккумуляторов, применяемых в автомобилях для гольфа, и аналогичных аккумуляторов серии GOLF CART приведены в таблице 5. Эти аккумуляторы допускают параллельное и последовательное соединение ячеек, благодаря чему можно легко изменять номинальную емкость и напряжение аккумулятора.
Таблица 5. Параметры аккумуляторных батарей серии GOLF CART
| Наименование | Напряжение, В | Емкость, А ч | Вес, кг |
| 6,4 | 10 | 0,5 | |
| 9,6 | 20 | 1,5 | |
| 12,8 | 30 | 3 | |
| 12,8 | 40 | 4 | |
| 25,6 | 10 | 2 | |
| 25,6 | 60 | 12 |
Параметры аккумуляторов Li-FePO4 для электровелосипедов (серия E-bike) приведены в таблице 6.
Таблица 6. Параметры аккумуляторных батарей серии E-bike
| Наименование | Напряжение, В | Емкость, А ч | Вес, кг |
| 24 | 10 | 2,5 | |
| 24 | 20 | 4,5 | |
| 24 | 40 | 9 | |
| 36 | 10 | 3,5 | |
| 36 | 20 | 6,5 | |
| 36 | 30 | 10 | |
| 48 | 20 | 9 |
По требованиям клиента под заказ могут быть изготовлены и другие варианты. Данные серии аккумуляторов также выпускаются в сборках, где одиночные элементы соединены последовательно или параллельно-последовательно. Габаритные размеры одного элемента сборки этой серии составляют 9,1х67,5х222 мм.
В таблице 7 приведены параметры литий-железофосфатных аккумуляторов для электрических скутеров и электроинструментов. Аккумуляторы серии E-scooter обладают небольшими размерами, имеют высокий допустимый ток разряда, большой срок службы, высокую плотность энергии, отсутствие эффекта памяти, что обеспечивает популярность этих аккумуляторов в подходящих по мощности приборах, где необходимо автономно питать электродвигатели.
Таблица 7. Параметры аккумуляторных батарей серии E-scooter
| Наименование | Напряжение, В | Емкость, А ч | Вес, г |
| 9,6 | 1,4 | 150 | |
| 16 | 1,4 | 250 | |
| 19,2 | 7 | 1500 | |
| 22,4 | 8,4 | 2100 |
В таблице 8 приведены параметры литий-железофосфатных аккумуляторов для электромотороллеров серии E-motorcycle. Номинальное напряжение всех аккумуляторов этой серии составляет 48 В. Минимальное значение номинальной емкости – 9 А ч при весе 4 кг. Максимальное значение емкости – 90 А ч при весе 40 кг. Размеры одного элемента – 7,5х67х220 мм.
Таблица 8. Параметры аккумуляторных батарей серии E-motorcycle
| Наименование | Напряжение, В | Емкость, А ч | Вес, кг |
| 48 | 9 | 4 | |
| 48 | 36 | 16 | |
| 48 | 54 | 24 | |
| 48 | 90 | 40 |
Сравнительные характеристики LiFePO4-аккумуляторов
На объектах малой энергетики в режимах постоянного циклирования литий-железофосфатные аккумуляторы за счет возможности глубокого разряда и большого количества циклов заряда-разряда дают ощутимые преимущества в обслуживании объекта.
Аккумуляторные модули имеют встроенную защиту от перенапряжений, низкого заряда, повышенных токов. Они совместимы со всеми приборами, в том числе – инверторами и зарядными устройствами, работающими со свинцово-кислотными аккумуляторами. Изначально цена на литий-железофосфатные АКБ кажется достаточно высокой. Однако при расчете емкости АКБ для работы в режиме циклирования выясняется, что в случае применения LiFePO4-аккумуляторов достаточно АКБ примерно в 2…2,5 раза меньшей емкости, чем для свинцово-кислотных аккумуляторов (включая свинцово-гелиевые). Это возможно за счет того, что литий-железофосфатные аккумуляторы допускают зарядку более высокими токами, чем свинцово-кислотные (1С против типовых для свинцово-кислотных 0,1…0,2С). Вследствие этого массив солнечных панелей, например, при том же выходном токе массива и требуемом времени заряда, можно нагружать на менее емкий, чем свинцово-кислотный, литий-железофосфатный аккумулятор. Меньшая емкость на разряд будет компенсироваться более быстрыми циклами заряда, тем более что ресурс по циклам «заряд-разряд» в среднем на порядок больше. Сюда же добавляется намного более медленное падение емкости при циклах перезарядки.
Рассмотрим пример. Если мы ранее использовали свинцово-кислотный АКБ AGM/GEL 150 А ч в режиме циклирования, то для его замены без потери эксплуатационных характеристик будет достаточно АКБ типа LiFePO4 емкостью 60 А ч. При верном расчете 1 к 2,5 стоимость АКБ LiFePO4 всего на 25…35% больше, чем свинцово-кислотных АКБ. При этом литий-железофосфатные АКБ в среднем будут иметь лучшие эксплуатационные характеристики в сравнении со свинцово-кислотными.
В режиме накопления и последующего разряда при одинаковых разрядных токах литий-железофосфатные аккумуляторы могут дать преимущество в емкости в 2,5 раза, что легко показать на примере.
Как правило, емкость аккумулятора выбирается исходя из возможного времени отсутствия основной энергии и потребляемой мощности нагрузки.
Например, если нам нужно запитать нагрузку 2 кВт в течение 1 часа, то, соответственно, нужен запас энергии, как минимум, в 2 кВт ч. Необходимо, чтобы эта система могла нормально функционировать более 6 месяцев в циклическом режиме (днем – заряд, вечером – разряд). Для аккумулятора или набора аккумуляторов с выходным напряжением 48 В требуемая расчетная емкость составит примерно 42 А ч. Ток при разряде будет примерно равен 1С (42 А). Однако следует учесть, что в нашем примере следует считать разряд не постоянным током, а постоянной мощностью, при этом при разряде АКБ ток разряда будет увеличиваться. В режиме разряда постоянной мощностью (2 кВт) свинцово-кислотный АКБ (48 В/40 А ч) способен проработать не более 30 минут (при глубоком разряде – до 40,8 В).
Чтобы нагрузка уверенно отработала один час на свинцовом аккумуляторе, потребуется его емкость примерно в два раза больше изначально рассчитанной – порядка 85 А ч. С другой стороны, разряд железо-фосфатного аккумулятора током 1С или выше не приводит к существенному снижению его емкости – она остается на уровне номинальной (рисунок 3). Из этого видно, что может быть достигнуто различие в емкости двух типов АКБ в два раза. Также необходимо принять во внимание, что при работе свинцово-кислотного АКБ в режиме циклирования его емкость снизится на 20% уже при 150…200 циклах заряда-разряда, поэтому, чтобы это скомпенсировать, следует изначально выбрать аккумулятор с емкостью на 20% выше. Получается, что условия ранее поставленной задачи будут выполнены в течение первых 6 месяцев при емкости свинцово-кислотного АКБ в 102 А ч. С другой стороны, слабая зависимость емкости железофосфатного АКБ позволит обойтись практически расчетной емкостью 42 А ч. Как видим, разница в требуемой емкости между двумя типами АКБ составляет около 2,5 раз.
Литий-железофосфатные аккумуляторы легко принимают мощный зарядный ток. Поэтому, нагрузив на них втрое более мощный (относительно свинцово-кислотных АКБ) массив солнечных батарей, можно зарядить их за короткое время, равное 2…4 часам. А принимая во внимание нечувствительность к глубокому разряду и хроническому недозаряду, эти батареи незаменимы в зимний период, особенно с учетом того факта, что литий-железофосфатные АКБ имеют более высокое КПД 95% (в отличие от 80% у свинцово-кислотных АКБ), а значит, в пасмурную и дождливую погоду эти АКБ заряжаются быстрее (таблица 9).
Таблица 9. Сравнение литий-железофосфатных и свинцово-кислотных аккумуляторов
| Параметр | Литий-железофосфатная система электроснабжения |
Обычная система со свинцовыми АКБ глубокого разряда |
Преимущества LiFePO4 |
| Рабочее количество эффективных циклов | > 6000 при разряде 80% | ~500 | Количество циклов значительно выше |
| Система балансировки ячеек | Присутствует при заряде и разряде | Отсутствует | Автоматический контроль за состоянием каждой ячейки |
| Защита от перезаряда/глубокого заряда на уровне ячеек | 100% многоуровневый контроль | ||
| Защита АКБ при сбоях в системе | 100% (отключение тока заряда и разряда) | ||
| Точный расчет запаса энергии в АКБ на основании данных от датчиков напряжения, тока, температуры и сопротивления ячеек | Постоянный расчет в реальном времени | ||
| Возможность быстрой зарядки | Да (около 15 минут) | Нет | |
| Необходимость поддержания АКБ в заряженном состоянии |
Нет | Да, иначе — сульфатация пластин | Нет необходимости поддерживать заряд, экономия на обслуживании |
| Расчетный срок службы при ежедневном полном цикловании 70% для LiFePO4 и 50% для свинцовых АКБ (при идеальных условиях), лет | 15 | ~4 | Минимум в 4 раза выше |
| Диапазон рабочих температур, °С | -20…60 | Рекомендуемая температура: 20°С | Возможна установка системы питания в неотапливаемых помещениях |
| Влияние повышенной температуры (30°С и выше) | Допустима работа вплоть до верхнего предела рабочего диапазона температур | Быстрая деградация | Аккумуляторные ячейки выдерживают значительно более высокие температуры |
| Календарный срок службы (буферный режим или режим хранения) | Не ограничен | Ограничен, так как пластины деградируют в любом случае | Значительный выигрыш |
| Возможность добавлять емкость в существующий блок аккумуляции | Да | Не рекомендуется, так как приведет к разбалансировке | Возможность постепенной модернизации и масштабирования без лишних затрат |
| Возможность замены одной/нескольких испорченных ячеек в аккумуляторной сборке | Да, поскольку есть система балансировки | ||
Заключение
В режимах циклирования использование литий-железофосфатных аккумуляторов более выгодно, так как для достижения энергетических и эксплуатационных параметров достаточно примерно в два раза меньшей емкости, чем у свинцово-кислотных. Не меньшую ценность представляют нечувствительность к недозаряду, повышенный КПД и ускоренный заряд большими токами.
Литий-железофосфатные аккумуляторы рекомендуется использовать в солнечных энергосистемах, работающих в условиях короткого светового дня, что особенно актуально для средней полосы России, северных регионов, а также горных районов. Длительный срок службы (большое количество циклов «заряд-разряд») литий-железофосфатных аккумуляторов позволяет существенно сократить расходы на их обслуживание и замену, что актуально, например, для автоматических станций наблюдения за погодными условиями и систем аварийного питания базовых станций сотовой связи. Увеличение периода времени между плановой сменой аккумуляторов приводит к экономии на оплате труда бригады обслуживания, а также на дорожных расходах (особенно в том случае, если оборудование установлено в труднодоступных местах). Снижение накладных расходов на обслуживание будет с лихвой компенсировать относительно высокую стоимость литий-железофосфатного аккумулятора.
Аккумуляторы данного типа также могут быть успешно применены в телекоммуникационной технике (базовое телекоммуникационное оборудование и мобильные устройства), источниках бесперебойного питания, системах аварийного энергоснабжения, системах питания электроприводов и электротранспорта.
Изготовитель аккумуляторов – компания EEBM – осуществляет тщательный контроль качества продукции и имеет возможность выполнения аккумуляторных сборок на заказ по требованиям клиента.
Литература
- http://www.eemb.com.
- http://www.eemb.com/products/rechargeable_battery/lifepo4_battery/lifepo4_battery.html.
