Современные системы накопления энергии бесплатное чтение
Введение
Мировая электроэнергетика находится в одном шаге от преобразования базового технологического принципа – соответствия уровня генерации и потребления в единый момент времени. Прорывная технология, которая позволит разделить генерацию и потребление, это накопление энергии. Эта технология полностью изменит всю систему диспетчеризации, соотношение традиционной и альтернативной электроэнергетики и многое другое.
Атомные, тепловые, а также гидроэлектростанции на сегодняшний день являются главными источниками получения электричества. Однако постепенно на смену этим высокоаварийным и экологически небезопасным способам получения электроэнергии приходят альтернативные методы ее выработки, доля которых уже сегодня составляет около 25% мирового энергетического баланса.
Cпециалисты напоминают нам о том, что энергосети работают не так эффективно, как могли бы, и призывает переходить на распределенную энергетику. Наблюдается масштабное вовлечение в энергосистему распределенных энергетических ресурсов (в том числе и возобновляемых источников энергии), оптимальное сочетание большой, распределенной и автономной энергетики.
Формируемая новая технологическая модель электроэнергетики будет характеризоваться увеличением сложности энергосистем с появлением существенной доли распределенной генерации, с повышением требований по доступности, качеству и надежности энергии. Все это будет связано с массовое применение накопителей электроэнергии, приводящее к новому построению энергосистемы. Потенциальные области применения накопителей включают: сглаживание неравномерности производства и потребления (в том числе на ВИЭ), регулирование напряжения и частоты, предоставление резерва мощности, аварийное питание для предотвращения развития системных чрезвычайных ситуаций. Однако эффективная работа такой электростанции невозможна без использования систем накопления энергии. Применение такого оборудования позволяет аккумулировать (сохранять) получаемую энергию для ее использования в будущем, например, в темное время суток, когда ее выработка ввиду отсутствия света просто невозможна.
Современные энергетические рынки нельзя представить без жизненно важных компонентов – систем накопления энергии. В своей погоне за углеродной нейтральностью и адаптацией к изменчивой генерации из возобновляемых источников ведущие мировые экономики ставят перед собой амбициозные цели. В этом контексте системы накопления играют ключевую роль, организуя процесс генерации энергии из возобновляемых источников, балансируя спрос и предложение, а также предоставляя необходимые функции, включая регулирование частоты и напряжения для обеспечения стабильности и надежности электросети.
По данным Bloomberg NEF, в 2022 году рынок накопителей энергии достиг впечатляющих результатов, увеличившись на 16 ГВт мощности при емкости в 35 ГВт·ч, демонстрируя значительный рост на 68% по сравнению с предыдущим годом. По оценке компании, установленная мощность накопителей энергии в мире к 2040 году взлетит до 1095 ГВт, а их емкость достигнет 2850 ГВт*ч.
Как сообщает Европейская ассоциация хранения энергии (EASE), Европе потребуется общая установленная мощность систем хранения энергии в 187 ГВт к 2030 году и 600 ГВт к 2050 году для достижения целей по переходу на возобновляемые источники энергии. Тем не менее, несмотря на строгие цели по сокращению выбросов углекислого газа на всем континенте, большинство стран еще не разработали национальную стратегию и не установили целевые показатели по внедрению накопителей энергии, однако прослеживаются многообещающие начинания.
Европейский союз (ЕС) уже активно поддерживает развитие инфраструктуры СНЭ (систем накопления энергии) посредством различных инициатив.
Ожидается, что на мировом рынке будут доминировать США и Китай, за которыми будут следовать Германия и Индия. Объём инвестиций в сектор за рассматриваемый период составит 662 млрд долларов США. Такое бурное развитие станет возможным благодаря дальнейшему падению стоимости литий-ионных аккумуляторов, которая в период 2010-2018 снизилась на 85%.
Главную роль в развитии рынка будут играть крупные промышленные (utility-scale) накопители энергии, установленные в системе, а не у потребителей, считает BNEF. В ближайшей перспективе основную долю рынка займут гибридные проекты, в которых ВИЭ, в первую очередь солнечные электростанции будут комплектоваться накопителями энергии. В дальнейшем системы хранения энергии станут реальной альтернативой генерирующим активам любого типа, а также расширению сетей. Авторы отмечают, что к 2040 году около 40% мировой электроэнергии будут вырабатывать ветровые и солнечные электростанции. Это явится одним из основных стимулов роста рынка накопителей энергии.
На чем основаны энергетические системы разных поколений?
Первое поколение (1880–1930 гг.):
–местное отопление;
–системы на основе перегретого (высокотемпературного) пара;
–уголь.
Второе поколение (1930–1980 гг.):
–районное теплоснабжение;
–высокотемпературная система водяного отопления под давлением;
–комбинированные тепло и электрическая мощность;
–уголь, мазут.
Третье поколение (1980–2020 гг.):
–районное теплоснабжение;
–горячая вода средней температуры;
–комбинированные системы выработки тепла и электрической мощности;
–газ, уголь, мазут, энергетическое сырье из биомассы;
–крупномасштабные солнечные электростанции.
Четвертое поколение (2020–2050 гг.):
–районное теплоснабжение;
–горячая вода низкой температуры;
–централизованный нагрев и охлаждение;
–накопление и хранение электрической и тепловой энергии;
–рекуперация тепла;
–комбинированные системы выработки тепла и электрической мощности;
–энергетическое сырье из биомассы;
–теплообмен через геотермальные насосы;
–возобновляемая энергия: энергия солнца и ветра.
Системы четвертого поколения работают при более низких температурах воды, что приводит к снижению потерь тепла по сравнению с предыдущими поколениями и позволяет использовать различные источники для его получения, такие как отходы, геотермальный обмен, солнечное тепло, комбинированное тепло, и рекуперация энергии и тепла. В сочетании с накопителем тепловой энергии и интеллектуальным управлением такая система становится экономичным способом интеграции возобновляемой энергии и технологий накопления в повседневную практику предоставления услуг энергосистемами.
Структура целевого использования систем накопления электрической энергии (СНЭЭ) в мире, следующая:
1.Регулирование частоты -55%.
2.Резервная мощность -9%.
3. Смещение графика нагрузки – 13%.
4. Снижение счета потребителя -11%.
5.Снижение счета с ВИЭ -1%.
6.Поддержка ВИЭ -7%.
7. Надежность и качество – 1%.
8. Холодный пуск – 2%
9.Управление нагрузками -1%.
В последние десятилетия технологии накопления энергии вышли на качественно новый уровень. Создаваемые на основе передовых технологий системы накопления электрической энергии уже сегодня являются актуальными и востребованными в электроэнергетике.
Глава 1. Роль систем накопления в энергетике
В последние десятилетия быстро развивается распределённая генерация, что значительно обостряет проблему поддержания баланса активной мощности, стремительными темпами растет парк электротранспорта, значительно расширился сектор ВИЭ-генерации в мировой энергетике. Накопление энергии в специализированных устройствах становится одним из ключевых направлений развития энергетики, открывающим новый этап её развития.
Глобальная энергосистема постоянно меняется, и важным компонентом этого роста являются промышленные накопители энергии, поскольку они способствуют повышению гибкости и. играют все более важную роль в распределении энергии. Долговременное хранение энергии имеет большой потенциал для мира, в котором энергия ветра и солнца преобладает над добавлением новых электростанций и постепенно вытесняет другие источники электроэнергии. Коммунальный сектор и транспорт стремятся полностью перейти на электрическую энергию, в связи с этим быстро растет потребность в надежном, эффективном и экономичном аккумулировании энергии и ее отдаче во время пиковых нагрузок. Батареи, конденсаторы, кинетическая энергия, хранение энергии в виде нагретой или охлажденной жидкости, а также в виде водорода – все это уже доступные и использующиеся решения, дающие широкие возможности. Однако, как обычно и бывает в нашей жизни, идеального метода нет, и каждая из перечисленных технологий, в зависимости от предполагаемого последующего применения накопленной энергии, имеет свои преимущества.
Поскольку процентное содержание непрерывной генерации энергии на основе углерода в структуре энергопотребления уступает место менее стабильному производству энергии из возобновляемых источников, накопление энергии представляет собой средство, с помощью которого спорадические поставки могут быть эффективно синхронизированы с колебаниями генерации и спроса в течение любого дня. Ветер и солнце производят энергию только в определенное время, поэтому им нужна дополнительная технология, которая поможет заполнить пробелы. В мире, где доля периодического, сезонного и непредсказуемого производства электроэнергии растет и увеличивается риск десинхронизации с потреблением, хранение делает систему более гибкой. Накопители служат главным образом в качестве буфера и позволяют упростить управление и интеграцию возобновляемых источников энергии как в сети, так и в зданиях при отсутствии ветра и солнца.
С увеличением доли возобновляемой энергетики все острее становится проблема балансировки системы энергоснабжения. Сейчас компенсация дефицита генерации проводится при помощи гидроаккумулирующих станций и маневровых мощностей тепловых электростанций. При этом использование последних фактически снижает эффективность использования «зеленых» источников энергии в плане декарбонизации процесса производства электроэнергии.
Когда возобновляемый источник энергии не может удовлетворить текущую потребность в мощности по причине неподходящих погодных условий (отсутствие достаточных солнечного света или силы ветра) или доступная генерация не соответствует пиковым потребностям в энергии, система накопления энергии может эти разрывы компенсировать, при этом поставка дополнительной энергии от традиционных источников электроэнергии не потребуется. Без накопления энергии или других управляемых источников генерации колебания возобновляемых источников энергии могут создать разрушительные дисбалансы, препятствующие поддержанию стабильности энергосистемы.
Несмотря на то, что физические принципы, используемые в СНЭ, в основном были давно известны, их практическое использование сдерживалось несовершенством технологий и их дороговизной. СНЭ с относительно большими мощностями (более 100 кВт) и энергоёмкостью (более 100 кВт∙ч) получили широкое распространение и начали активно влиять на процессы реформирования электроэнергетики только в последние десятилетия в связи с прорывными научными достижениями в технологиях хранения энергии. Установленная мощность стационарных СНЭ (без учета ГАЭС) достигла в целом по миру к середине 2017 года 5 ГВт. По оценкам Navigant Research, к 2025 году рынок систем накопления электроэнергии, используемых в сетевых и системных услугах, превысит 18 млрд долл., а рынок накопителей, установленных на коммерческих и промышленных объектах, – 10,8 млрд долл. К 2025 году рынок суммарно составит 82 млрд долл. в год с ежегодными темпами роста до 60%.
McKinsey Global Institute включил технологии накопления энергии в число 12 наиболее значимых для развития мировой экономики. По прогнозу Bloomberg New Energy Finance, за период 2016–2030 годов объем инвестиций в системы накопления электроэнергии превысит 100 млрд. долл.
Основные стимулы развития рынка и практики применения СНЭ в мире:
1. Массовое распространение генерации на основе ВИЭ, эффективное масштабное применение которой невозможно без СНЭ.
2. Развитие и начало массового распространения городского и частного электрического транспорта.
3. Развитие распределённой генерации.
4. Массовое промышленное освоение литий-ионных АКБ, выступающих своего рода строительными блоками наиболее распространенных сегодня СНЭ, и резкое снижение их стоимости.
5. Прогресс технологий в силовой электронике и снижение себестоимости преобразователей, а также развитие систем коммуникаций, позволяющих координировать и управлять значительным количеством объектов в энергосистеме.
6. Рост потребности в пиковых генерирующих и сетевых мощностях (в том числе вследствие увеличения неравномерности бытового потребления в совокупном балансе электропотребления), приводящий к росту стоимости мощности для потребителей и к снижению эффективности работы энергосистем.
Всё перечисленное выше говорит о наступающем новом этапе в развитии электроэнергетики. Учитывая высокую стоимость СНЭ, целесообразно совмещать в одном устройстве одновременное выполнение разных функций.
Наиболее востребованные задач, которые могут быть решены с помощью СНЭ.
1.Повышение эффективности гибридных электростанций со СНЭ. В РФ, на территории не обслуживаемой Единой Энергосистемой, прежде всего, в Сибири и на Дальнем Востоке, эксплуатируется несколько тысяч автономных дизельных электростанций. На закупку и доставку топлива для этих электростанций затрачивается до 40% региональных бюджетов. При наличии достаточных объёмов возобновляемых ресурсов энергии целесообразно строить гибридные электростанции, в которых комбинируются ветрогенераторы, солнечные установки и традиционные дизель-генераторные агрегаты. Оснащение гибридных электростанций системами накопления энергии даёт возможность повысить их эффективность, так как появляется возможность оптимизировать потоки энергии и при необходимости хранить её невостребованные объёмы, полученные при избытке возобновляемой генерации.
2. Автоматическое регулирование частоты и перетоков активной мощности. Любое нарушение баланса активной мощности приводит к изменению частоты в энергосистеме, поддержание которой в нормируемых пределах при наличии резервов регулирования осуществляется автоматическими регуляторами частоты. Накопители энергии могут эффективно применяться в качестве вращающегося резерва, а также первичного и вторичного резерва регулирования частоты. СНЭ, благодаря своему быстродействию, могут привлекаться для первичного и вторичного регулирования частоты. Они способны эффективно по законам и алгоритмам, недоступным традиционным средствам регулирования частоты, обеспечивать баланс активной мощности. Это особенно важно для энергосистем со значительной долей генерации на ВИЭ. Использование СНЭ для целей противоаварийного управления. При возникновении аварийной ситуации по сигналам от традиционной системы противоаварийной автоматики (ПА) СНЭ способна воздействовать на процессы в энергосистеме, выдавая или потребляя активную/реактивную мощность со временем отклика около 5 мс. При этом «штатная» ПА энергосистемы должна дублировать возложенные на СНЭ функции, в качестве резервной автоматики. Изменение режима работы энергосистемы, нормальные технологические коммутации её элементов, аварийные события приводят к изменениям уровней напряжения в электрической сети. СНЭ, установленные в узлах нагрузки, способны в темпе переходных процессов поддерживать требуемый уровень напряжения и регулировать его по любому заданному закону. Это позволяет избежать отключения потребителей, снизить перетоки реактивной мощности по линиям электропередачи и понизить вероятность развития лавины напряжения.
Электроснабжение отдельных крупных потребителей электроэнергии или удалённых от объединённой энергосистемы промышленных районов зачастую осуществляется по линиям электропередачи, относящимся к слабым связям. Установка СНЭ на приёмном конце электропередачи, позволяет перераспределять передаваемую энергию во времени таким образом, чтобы сгладить график загрузки электропередачи и снизить пиковое значение мощности в центре питания. Таким образом становится возможным передавать большее количество энергии, не превышая максимально допустимое значение мощности электропередачи. Для потребителей электроэнергии прерывание электроснабжения даже на время работы автоматики АВР может приводить к нарушению технологического процесса и значительному ущербу. Потребители обеспечиваются аварийными дизель-генераторными установками (ДГУ). За время пуска и подключения ДГУ к системе электроснабжения, выбег электродвигателей возрастает настолько, что при самозапуске асинхронных двигателей могут возникать недопустимо большие токи, а синхронные двигатели могут выпасть из синхронизма. Дополнение системы электроснабжения накопителем энергии, способным обеспечить питание потребителей до момента включения аварийного генератора, позволяет существенно повысить надёжность электроснабжения потребителей.
Влияние потребителей большой мощности с резко переменным характером нагрузки на работу энергосистемы имеет ряд негативных последствий. Из-за колебаний мощности по питающим линиям электропередачи возрастают потери активной мощности, понижается уровень статической и динамической устойчивости энергосистемы, возрастает вероятность развития низкочастотных колебаний режимных параметров. Установка СНЭ в узле нагрузки позволяет парировать все нежелательные отклонения режимных параметров и стабилизировать их в заданных пределах.
На большинстве автономных электростанций используются дизельные, газопоршневые и газотурбинные генераторные агрегаты, количество которых на каждой станции не превышает нескольких единиц. Во многих случаях их коэффициент использования установленной мощности (КИУМ) имеет низкие значения – до 25–35%, что приводит к повышенному расходу топлива. Включение СНЭ в состав автономной электростанции позволяет уменьшить установленную мощность генераторных агрегатов (вплоть до среднего значения графика нагрузки), обеспечить их высокий коэффициент загрузки и существенно сократить расход топлива при условии сохранения максимальной мощности и объёма выработки электроэнергии.
Кроме того, актуальной в современных условиях является способность СНЭ выполнять функцию активного фильтра, не пропуская высшие гармоники токов из системы электроснабжения на приёмном конце электропередачи в передающую энергосистему.
Одна из основных функций СНЭ – управление реактивной мощностью. В узлах установки СНЭ, на фоне выполнения основной функции – управление активной мощностью – целесообразно возложить на них задачу управления реактивной мощностью, заменяя традиционные средства управления, регулирования и компенсации. Быстродействие СНЭ и способность как потреблять, так и выдавать реактивную мощность позволяют применять её не только для регулирования в условиях ведения нормальных режимов, но и для решения задач противоаварийного управления.
СНЭ выполняет защиту генераторных агрегатов от резких изменений нагрузки Резкие, скачкообразные изменения нагрузки значительной амплитуды в автономных, изолированных энергосистемах, а также работающих в островном режиме, могут приводить к аварийным отключениям газопоршневых установок (ГПУ). В то же время ГПУ по технико-экономическим характеристикам наиболее привлекательны для автономных энергосистем предприятий нефтегазового сектора, как правило, не имеющих связи с объединённой энергосистемой.
Также СНЭ позволяют решать задачу управления энергосистемой при значительной доле ветровой или солнечной генерации. Обычно суточный график нагрузки энергосистемы имеет характерный ночной минимум и два максимума – утренний и вечерний. СНЭ, обладающая достаточной энергоёмкостью и мощностью, способен накапливать электроэнергию в период ночного минимума при её минимальной цене и возвращать в периоды максимумов с максимальной ценой. Сглаживание суточного графика позволяет уменьшить его максимум и, следовательно, уменьшить потребность в генерирующей мощности энергосистемы и снизить перетоки мощности по линиям электропередач в периоды максимумов.
В настоящее время необходимыми для выравнивания графиков нагрузки параметрами обладают гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) и накопители на сжатом воздухе (ВАЭС), позволяющие накапливать/выдавать в течение нескольких часов значительные объёмы энергии.
В мире существуют сотни реализованных проектов с накопителями энергии различных типов. По расчетной мощности накопителей энергии первое место занимает Китай. Это обусловлено тем, что в стране широко применяются гидроаккумулирующие электростанции большой мощности и энергоёмкости. По количеству реализованных проектов различного типа накопителей энергии безоговорочным лидером являются США, где число проектов более чем в 5 раз превышает аналогичный показатель Китая. В США основным типом накопителей энергии являются электрохимические батареи. Их число составляет около 80% от всех видов накопителей по стране.
Электротранспорт уже сейчас является одним из основных потребителем накопителей энергии. В 2018 г. суммарная доля установленных в электроавтомобилях накопителей составила 142 ГВт·ч, при этом к 2030 г. прогнозируется рост до 2623 ГВт·ч. В качестве накопителей в этих автомобилях, как правило, применяются Li-Ion-батареи, однако, иногда также используются суперконденсаторы и топливные элементы.
В России на базе Национальной технологической инициативы (НТИ) в дорожных картах рынка Автонет определены технологические барьеры (запросы) к накопителям энергии для электротранспорта. Накопитель энергии должен:
–обеспечивать пробег в 600 км и более на одной зарядке;
–время заряда не более 3 мин (до 80%);
–количество циклов заряда не менее 20 000;
–температурный режим –50…+65°С)
В то же время для легковых автомобилей личного пользования к 2025 г. определены следующие требования к батарее (в сборе для одной ячейки:
–энергоемкость не ниже 350 Вт·ч/кг;
–удельная плотность запасаемой энергии не менее 800 Вт·ч/л;
–мощность- (при +25°С/ при –25°С) 1400/1000 Вт/кг;
–ток заряда, 300 А;
–циклируемость более 2000 циклов;
–стоимость, менее $100/кВт·ч;
–безопасность.
Данные параметры накопителя обеспечивают эксплуатационные и коммерческие характеристики для электромобилей со сроком активной эксплуатации до 10 лет.
Еще одной удивительной особенностью промышленных накопителей энергии является их совместимость с фотоэлектрическими установками (ФЭУ). Это преимущество позволяет предприятиям получать выгоду от выработки возобновляемой энергии, а также снижать зависимость от электросети, сокращать расходы и достигать целей устойчивого развития.
По мере внедрения новых технологий, таких как распределенная генерация, электромобили и "умные" счетчики, инфраструктура будет нуждаться в значительной корректировке энергопотребления.
Глава 2. Архитектура систем накопителей электрической энергии
. Согласно ГОСТ Р 58092.2.1-2020 “Системы накопления электрической энергии (СНЭЭ). Параметры установок и методы испытаний. Общее описание” содержит следующую архитектуру, рис. 2.1, а структура СНЭЭ с одной точкой подключения напряжения к сети (ТПН), рис.2.2, с двумя ТПН, рис.2.3.
Рис.2.1. Архитектура СНЭЭ
Рис. 2.2 Структура СНЭЭ с одним типом ТПН
Накопитель электрической энергии (НЭЭ) согласно ГОСТ Р 58092.1-2018 «Системы накопления электрической энергии (СНЭЭ). Термины и определения», представляет собой установку с определенными границами, подключенная к электрической сети, включающая как минимум один накопитель электрической энергии, которая извлекает электрическую энергию из электроэнергетической системы, хранит эту энергию внутри себя в какой-либо форме и отдает электрическую энергию обратно в электроэнергетическую систему и которая включает в себя инженерные сооружения, оборудование преобразования энергии и связанное с ними вспомогательное оборудование.
Обычно СНЭЭ включает в себя несколько НЭЭ (аккумуляторов или др.) и множество иных элементов
Рис.2.3. Структура СНЭЭ с двумя типами ТПН
Размещение подсистем СНЭЭ может быть выполнено следующим образом, рис.2.4.
Рис.2.4. Пример размещения подсистем СНЭЭ
К основным функциям СНЭЭ можно отнести:
1.Выдача или потребление активной мощности. Используя эту функцию, можно найти направления применения СНЭЭ, а именно: выравнивание графика нагрузки, регулирование частоты, интеграция ВИЭ, бесперебойное питание и др.
2. Выдача или потребление реактивной мощности. При управлении реактивной мощностью энергия носителей не используется, задействуется лишь преобразователь и конденсатор в его составе.
3. Компенсации не симметрии.
4. Компенсация не синусоидальности.
Возможные места установки СНЭЭ в энергосистеме представлены на рис. 2.5
Рис. 2.5. Возможные места установки СНЭЭ в энергосистеме
Классификация направлений применения СНЭЭ по соотношению энергоемкости к мощности СНЭЭ представлена на рис.2.6, а по типу энергосистемы- на рис. 2.7.
Рис.2.6. Классификация направлений применения СНЭЭ
Рис. 2.7. Классификация по типу энергосистемы
СНЭЭ обеспечивает эффективность работы ВИЭ в энергосистеме:
1.Выравнивание неравномерности генерацию
2. Баланс электроэнергии и мощности.
3. Устойчивость параллельной работы.
4. Качество электроэнергии.
5.Оптимальное распределение загрузки.
6. Резервирование и повышение надежности.
Основные эксплуатационные показатели, которыми описываются накопители энергии вообще:
1.Удельная энергетическая емкость.
2. Время, затрачиваемое на накопление и рассеивание в нагрузке.
3. Объем (габариты) и масса накопителя.
4. Сроки его хранения и безопасность эксплуатации.
5. Возможность вторичного использования энергоносителя, представленного в той или иной форме.
Первый из приведенных показателей измеряется в специальных единицах (для электрической и электрохимической разновидности это будут кВт в час/кг или плотность накопления энергии).
Большое внимание уделяется безопасности хранения и использования накопленного энергоносителя. Особую важность этот вопрос приобретает при обращении с кислотными электролитами, вращающимися маховиками (кинетические накопители) и с охлажденным воздухом.
Основными критериями устройств накопления энергии, необходимыми для конкретного применения являются:
–количество энергии с точки зрения удельной энергии и плотности энергии;
–электрическая мощность, т.е. требуемая электрическая нагрузка;
–объем и масса;
–надежность;
–долговечность;
–безопасность;
–стоимость;
–возможность вторичной переработки;
–воздействие на окружающую среду.
При выборе устройств накопления энергии следует учитывать следующие характеристики:
–удельная мощность;
–емкость накопителя;
–удельная энергия;
–время отклика;
–эффективность;
–скорость саморазряда / циклы зарядки;
–чувствительность к теплу;
–срок службы заряда-разряда;
–воздействие на окружающую среду;
–капитальные / эксплуатационные расходы;
–обслуживание.
Электрические устройства хранения энергии являются неотъемлемой частью телекоммуникационных устройств (сотовые телефоны, дистанционная связь, рации и т. д.), резервных систем питания и гибридных электромобилей в виде компонентов хранения (батарей, суперконденсаторов и топливных элементов).
Устройства для хранения энергии, электрические или тепловые, признаны основными технологиями экологически чистой энергии.
2.1. Преимущества систем накопления энергии
Системы накопления энергии могут использовать, чтобы поддержать стабильность ее поставок, снизить затраты и обеспечить устойчивость энергетической системы в целом.
––Еще одно преимущество систем накопления энергии – их быстрое реагирование. Большинство технологий хранения могут компенсировать нехватку мощности электроэнергии в сети очень быстро, в то время как источники на основе ископаемого топлива имеют тенденцию довольно медленно увеличивать добавочную мощность. Такая скорость важна для обеспечения стабильного энергоснабжения в случаях, когда происходит неожиданное резкое увеличение нагрузки.
Резервное питание. Системы накопления энергии могут служить надежным источником резервного питания на случай потери питания от электросети из-за тяжелых погодных условий или иных проблем. Помогая объектам оставаться в рабочем состоянии, такие системы исключают потери из-за сокращения времени простоя и обеспечивают повышенную устойчивость к критическим ситуациям. Один из примеров – источник бесперебойного питания, но возможен и больший масштаб.
Ограничение пика и сдвиг нагрузки. Функциональность систем накопления энергии типа «потребность – ответ» позволяет им участвовать в стимулирующих поставщиков коммунальных услуг программах энергопотребления, которые направлены на снижение использования энергии в периоды пиковой нагрузки на электрическую сеть.
Цена на энергию, как правило, обычно самая высокая в периоды пикового спроса. Ограничение максимума пиковых нагрузок обычно достигается путем смещения ряда нагрузок на время более низкого спроса на электроэнергию.
Именно системы накопления энергии могут поддерживать сглаживание потребления электрической мощности для снижения затрат на электроэнергию. При этом, например, аккумуляторная батарея может заряжаться в периоды низкой нагрузки – в ночное время или в периоды более низкого потребления в течение дня. с использованием альтернативных источников энергии. Затем такая батарея разряжается во время периодов высокой нагрузки или аварийного отключения, смягчая воздействие больших нагрузок и сбоев напряжения в пределах объекта или энергосистемы в целом. Такой подход наиболее экономически эффективен для коммунальных потребителей, чей тариф основан на пиковом спросе энергопотребления.
Сдвиг нагрузки (также называемый «управлением тарифами») подобен пиковому сокращению потребляемой мощности, но вместо того, чтобы фокусироваться исключительно на пиковых ценах, он направлен на снижение общих затрат на кВт·ч. По сути, он использует разницу между низкой и высокой стоимостью энергии, сохраняя энергию при низких затратах и отдавая при высоких. Сдвиг нагрузки обычно обеспечивает дополнительную ценность для системы, которая уже предоставляет другие преимущества, такие как ограничение пика (максимума) нагрузки.
Качество электрической энергии. Системы накопления энергии обладают возможностью частотного регулирования. Это позволяет конкретному объекту поддерживать работу энергосистемы в целом и решать одну из ее основных задач, а именно обеспечивать постоянную частоту генерируемого напряжения переменного тока. Как известно, электрическая система все время находится в динамическом состоянии и постоянно балансирует между предложением (генерацией) и спросом (потреблением). Способность отдельной системы накопления энергии поглощать или высвобождать энергию, а также быстро компенсировать пики потребления представляет собой потенциальную услугу балансирования, приносящую доход. Система накопления энергии может повысить коэффициент мощности объекта, одновременно обеспечивая улучшение качества электроэнергии и экономию на ежемесячных счетах за коммунальные услуги.
Глава 3. Промышленные типы систем накопления электрической энергии
Накопители энергии представляют собой системы, которые хранят энергию в различных формах, с использованием, топливных элементов, батарей, конденсаторов, маховиков, сжатого воздуха, гидроаккумуляторов, суперпроводников и т. д. Распределение различных видов накопителей энергии по плотности и мощности энергии представлено на рис.3.1.
Рис. 3.1. Распределение различных видов накопителей энергии по плотности и мощности энергии
3.1. Электрохимические накопители
В зависимости от электрохимической технологии можно выделить следующие основные типы современных батарей:
–герметизированные свинцово-кислотные (SLA, Sealed Lead Acid);
–никель-кадмиевые (NiCd);
–никель-металлгидридные (NiMH);
–литий-ионные (Li-Ion);
–литий-полимерные (Li-Pol).
Сравнительные характеристики данных батарей представлены в таблице 3.1.
Таблица 3.1. Сравнительные характеристики батарей
Рассмотрим основные аккумуляторы (батареи) электрической энергии.
3.1.1. Свинцово-кислотные аккумуляторы
Для обозначения свинцово-кислотных аккумуляторов применяется аббревиатура SLA (Sealed Lead Acid – герметизированные свинцово-кислотные). Это старейшие перезаряжаемые аккумуляторы, предназначенные для коммерческого использования, причем они до сих пор остаются наиболее дешевыми автономными источниками энергии. Сегодня SLA-аккумуляторы применяются в основном там, где требуется большая мощность при низкой стоимости устройств, а их вес и габаритные характеристики несущественны (например, в блоках бесперебойного питания, охранных системах, системах резервного освещения). В портативных приборах используются герметичные (необслуживаемые) аккумуляторы или аккумуляторы с регулирующим клапаном давления. Подобными SLA-устройствами иногда комплектуются переносные сотовые телефоны большой мощности и некоторые видеокамеры, но в целом их применение для портативных систем нехарактерно. Появились необслуживаемые и мало обслуживаемые аккумуляторы, основанные на внутренней рекомбинации газа, а также различные герметизированные аккумуляторы
Аккумулятор – это химический источник тока, способный многократно преобразовывать химическую энергию в электрическую и аккумулировать, запасать ее на длительное время. Упрощенно аккумулятор можно представить следующим образом: два электрода, в виде пластин, помещены в раствор серной кислоты с плотностью 1,27-1,29 г/см3. При этом положительный электрод выполнен из двуокиси свинца (PbO2), а отрицательный из свинца (Pb). При прохождении тока между ними протекают окислительно-восстановительные реакции.
При разряде происходит химическая реакция, в результате которой активная масса обоих электродов начнет изменять свой химический состав, преобразуюсь из губчатого свинца и его двуокиси в сернокислый свинец (сульфат свинца – PbSO4), а плотность электролита начнет падать. В результате внутри батареи образуется направленное движение ионов и в цепи потечет электрический ток. При заряде аккумулятора происходит обратный процесс – направление тока меняется на противоположное, активные массы восстанавливают свой первоначальный химический состав, а плотность электролита растет. Процесс этот, называемый циклом, может быть многократным. Количество запасаемой при этом электрической энергии зависит от площади активного взаимодействия электродов и электролита и его объема. Номинальное напряжение, вырабатываемое таким аккумулятором, составляет 2 вольта. Для получения большего значения напряжения одиночные аккумуляторы соединяют последовательно. Например: 12-ти вольтовый аккумулятор состоит из шести аккумуляторов, последовательно соединенных в общем корпусе.
Рассмотрим 5 видов свинцово-кислотных аккумуляторов: WET, гибридные АКБ, AGM, GEL и EFB. Практически любой тип этих батарей, содержит в своей конструкции одни и те же составные элементы, рис.3.2.
Конструкция состоит:
1.Герметичный корпус или оболочка. В нем могут быть пробки для доливки воды, относится для WET-батарей с обслуживанием, предохранительный клапан для экстренного сброса давления и индикаторы состояния заряда. Производится из специального очень упругого пластика, устойчивого к химикатам.
2. Внутри корпус разделен на ячейки, в каждой из которых находится комплект свинцовых пластин, называемых электродами. На крышке стандартной 12-вольтовой батарее находится 6 пробок, соответственно, 6 пакетов, выдающий по 2 В каждый. В общем формируется напряжение 12 В.
Рис.3.2. Конструкция свинцово-кислотного аккумулятора
3. В каждой паре пластин имеется положительная и отрицательная. Первая обмазывается свинцово-оксидным составом, а вторая – свинцовой губкой. Между пластинами располагается разделитель из волокнистого или перфорированного материала. Через него свободно проходят электроны, но не проникают частицы активной пасты. 4.Аккумуляторы типа EFB оснащены сепараторами в виде конверта, что заведомо исключает короткое замыкание между банками. Их использование позволило продлить срок эксплуатации АКБ.
5.В батареях нового вида с жидким электролитом в крышке нет пробок, но применена лабиринтная структура, поэтому испаряющаяся серная кислота конденсируется и возвращается обратно. Это обеспечивает сохранность количественного состава электролита в любых условиях эксплуатации АКБ.
6.Токосъемные выводы расположены снаружи. Отличаются по стране происхождения и соблюденным стандартам. Это могут быть винты с наружной резьбой, отверстия под болты, конусовидные клеммы. В европейских и азиатских батареях выводы находятся сверху на крышке, а в американских – сбоку.
7. Для переноски все аккумуляторные батареи оснащаются ручками, одной или двумя в зависимости от габаритов источника постоянного тока.
В отличие от обычных свинцово-кислотных аккумуляторов, в частности автомобильных, SLA-аккумуляторы для электроники разрабатываются с низким потенциалом перезарядки с целью предотвращения выделения газа. Поэтому SLA-аккумулятор имеет длительный срок хранения, но никогда не заряжается до своей полной емкости, а следовательно, по сравнению с другими типами заряжаемых батарей имеет самую низкую плотность энергии (удельную энергоемкость), которая выражается в количестве запасенной энергии к единице веса или объема. Вследствие низкого саморазряда, отсутствия эффекта памяти и минимальных требований по обслуживанию такие батареи в некоторых областях до сих пор остаются весьма выгодным решением.
Емкость портативных SLA-аккумуляторов составляет 1-30А, а габаритных стационарных – 50-200А. У них не бывает эффекта памяти. Они подходят для долгосрочной эксплуатации в буферном режиме подзарядки, без периодов полной разрядки батареи. Служат они не менее 10 лет. Цикличный режим, то есть регулярная зарядка-разрядка на треть- половину емкости, для этого типа аккумуляторов подходит меньше. Саморазрядка свинцово-кислотного аккумулятора составляет примерно 40% в год при температуре воздуха +20°С, что в 4 раза медленней, чем у никелево-кадмиевых элементов питания. Зарядка занимает 8-16 часов.
Среди плюсов SLA-аккумуляторов нужно отметить:
–низкую стоимость;
–отсутствие затрат по сервису и обслуживанию;
–высокую мощность тока;
–нетребовательность к температуре внешней среды, их можно использовать в диапазоне от -10 до +50 градусов;
–виброустойчивость;
–пожарную безопасность.
Но, есть и минусы:
–большой вес;
–при глубокой разрядке и хранении без подзарядки пластины аккумулятора портятся из-за сульфитации;
–довольно малый срок службы – до пятисот циклов зарядки/разрядки;
–токсичность оксида свинца, который используется в их производстве.
Основные виды свинцово-кислотных батарей.
1. WET. Автомобильный аккумуляторный элемент питания типа WET является классическим представителем источников постоянного тока. В нем содержится жидкий электролит, представляющий собой раствор серной кислоты. Конструкция включает герметичный корпус с ячейками, электродные пары с сепаратором и есть крышки для долива дистиллированной воды. Такие батареи стали первыми в линейке. Они бывают разные в зависимости от ряда деталей и поколений. Чистый свинец выдает большие пусковые токи, но быстро разрушается. Именно срок службы ставил под сомнение их массовое применение во всех видах техники и оборудовании. Свинец быстро растворялся и АКБ выходила из строя. При легировании кальцием одного и сурьмой другого электродов эти батареи стали более долговечными и выносливыми к выдаваемым токам.
2.Гибридные АКБ. Главная проблема была решена за счет внедрения в состав кальция. Доля кальция в свинцовом сплаве менее 1/10%, но этого достаточно, чтобы источник работало вдвое дольше. Улучшенная версия – легирование двух электродов кальцием, такие батареи имеют обозначение Ca+ или Ca/Ca. Такие батареи называются гибридными и имеют пометку Hybrid и Calcium Plus. Гибридные аккумуляторные батареи совместили в себе низкий саморазряд и отсутствие необходимости в обслуживании. При этом была решена проблема глубокой разрядки. Этот момент особенно важен для тех, кто часто оставляет автомобиль простаивать.
Пластины с положительным зарядом у гибридного аккумулятора производится из свинца с добавкой сурьмы. Отрицательный электрод производится из сплава свинца с кальцием. В результате совмещаются преимущества двух технологий и устраняются их недостатки. Положительный электрод из свинцово-сурьмянистого сплава даёт устойчивость к глубокому разряду, а отрицательный электрод с кальцием снижает саморазряд и выкипание воды из электролита.
При выборе гибридного аккумулятора стоит помнить о некоторых моментах, связанных с их маркировкой. В ней для таких автомобильных аккумуляторов отражается расход воды. Маркируется он следующим образом:
Буква N в конце маркировки говорит о нормальном расходе воды; L– малый расход воды; VL – очень малый расход; VRLA – аккумулятор имеет регулирующий клапан.
Преимущества гибридных батарей. Гибридные аккумуляторы имеют больший срок службы, чем классическая батарея. Отдельные модели при соблюдении технологий производства способны отработать до 7 лет, но без обслуживания он работает 4-5 лет. Для продления срока службы рекомендуется вовремя доливать жидкость. Обладают высокими пусковыми токами в отличие от обычных кислотных источников постоянного тока. Если пластины подверглись сульфитацией, то такую батарею можно восстановить. Для этого используют автоматическое импульсное зарядно-разрядное устройство с большими зарядными токами.
Недостатки. Традиционно, такие батареи чувствительны к высоким и низким температурам и состоянию с неполным зарядом. За такой батареей нужен уход. Необходимо регулярно следить за уровнем кислоты и вовремя ее доливать. В процессе заряда происходит испарения кислоты, которая опасна для окружающих. Поэтому делать это нужно в закрытом и проветриваемом помещении.
3. AGM. Конструктивно аккумуляторы AGM сильно не отличаются от WET. В них также имеются парные пластины, формирующие энергетические ячейки и погруженные в электролит. Положительный электрод обмазан свинцово-оксидной пастой, а отрицательный – губчатой массой. В отличие от батарей с жидким электролитом, в этих источниках используется губчатый пористый материал, который был пропитан электролитической кислотой. В итоге он содержит как минимум 95% электролита. Чтобы увеличить электронную проводимость в состав пористой массы производители добавляют частицы алюминия. Это решение позволило увеличить генерируемый ток и намного быстрее зарядить АКБ. Такие батареи отличаются большими отдаваемыми токами. Они способны выдать до 900 А (батареи с круглыми пластинами) в отличие от классической с жидкостью. Также АКБ данного типа обладают следующими преимуществами:
–быстрее заряжаются;
–более устойчивы к глубоким разрядам;
–отсутствие эффекта снижения площади контакта пластин, потому что на них не скапливаются пузырьки газа;
–в конструкции корпуса имеется клапан для отвода газа в случае роста внутреннего давления.
4. GEL. Автомобильные аккумуляторы с гелем в качестве рабочей среды отличаются от классических составом электролита и его консистенции. Он представляет собой густую тягучую массу из оксида кремния. Электроды, как и в предыдущих моделях, легированы кальцием и сурьмой. За счет плотного прилегания среды обеспечивается высокая токоотдача и как следствие, такие АКБ быстрее заряжаются. Аккумуляторам такого типа присущи следующие преимущества:
–большой разброс емкости от 20 до 200 А/ч;
–увеличенный пусковой ток за счет стабильной площади контакта – до 950 А;
–практически полное отсутствие потери емкости даже в разряженном состоянии.
Главное достоинство гелевых аккумуляторов – в сроке службы. Они способны отработать до 12 лет, чего нельзя сказать о других модификациях источников.
5. EFB. Аккумулятор EFB (Enhanced Flooded Battery)– это усиленная кальциевая (Ca-Ca) батарея классической свинцово-кислотной конструкции. В отличие от AGM, жидкий электролит тут есть, но его намного меньше, чем в обычном аккумуляторе. По сравнению с обычным свинцово-кислотным аккумулятором (WET/SLI), пластины батареи EFB толще и запечатаны в защитные конверты из специального волокна— в этом конструкция напоминает AGM. Также на поверхность положительных пластин наносится защитная плёнка из полиэстера, что укрепляет активную массу. Есть и другие отличия: более прочные соединители пластин, усиленные штампованные решётки и дополнительная защита от вибрации.
Преимущества технологии EFB. Описанные улучшения осуществляют защиту от сульфитации и осыпания активной массы пластин при частых циклах разряда и заряда, характерных для систем «Старт-Стоп». Хотя глубокие разряды аккумулятора возможны на любой машине – достаточно забыть выключить свет на несколько часов или слишком долго пытаться завести двигатель на морозе. Для классической АКБ глубокие разряды губительны, а вот EFB переносит их без особого ущерба. Примечательна и стойкость аккумуляторов EFB к перезаряду – в этом аспекте они даже превосходят более дорогие модели AGM. Если для большинства аккумуляторов зарядка напряжением выше 14,4 В чревата, то для EFB нормальным является показатель 14,8 В, а кратковременно они без последствий переносят скачки до 15–16 В. Более мощные пластины EFB-батареи обеспечивают большую, по сравнению с обычной кальциевой АКБ, производительность— повышенную ёмкость и пусковой ток (CCA). Всё это, вкупе с усиленной конструкцией, увеличивает и срок службы батареи: EFB-аккумулятор безотказно работает 5–7 лет, в то время как обычная батарея в среднем служит 3 года.
70% новых автомобилей оснащаются системой автоматической остановки двигателя. В городских условиях она позволяет снизить выбросы и расход топлива, но существенно повышает нагрузку на аккумулятор. Работа в таком режиме быстро выводит из строя классическую батарею из-за сульфитации и осыпания активной массы пластин. Радикальное решение проблемы осуществляют аккумуляторы EFB.
Из особенностей современных свинцово-кислотных аккумуляторов следует отметить:
–зарядка от простейших зарядных устройств;
–улучшение работы в буферном режиме, то есть в режиме постоянного подзаряда – срок службы доведен уже до 25 лет;
–значительное увеличение ресурса – количество циклов зарядки-разрядки составляет уже 600-800, а не 200-300, как раньше;
–сведение к минимуму величины саморазряда – 0,1% в день;
–появление множества типоразмеров и введение их единой стандартизации.
3.1 2.
Никель-кадмиевые аккумуляторы
Никель-ка́дмиевый аккумуля́тор (NiCd)– химический источник тока, в котором катодом является гидроксид никеля Ni(OH)2 с графитовым порошком (около 5—8%), электролитом-гидроксид калия KOH плотностью 1,19—1,21 с добавкой гидроксида лития LiOH (для образования никелатов лития и увеличения ёмкости на 21—25%), анодом – гидроксид кадмия Cd(OH)2 или металлический кадмий Cd (в виде порошка). ЭДС никель-кадмиевого аккумулятора— около 1,37 В, удельная энергия— порядка 45—65 Вт·ч/кг. В зависимости от конструкции, режима работы (длительные или короткие разряды) и чистоты применяемых материалов, срок службы составляет от 100 до 900 циклов заряда-разряда. Современные (ламельные) промышленные никель-кадмиевые батареи могут служить до 20—25 лет. Никель-кадмиевые аккумуляторы (NiCd) наряду с никель-солевыми аккумуляторами могут храниться разряженными. Ввиду того что эти аккумуляторы содержит токсичный кадмий, они выходят из использования в быту и промышленности (заменяются литий-полимерными, литий-титанатными и никель-металл-гидридными), но сохраняются в аппаратуре военного назначения, из-за работоспособности при низких температурах.
Основное преимущество никель-кадмиевых элементов (NiCd) по сравнению со свинцово-кислотными заключается в том, что они почти не выделяют газа и отличаются простотой в обслуживании. При этом у них очень низкое внутреннее сопротивление и они способны отдавать большой ток в относительно короткие промежутки времени. NiCd-аккумуляторы переносят даже короткое замыкание. Кроме того, эти устройства могут выдерживать длительные нагрузки, причем их функциональные свойства мало изменяются при понижении температуры.
Эти устройства остаются наиболее популярными для применения в целом ряду портативных устройств, особенно там, где требуется высокая отдача. Поэтому до сих пор около половины выпускаемых аккумуляторов для переносного оборудования – никель-кадмиевые. Появление новых технологий электрохимических аккумуляторов сначала привело к резкому сокращению использования NiCd-аккумуляторов, однако по мере выявления недостатков новых моделей интерес к NiCd-устройствам снова возрос. Так, в приборах, где применяются электродвигатели и потребляются довольно большие токи, NiCd-батареям трудно найти замену. Однако, максимальная емкость потребительских NiCd-аккумуляторов не превышает 3000 мА·ч. Типовые разрядные токи, на которых используются подобные аккумуляторы, невысоки – 20-40 А. При токах до 70 А NiCd-батареи и ныне остаются вне конкуренции.
В числе преимуществ NiCd-аккумуляторов можно также назвать следующие:
–работоспособность в широком интервале рабочих токов заряда, разряда и температур окружающей среды (допустимый ток разряда составляет 0,2-2Сн, диапазон рабочих температур – от –40 до +50°С);
–высокая нагрузочная способность даже при низких температурах (NiCd-аккумулятор при низких температурах даже можно перезаряжать);
–возможность быстрой и простой зарядки в любом режиме (NiCd-аккумуляторы не требовательны к типу зарядного устройства);
–большое количество циклов зарядки-разрядки (при правильном обслуживании NiCd-аккумулятор выдерживает свыше 1000 циклов);
–возможность восстановления после понижения емкости или длительного хранения;
–пожаро- и взрывобезопасность, устойчивость к механическим нагрузкам;
–низкая цена, длительный срок службы и широкая доступность, -большой ассортимент потребительских форм факторов.
Для зарядки NiCd-аккумуляторов быстрый режим более предпочтителен, чем медленный, а импульсный заряд – чем заряд постоянного тока. К тому же для восстановления никель-кадмиевых аккумуляторов можно применять так называемый реверсивный заряд, когда импульсы разряда чередуются с импульсами заряда. Реверсивный заряд даже ускоряет процесс, поскольку помогает рекомбинации газов, выделяющихся во время заряда: дополнительные исследования показали, что реверсивный заряд добавляет около 15% к сроку службы NiCd-аккумулятора. Для увеличения отдачи этих аккумуляторов некоторые пользователи практикуют быструю зарядку с дозарядкой слабыми токами, что приводит к более полной зарядке батарей.
Однако, наряду с преимуществами, данные элементы имеют серьезные недостатки. До недавнего времени у NiCd-аккумуляторов наблюдался неприятный эффект, получивший название «эффект памяти». Его возникновение объясняется тем, что в процессе циклической эксплуатации источника меняется структура поверхности электродов, а в сепараторе аккумулятора образуются химические соединения, мешающие его дальнейшей разрядке малыми токами. Источник как бы запоминает свое состояние неполного разряда. Чтобы избежать возникновения данного эффекта, необходимо после того, как NiCd-батарея отработала, обязательно ее разрядить. Если этого не делать, то NiCd-аккумулятор постепенно теряет эффективность, то есть его емкость постепенно уменьшается – он очень быстро заряжается, но также быстро и разряжается, имея при этом пониженное напряжение на выходе. Вдобавок возможно и небольшое увеличение внутреннего сопротивления.
Хранить NiCd-батареи необходимо в разряженном состоянии. Если ваше зарядное устройство не имеет встроенного разрядника, то для полного разряжения батареи можно воспользоваться лампочкой накаливания с номинальным напряжением и с допустимым током 3-20 А. Необходимо подключить такую лампу к аккумулятору и дождаться того момента, когда спираль начнет краснеть (кстати, глубокая разрядка вовсе не означает, что аккумулятор следует посадить «в ноль»).
Мировым лидером в производстве NiCd-элементов, способных отдавать большие токи, является фирма Sanyo. По сравнению с моделями других производителей, аккумуляторы Sanyo имеют меньшее внутреннее сопротивление и большую отдачу, медленнее стареют и меньше греются. Аналогичные NiCd-аккумуляторы производят фирмы Panasonic и Varta. Производители непрерывно совершенствуют технологию никель-кадмиевых аккумуляторов, и в современных NiCd-батареях от известных фирм эффект памяти почти не возникает. Например, компания GP Batteries выпускает никель-кадмиевые аккумуляторы по новой, пенной технологии. В этом случае дозаряд перед разрядом не требуется, а ресурс батареи полностью используется по назначению. Благодаря этому не только исключается эффект памяти, но и продлевается реальный срок службы никель-кадмиевых устройств.
Очевидные недостатки NiCd-батарей – необходимость периодической полной разрядки для сохранения эксплуатационных свойств (устранения эффекта памяти), высокий саморазряд (до 10% в течение первых суток после зарядки) и большие габариты при той же емкости по сравнению с аккумуляторами других типов.
3.1.3. Никель-металлгидридные аккумуляторы
Никель-металлгидридная технология (NiMH) развивалась как альтернатива никель-кадмиевой—для преодоления вышеописанных недостатков. Не экологичный кадмиевый анод был заменен на анод на основе сплава, абсорбирующего водород. Напряжение этих систем одинаковое, а изменение в химическом составе позволило реализовать новый внутренний баланс элемента при существенном увеличении плотности энергии. Новый катодный материал высокой плотности на основе сферического гидрата закиси никеля с войлочной основой позволил существенно улучшить характеристики NiMH-аккумуляторов. Кроме того, NiMH-технология предусматривает возможность достижения более высокой удельной емкости, чем по NiCd-технологии, что позволило никель-металлгидридным аккумуляторам стать серьезными конкурентами никель-кадмиевых и вытеснить их из целого ряда областей портативной техники, прежде всего из областей, где не требуется высокий ток отдачи, а важнее время непрерывной работы.
Отличительные особенности современных NiMH-аккумуляторов:
–высокая удельная энергия по массе и объему (емкость в 1,5-2 раза больше, чем у стандартных NiCd-аккумуляторов тех же габаритов);
–диапазон рабочих температур от –10 до +40°С;
–меньшая склонность к эффекту памяти, чем у NiCd-батарей (то есть периодических циклов восстановления практически не требуется);
–устойчивость к длительному перезаряду малыми токами;
–механическая прочность и устойчивость к механическим нагрузкам;
–длительный срок службы и хранения (в разряженном состоянии);
–меньшая токсичность при утилизации.
К сожалению, NiMH-аккумуляторы имеют ряд недостатков и по некоторым параметрам уступают NiCd-батареям. Так, число циклов зарядки-разрядки NiMH-аккумуляторов существенно меньше, чем никель-кадмиевых, – гарантируется примерно 500 циклов, в то время как у NiCd-аккумуляторов оно может доходить до 1000. К тому же для NiMH-аккумуляторов, в отличие от NiCd-батарей, более предпочтителен поверхностный, а не глубокий разряд, а ведь долговечность аккумуляторов непосредственно связана именно с глубиной разряда.
При быстрой зарядке NiMH-аккумулятора выделяется значительно большее количество тепла, чем во время зарядки NiCd-батареи, поэтому никель-металлгидридные аккумуляторы предъявляют к зарядным устройствам повышенные требования – необходимы более сложные алгоритмы для обнаружения момента полного заряда и контроль температуры (впрочем, большинство современных NiMH-аккумуляторов оборудовано внутренним температурным датчиком для получения дополнительного критерия обнаружения полного заряда). По той же причине NiMH-аккумулятор не может заряжаться так же быстро, как никель-кадмиевый, – время заряда NiMH-батареи такой же емкости обычно вдвое больше.
Рекомендуемый ток разряда для NiMH-аккумуляторов, значительно меньше, чем для NiCd-батарей, и большинство производителей рекомендуют ток нагрузки от 0,2 до 0,5Сн (то есть от 20 до 50% номинальной емкости). Этот недостаток не столь критичен, если необходим низкий ток нагрузки, а для устройств, которые требуют высокого тока нагрузки или имеют импульсную нагрузку (например, переносных радиостанций и мощных инструментов с электродвигателями), рекомендуются специальные типы NiMH-аккумуляторов, такие как вышеописанные изделия компании Panasonic, или NiCd-аккумуляторы.
Кроме того, как для NiCd-, так и для NiMH-аккумуляторов характерен высокий саморазряд. Однако если NiCd-батарея теряет около 10% своей емкости в течение первых суток, после чего саморазряд составляет примерно 10% в месяц, то саморазряд у NiMH-аккумуляторов примерно в 1,5-2 раза выше. Конечно, для некоторых типов NiMH-батарей применяются гидридные материалы, улучшающие связывание водорода для уменьшения саморазряда, но это обычно приводит к уменьшению емкости аккумулятора, то есть к потере главного преимущества по сравнению с NiCd-технологией.
Диапазон рабочих температур у NiMH-аккумуляторов также меньше, чем у NiCd-батарей. Так, если температура –20°C является пределом, при котором NiMH- и Li-ion-аккумуляторы прекращают функционировать, то NiCd-батареи могут продолжать работать до температуры –40°C.
3.1.4. Литий-ионные аккумуляторы
Литий-ионный аккумулятор (Li-Ion) впервые был представлен в 1991 году японской компанией Sony. Батарея характеризовалась высокой плотностью и низким саморазрядом. При этом у неё были недостатки. Первое поколение таких источников питания было взрывоопасным. Со временем эксплуатации на аноде накапливались дендриды (дендрит, кристаллическое образование, из сросшихся кристаллов или скелетный кристалл), которые приводили к замыканию и возгоранию. В процессе усовершенствования в следующем поколении применили графитный анод и этот недостаток был устранен.
Огромный потенциал литий-ионных аккумуляторов поддерживал постоянный интерес ученых к их усовершенствованию, и в 2003 году в Массачусетском технологическом институте впервые было предложено использовать ферро-фосфат лития (LiFePO4) в качестве катодного материала. Это доступное и нетоксичное соединение, в отличие от использующихся в аккумуляторах кадмия и никеля, всегда считалось очень перспективным для промышленности.
Ферро-фосфат лития оказался очень удачным материалом для использования в аккумуляторах. Он способен отдать практически весь накопленный литий, оставаясь устойчивым. При этом сохраняется главное свойство литий-ионных аккумуляторов – большая удельная емкость.
Литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы в настоящее время представляют собой современный источник питания для всех современных бытовых электронных устройств. Объемная плотность энергии призматических литий-ионных батарей для портативной электроники увеличилась в два-три раза за последние 15 лет. По мере появления нескольких новых приложений для литий-ионных аккумуляторов, таких как электромобили и системы накопления энергии, требования к конструкции и характеристикам элементов постоянно меняются и представляют собой уникальные проблемы для традиционных производителей аккумуляторов. Таким образом, становится неизбежным высокий спрос на безопасную и надежную работу литий-ионных аккумуляторов с высокой энергией и высокой удельной мощностью.
Литий-ионные аккумуляторы сегодня считаются самыми перспективными, они широко используются во многих областях, от бытовой электроники до промышленных приложений. Некоторые из наиболее распространенных примеров использования литий-ионных аккумуляторов включают.
1.Мобильные устройства: смартфоны, планшеты, ноутбуки, умные часы и другие портативные электронные устройства, которые используются в повседневной жизни, часто оснащены литий-ионными аккумуляторами.
2.Электротранспорт: электромобили, гибридные автомобили, электрические велосипеды и самокаты все чаще используют литий-ионные аккумуляторы для хранения энергии.
3.Солнечные батареи: литий-ионные аккумуляторы используются для хранения энергии, получаемой из солнечных батарей, что позволяет использовать эту энергию в течение ночи или когда солнечное света недостаточно.
4.Авиация и космос: литий-ионные аккумуляторы используются в космических аппаратах, спутниках, беспилотных летательных аппаратах и электрических самолетах.
5.Медицина: литий-ионные аккумуляторы используются в медицинском оборудовании, таком как портативные дефибрилляторы и насосы для инфузии.
6.Промышленность: литий-ионные аккумуляторы используются в различных промышленных приложениях, таких как электроинструменты, подъемники и тележки на складах.
7. Энергетика.
3.1.4.1. Устройство и принцип работы
В основе работы литий-ионного аккумулятора лежит, так называемый, электрохимический потенциал. Суть его в том, что металлы стремятся «отдавать» свои электроны. Как видно из таблицы 3.2, наибольшая способность к отдаче электронов – у лития, а наименьшая – у фтора. Если такой атом отдает свой электрон, то он становится положительным ионом.
Из-за этого литий считается чрезвычайно химически активным металлом. Он реагирует даже с водой и воздухом. Но активен только чистый литий, а вот его оксид, напротив, очень стабилен. Это свойство лития как раз используется при создании литий-ионных аккумуляторов. Итак, можно получить электрический ток из оксида лития, если сначала отделить атомы лития от оксида и затем направить потерянные ими электроны по внешней цепи.
Основные компоненты литий-ионного аккумулятора включают в себя: катод, анод, электролит и сепаратор.
Таблица 3.2. Электрохимический ряд элементов
Электролит является важным компонентом литий-ионных аккумуляторов, так как он обеспечивает проводимость ионов лития между катодом и анодом. В качестве электролита могут использоваться различные вещества, такие как литий-соли в органических растворителях или полимерные материалы.
Конструкция цилиндрического Li-ion аккумулятора представлена на рис. 3.3.
Рис. 3.3. Конструкция цилиндрического Li-ion аккумулятора:
1-предохранитель, 2-прокладка. 3-изолятор, 4–корпус, 5-изолятор, 6-положительный вывод, 7-клапан аварийного сброса давления (не во всех модификациях), 8-токосъемник анода, 9-ионопроводящий сепаратор, пропитанный электролитом, 10-отрицательный электрод, 11-положительный электрод, 12-отрицательный вывод.
Анод и катод – это электроды, которые размещены внутри аккумулятора и взаимодействуют с электролитом. Анод обычно изготавливается из графита, а катод может быть разным. Материал анода (графит) и катода (оксид) тонким слоем наносится на металлические пластины. Для анода основа выполняется из меди, для катода – из алюминия. На алюминиевую фольгу наносят катодный материал, которым чаще всего может быть один из трех: кобальтат лития LiCoO2, литий-феррофосфат LiFePO4, или литий-марганцевая шпинель LiMn2O4, а на медную фольгу наносят графит. Литий-феррофосфат LiFePO4 является единственным, на данный момент, безопасным катодным материалом с точки зрения опасности взрыва и экологичности в целом.
Работу литий-ионного аккумулятора можно рассмотреть по схеме, рис. 3.4, у которого катоды на алюминиевой фольге и аноды на медной, и разделены они пористым сепаратором, который, в свою очередь, пропитан электролитом.
Рис.3.4. Схема работы литий-ионного аккумулятора
Анод и катод не должны соприкасаться друг с другом, чтобы не возникло короткого замыкания. Функцию разделителя и проводника как раз берёт на себя сепаратор. Он представляет собой тонкий слой пористого полипропилена, пропитанного жидким электролитом. Электролит позволяет передавать ионы между анодом и катодом. В литий-ионных аккумуляторах используется органический электролит на основе солей лития, таких как LiPF6, LiBF4 или LiClO4.
Получается некий "бутерброд" из пластины анода, листа сепаратора, пропитанного электролитом, и катода. Электроды могут иметь различную форму, как правило, это фольга в форме цилиндра или продолговатого пакета.
Заряд переносит ион лития, которые может внедряться в кристаллические решетки иных материалов, образовывая химические связи. Если говорить простым языком, то при подаче напряжения на электроды, ионы лития переходят из литиевого катода в угольный, что сопровождается химической реакцией, а при подаче нагрузки (то есть, при зарядке), происходит обратный процесс.
Работа литий-ионный аккумуляторов осуществляется следующим образом. При подключении электрической цепи на аноде источника тока происходит химическая реакция, сопровождаемая образованием на его поверхности свободных электронов. По законам физики освобождённые электроны стремятся к положительной стороне – катоду, чтобы восстановить баланс, однако от движения их удерживает сепаратор, пропитанный электролитом, находящийся между анодом и катодом, рис.3.5.
Рис. 3.5. Процесс зарядки литий-ионного аккумулятора
Электролит, помещенный между оксидом лития и графитом, служит барьером, пропускающим сквозь себя только ионы лития. Поскольку электроны не могут проникать через электролит, то они движутся по внешней цепи через источник питания и в конце концов достигают графита, где очень удобно располагаются в слоях графита.
В этот же самый момент положительные ионы лития притягиваются отрицательным полюсом, проходя сквозь электролит и также попадают в графит, размещаясь между его слоями. При этом графит сам по себе не участвует в химических реакциях – он лишь служит «складом» для ионов и электронов лития. Когда все ионы лития достигнут графита и будут «захвачены» его слоями, батарея будет полностью заряжена.
Аккумулятор типовой литиевой батареи обладает следующими характеристиками:
1. напряжение, В: номинальное – 3.7; максимальное – 4.2; минимальное – 2.5;
2. энергоемкость, Вт*ч/кг – 110-270 (зависит от химического состава);
3. внутреннее сопротивление, мОм*Ач – 4-15 (зависит от химического состава);
4. число циклов заряд/разряд до 20% потери электрической емкости – 600;
5. время заряда, ч: оптимальное – 3-4; максимально возможное – 1;
6. саморазряд, % в месяц – 1.5 (зависит от температуры хранения);
7.ток нагрузки относительно емкости С: оптимальный – до 1С; максимальный – 5С; в импульсе – 50С;
8.рабочая температура, градусы Цельсия (°C): оптимальная – 23; минимальная – -20; максимальная – +60;
9. срок хранения литиевой батареи, лет – 2-5 (в зависимости от условий хранения);
10. срок службы Li-ion, лет – 2-3 года или по достижению количества циклов заряд/разряд.
К сожалению, при зарядке отрицательный электрод восстанавливается не до конца, кроме того, продукты окисления постепенно скапливаются, поэтому Li-ion АКБ постепенно теряет свою емкость и сделать с этим ничего нельзя. Особенно ярко это видно на примере смартфонов, которые в самом начале эксплуатации могут работать 10 часов в активном режиме, а через год-два это значение может очень существенно сократиться. На практике считается, что при снижении емкости на 30-35%, жизненный цикл литий-ионного аккумулятора завершается и его нужно менять.
Хотя литий-ионные аккумуляторы относятся к самым распространенным, их нельзя назвать идеальным, у них есть не только плюсы, но и минусы.
К основным преимуществам относят следующие параметры:
–очень высокая энергоплотность (соотношения количества мАч и объема);
–высокий ток при работе;
–нет необходимости в обслуживании;
–саморазряд очень низкий;
–готовность к эксплуатации в любой момент;
–нет эффекта памяти;
–возможность создавать аккумуляторы любых размеров и форм;
–диапазон рабочих температур очень широкий.
Каждое из преимуществ обуславливает применение литий-ионных аккумуляторов в той или иной сфере. Например, высокая энергетическая плотность делает их фактически безальтернативным источником энергии для компактных устройств.
К недостаткам литий-ионных аккумуляторов относятся следующие факторы.
1. Дорогие (относительно других АКБ).
2. При высоких температурах работа ухудшается, при низких снижается емкость, хотя диапазон все же широк.
3. Срок службы зависит от времени использования.
4.Опасность взрыва или возгорания.
5.Не самое большое количество циклов зарядки и разрядки. 6.Недопустимы механические повреждения.
7.Требуют строгого соблюдения правил зарядки и иных требований к эксплуатации.
Рассмотрим некоторые особенности литий-ионных аккумуляторов, которые оказывают существенное влияние на эксплуатацию и срок жизни АКБ.
1.Опасность взрыва и возгорания. Считается, что это одна из ключевых проблем. Часто взрывались литий-ионные аккумуляторы первого поколения, где анод был из лития. Материал анода заменили на графит и от этого недостатка избавились. Сегодня такое происходит редко, причин может быть много, но чаще всего это механические повреждения, вызывающие короткие замыкания внутри аккумулятора. В настоящее время самым опасным компонентом является электролит, который способен разлагаться на воспламеняющиеся материалы при повышении температуры. В принципе, если используется качественный литий-ионный аккумулятор, соблюдаются все правила эксплуатации, то вероятность взрыва или возгорания крайне низка.
2. Зарядка литий-ионного аккумулятора и разряд. В данных АКБ используется контроллер, который автоматически регулирует зарядку. Это является критически важным, ведь при повышении напряжения аккумулятор может деградировать. Обычная зарядка происходит следующим образом:
–на первом этапе используется небольшой ток напряжением до 2,9 В (при сильном разряде);
– номинальный ток, напряжение до 4,2 В; на финальном этапе напряжение также 4,2 В, но ток минимальный.
Данная схема является стандартной и в современных устройствах обеспечивается в автоматическом режиме.
Относительно глубокого разряда есть вполне четкое мнение: его допускать нельзя. В идеале, батарею не нужно доводить до разряда ниже 20%, это существенно продлит срок ее службы. Простой пример: если литий-ионный аккумулятор регулярно разряжается на 100%, то его количество циклов разряда и заряда будет около 500, а если лишь на 10%, то 4500 и выше, то есть, разница будет в 9 раз.
Литий-ионные аккумуляторы использует компания Тесла для своих электромобилей (электрокаров), рис.3.6.
Рис.3.6. Элемент TESLA, используемые в электрокарах
Стандартный элемент выдает напряжение 3,7 – 4,2 В. Для практического использования элементов используют множество их, соединенных последовательно и параллельно, которые образуют батарейный модуль. Если мы хотим увеличить емкость, то отдельные элементы просто соединяем параллельно, рис. 3.7.
Рис.3.7. Литиевая батарея из параллельно соединенных элементов
При этом емкость такой литиевой АКБ будет равняться сумме емкостей элементов.
Если нам нужно повысить выходное напряжение, то элементы придется соединить последовательно, рис. 3.8. В этом случае емкость батареи будет равняться емкости самого «слабого» аккумулятора, а выходное напряжение – равняться сумме напряжений на каждом элементе.
Рис.3.8. Литиевая батарея из последовательно соединенных элементов
Все аккумуляторы должны иметь одинаковую емкость и желательно быть из одной партии. Все элементы должны иметь встроенный контроллер. Если они без контроллеров, то необходимо использовать внешний, способный обеспечить необходимый ток для одновременной зарядки всех аккумуляторов. Вместо контроллера можно использовать специальную BMS плату, которая будет контролировать состояние каждого элемента в отдельности. Причем плата должна быть рассчитана на нужное количество элементов (ячеек).
BMS плата следит за состоянием каждого аккумулятора в отдельности. Если какой-то аккумулятор разрядится ниже нормы, вся батарея будет отключена от нагрузки. Если зарядится до нормы, то будет отключен от ЗУ только он, остальные продолжат заряжаться.
В батарейный модуль, в соображениях безопасности, могут быть включены специальные элементы. Например, устройство, которое увеличит сопротивление аккумулятора при положительном температурном коэффициенте. А также устройство, которое в случае превышения давления газа допустимых значений разорвёт связь между катодом и положительной клеммой. Иногда корпус батареи может быть оснащён клапаном предохранения, основной задачей которого является сброс внутреннего давления в случае аварийной ситуации или нарушения эксплуатационных условий.
Некоторые особо важные источники могут обладать внешней электронной защитой, которая не позволяет перегреть или перезарядить батарею, а также исключает возможность короткого замыкания.
В батарейном модуле Тесла, литий-ионные аккумуляторы заряжаются по разным алгоритмам, но классическим является следующий. Если батарея сильно разряжена, зарядка идет напряжением 2.9 В и током 0.1С (десятая часть емкости). при достижении напряжения 2.9 В на клеммах АКБ зарядный ток увеличивается до 0.4-0.3С. Как только элемент зарядится до 3.9-4.0 В, ток снова снижается до 0.1-0.05С, и зарядка продолжается, пока напряжение на клеммах не достигнет 4.2 В.
Автопроизводители активно разрабатывают новые технологии, которые позволят увеличить дальность поездки без длительной подзарядки или уменьшить длительность самой зарядки АКБ электромобиля.
Сейчас зарядить электромобиль можно тремя основными способами.
1.От бытовой сети с напряжением 220 В, как и любой другой электрический прибор (8-12 часов для полной зарядки для Leaf Nissan, для Tesla до 30 часов).
2.От 3-х фазной розетки на 380 В, которыми оборудуются АЗС и паркинги (зарядка длится 4-8 часов);
3.Используя ускоренные зарядки (30-60 минут для зарядки АКБ до 80 % емкости).
3.1.4.2. Система управления батареей
Система управления батареей (BMS) практически всегда является неотъемлемым атрибутом современной, высокотехнологичной АКБ. BMS управляет заряд/разрядным процессом аккумуляторной батареи, отвечает за безопасность её работы, проводит мониторинг состояния батареи, оценку вторичных данных работоспособности.
Функциональность BMS позволяет не только улучшить режим эксплуатации аккумуляторных батарей, но и максимально увеличить срок их службы. При определении критического состояния батареи Battery Management System соответственно реагирует, выдавая запрет на использование аккумуляторной батареи в электросистеме – отключает её. В некоторых моделях BMS предусмотрена возможность ведения реестра (записи данных) о работе аккумуляторной батареи и их последующей передачи на компьютер.
Литий-железо-фосфатные аккумуляторы (известные как LiFePO4) существенно превосходят ряд иных аккумуляторный батареи литий-ионной технологии с точки зрения безопасности, стабильности и производительности за счет использования системы BMS. Дело в том, что литий-железо-фосфатные батареи чувствительны к перезаряду, а также разряду ниже определенного напряжения. С целью уменьшения риска повреждения отдельных аккумуляторных ячеек и выхода батареи в целом из строя все LiFePO4 аккумуляторы оснащаются специальной электронной схемой балансировки – системой управления батареями (BMS).
Напряжение на каждой из ячеек, объединенных в литий-железо-фосфатную батарею, должно находиться в определенных пределах и быть равным между собой. Ситуация же такова, что идеально равная емкость всех ячеек, входящих в состав единого аккумулятора, довольно редкое явление. Даже малое различие на пару долей ампер-часов может спровоцировать в дальнейшем различие уровня напряжения при зарядно/разрядном процессе. Разница в уровне заряда/разряда ячеек единой LiFePO4 батареи довольно опасна, так как может погубить аккумулятор.
Система управления батареей (BMS), производя балансировку, а также обеспечивая контроль температуры и выполнение ряда иных функций, максимально продлевает срок службы аккумулятора.
Функции BMS (Battery Management System).
1. Контроль за состоянием элементов аккумуляторной батареи с точки зрения:
–напряжения: общее напряжение, напряжение отдельных ячеек, минимальное и максимальное напряжение ячейки;
–температуры: средняя температура, температура электролита, температура на выходе, температура отдельных аккумуляторных "клеток", платы BMS (электронная плата, как правило, оснащается как внутренними температурными датчиками, проводящими мониторинг температуры непосредственно регулировочного устройства, так и внешними, которые используются для контроля температуры конкретных элементов батареи);
–заряда и глубины разряда;
–токов заряда /разряда;
–исправности
Система управления и балансировки ячеек может хранить в памяти такие показатели, как количество циклов заряда/разряда, максимальное и минимальное напряжение ячеек, максимальное и минимальное значение тока заряда и разряда. Именно эти данные и позволяют определять состояние исправности аккумуляторной батареи.
Неправильный заряд – одна из наиболее распространенных причин выхода аккумуляторной батареи из строя, поэтому контроль заряда является одной из основных функций микроконтроллера BMS.
Система интеллектуального мониторинга (BMS) отключает аккумуляторную батарею от нагрузки или зарядного устройства при выходе хотя бы одного из рабочих параметров за границы допустимого диапазона.
С практической точки зрения BMS могут выполнять значительно больше функций, нежели просто управление работой батареи. Иногда эта электронная система может принимать участие в контроле параметров режима работы электрического транспортного средства, и осуществлять соответствующие действия по управлению его электрической мощностью. Если аккумуляторная батарея участвует в работе системы рекуперации энергии при торможении электрического транспортного средства, то BMS также может регулировать процесс подзарядки батареи при замедлении и спусках.
3.1.4.3. Виды современных литий-ионных и перспективных аккумуляторов
Наиболее распространены следующие виды литий-ионных аккумуляторов.
1.Литий-кобальтовые аккумуляторы (LiCoO2). Литий-кобальтовые аккумуляторы обладают высокой энергетической плотностью и могут сохранять большое количество энергии на единицу массы. Это делает их идеальными для использования в мобильных устройствах, таких как смартфоны, планшеты и ноутбуки.
Есть у литий-кобальтовых аккумуляторов и недостатки. Кобальтат лития LiCoO2, ядовит и экологически вреден, а у аккумуляторов на его основе лишь 50% ионов можно извлечь из структуры соединения. Аккумуляторы с повышенной емкостью (на основе LiCoO2) крайне взрывоопасны.
Во-вторых, они очень нежные и небезопасные, что доказал Samsung. Могут загореться от механических воздействий или при быстром заряде/разряде, а также вырубаются на морозе и перегреваются в жару.
Третий минус – долговечность. Их срок жизни всего 500-1000 циклов, и потери до 20% ёмкости. К то же они дорогие. Дело в том, что кобальт достаточно редкое полезное ископаемое и обходится примерно в 2 раза дороже никеля, в 15 раз дороже алюминия и в 1000 раз дороже марганца.
2.Литий-марганцевые аккумуляторы. Наиболее изученный и технологически отработанный тип литиевых батарей – элементы на основе литий/оксидов марганца (Li/MnO2 и Li/Mn2O4), поэтому они из всей группы самые доступные по цене. Их емкость ниже, чем у материалов на основе кобальта, но они дешевле и не требуют сложного контроллера для управления процессами зарядки-разрядки.
Они получили широкое применение благодаря своим преимуществам перед другими типами аккумуляторов, такими как высокая удельная емкость и стабильность работы при повышенных температурах и низкую себестоимость. Подвержен быстрому старению и разрушению при перегреве выше 60°C.
Одним из наиболее распространенных примеров использования аккумуляторов является электрический транспорт, включая электрические автомобили, мотоциклы и велосипеды. Они также используются в портативных электронных устройствах, таких как ноутбуки, планшеты и смартфоны, а также в системах хранения энергии для домашних и коммерческих приложений.
3.Литий-железо-фосфатные аккумуляторы (LiFePO4, LFP). Литий-LiFePO4 считается самым перспективным катодным материалом в силу своей экологичности. LiFePO4 аккумуляторы происходят от литий-ионных, однако имеют ряд существенных отличий:
–LiFePO4 обеспечивает более длительный срок службы, чем другие литий-ионные подходы;
–в отличие от других литий-ионных, LiFePO4 аккумуляторы, как и никелевые, имеют очень стабильное напряжение разряда.
В связи с постоянным напряжением 3.2 В на выходе, четыре аккумулятора могут быть соединены последовательно для получения номинального напряжения на выходе в 12.8 В, что приближается к номинальному напряжению свинцово-кислотных аккумуляторов с шестью ячейками. Это, наряду с хорошими характеристиками безопасности LFP-аккумуляторов, делает их хорошей потенциальной заменой для свинцово-кислотных аккумуляторных батарей во многих отраслях, таких как автомобилестроение и солнечная энергетика.
Удельная плотность энергии (энергия/объём) нового аккумулятора LFP примерно на 14% ниже, чем у новых литий-ионных аккумуляторов.
LiFePO4 аккумуляторы имеют более низкую скорость разряда, чем свинцово-кислотные или литий-ионные. Однако, могут быть использованы LiFePO4 элементы с высоким током разряда (имеющие более высокую скорость разряда, чем свинцово-кислотные батареи, или LiCoO2 той же мощности).