Литий ионный аккумулятор для бесперебойника

ИБП на литий-ионных аккумуляторах: разбираемся в плюсах и минусах на примере продукции Schneider Electric

При всеобщем технологическом прогрессе остаются вещи, которые не меняются на протяжении десятилетий. Это, например, свинцово-кислотные батареи для источников бесперебойного питания (ИБП), которые используются в производстве этих устройств на протяжении десятков лет, а сама технология была изобретена еще в 1859 году. Но прогресс все же не стоит на месте, и более совершенные технологии берут свое. Так, компания Schneider Electric, выпускающая источники бесперебойного питания под брендом АРС, с 2015 года предлагает ряд моделей ИБП с литий-ионными аккумуляторами. Мы расскажем вам, чем такие ИБП отличаются от традиционных, и в чем их преимущество.

Существенны ли различия?

Литий-ионные аккумуляторы сейчас используются практически повсеместно — в портативной электронике, электромобилях и других устройствах. Перед кислотно свинцовыми они имеют ряд преимуществ, которые очень важны для ИБП, установленных в серверных, центрах обработки данных, промышленных процессов или критической инфраструктуры. Среди них:

 Существенно меньший вес и габариты. При одинаковом физическом объеме, литий-ионные батареи обладают более высоким уровнем энергетической плотности. Они могут накапливать более чем в три раза больше энергии на килограмм веса, чем свинцовые аккумуляторы. Следовательно, можно существенно сэкономить пространство в серверной или ЦОД, что особенно важно для предприятий среднего и малого бизнеса.

 Отсутствие заметного эффекта памяти. Батарея не требует полной разрядки перед циклом заряда, что особенно важно для ИБП, так как при питании оборудования без подачи энергии из сети они далеко не всегда полностью разряжаются. Конечно, у литий-ионных аккумуляторов минимальный эффект памяти тоже присутствует. Однако он настолько мал, что, по словам ученых, речь идет исключительно о принципиальном наличии эффекта, а не о его сколько-нибудь существенном влиянии на работу батареи.

 Широкий диапазон рабочих температур. Свинцовые аккумуляторы теряют приблизительно половину мощности при повышении температуры на каждые 10 градусов при температуре выше +25 градусов Цельсия. Это значит, что в помещении, где они используются, нужно более мощное охлаждение. В то же время литий-ионные аккумуляторы гораздо менее чувствительны к колебаниям температуры, такие изменения практически не влияют на срок службы батареи. Они могут использоваться при температуре до +50 градусов Цельсия без заметных изменений производительности. Единственное, где свинцовые аккумуляторы по-прежнему выигрывают — это температуры ниже 0 градусов Цельсия.

 Высокие уровни тока при зарядке и разрядке. Литий-ионные аккумуляторы могут быстро как получать, так и отдавать большие объемы энергии. Это делает их более продуктивным решением для питания энергоемкого оборудования.

 Большое количество циклов заряда/разряда. Средние показатели для свинцовых батарей — 700 циклов, тогда как для литий-ионных — 5000. Для ИБП этот показатель не очень важен, так как они срабатывают только изредка.

 Длительный период эксплуатации. А вот этот показатель как раз очень важен для батарей, использующихся в ИБП. Для свинцового аккумулятора срок службы (без превышения допустимого количества зарядки/разрядки) составляет 3 года, тогда как литий-ионные работают более 10 лет.

 Очень низкий саморазряд. В среднем этот показатель не превышает 2% от первоначального заряда в месяц.

 Продвинутый мониторинг состояния. Литий-ионные аккумуляторы оснащены продвинутой системой мониторинга состояния. Она, например, дает возможность вашему смартфону не только показать, сколько осталось процентов заряда, но и показать, какое приложение сколько потребляет и на сколько хватит оставшегося заряда энергии до полного разряда, а также «состояние здоровья» батареи. В свинцовых аккумуляторах такое реализовать практически невозможно. А для ИБП эта функция критически важна, так как позволяет знать о состоянии каждого устройства и в случае выявления неполадок оперативно его заменить.

На этом фоне единственным существенным недостатком литий-ионных батарей является их цена. Она действительно значительно выше стоимости свинцовых, поэтому ИБП на базе таких аккумуляторов стоит дороже. Однако, с течением времени разница нивелируется — тратить на новые батареи и поддержание работоспособности имеющихся придется значительно меньше и реже, что в перспективе делает приобретение ИБП с литий-ионными батареями даже более выгодным с финансовой точки зрения — вы один раз существенно потратитесь, но надолго забудете о такой статье расходов. Смотря на то, где применяются литий-ионные аккумуляторы, в течение срока их службы можно добиться экономии от 10 до 40% по сравнению с традиционными ИБП. Долгосрочные преимущества от ИБП на литий-ионных аккумуляторах вы можете просчитать с помощью специального калькулятора.

В арсенале Schneider Electric, есть три серии источников бесперебойного питания под брендом АРС, в которых возможно использование литий-ионных батарей. Конфигурация этих моделей позволяет как сразу приобретать решения на литий-ионных аккумуляторах, так и произвести замену свинцовой батареи на литий-ионную после окончания ее службы.

Энергоэффективные решения, обладающие функцией трехфазной защиты ИБП с высокой адаптируемостью для удовлетворения потребностей средних и крупных центров обработки данных, зданий и критически важной инфраструктуры. В модельном ряде доступны шесть устройств разной мощности.

Одни из простейших в своем классе для установки и обслуживания устройства, обладающие эффективной защитой от перегрузки. Модельный ряд предназначен для использования в дата-центрах среднего размера, а также на промышленных объектах. Устройства серии Galaxy VM имеют верхний и нижний кабельный входы, что избавляет от необходимости установки дополнительного бокового шкафа. Также они обеспечивают полный доступ к передней панели и имеют модульный дизайн, что позволяет использовать несколько вариантов установки. В модельном ряду присутствуют пять устройств.

Этот модельный ряд предназначен для крупных дата-центров и объектов критически важной инфраструктуры. Устройства серии Symmetra MW имеют функцию трехфазной защиты, а также внутреннюю конфигурацию параллельного соединения, которая обеспечивает высокий уровень отказоустойчивости. Всего в модельном ряду доступно шесть устройств.

Использование литий-ионный батарей в источниках бесперебойного питания еще не стало мейнстримом. На рынке доминируют свинцово-кислотные аккумуляторы, в первую очередь из-за их низкой стоимости. Однако уже сейчас наметилась тенденция на сокращение разрыва в цене, так что можно смело предположить, что доля литий-ионных батарей постепенно будет увеличиваться, так как они обладают рядом существенных преимуществ. Среди них длительный срок службы, высокая энергоэффективность, широкий диапазон рабочих температур и другие плюсы.

Источник

Литиевые батареи в ИБП: вопросы и ответы

Какие преимущества перехода на литиевые батареи в ИБП? Это продолжительный период службы в буферном и циклическом режимах. Число циклов заряд-разряд после того, как выполнена замена повышается до нескольких тысяч, отличие от показателя 500-600, обеспечиваемого VRLA батареей.

Еще увеличивается срок гарантии, что дает возможность синхронизировать периоды замены батарей с заменой ИБП. В случае со свинцово-кислотными батареями их понадобиться сменить не один раз в течение всего периода службы бесперебойника. Есть еще преимущество: меньшая масса и величина литиевых батарей. Экономия финансов и времени.

Недостатки литиевых батарей в сравнении с VRLA

Технологию можно назвать достаточно молодой и множество изготовителей не обладают достаточным опытом в использовании литиевых видов в бесперебойниках. Но, ситуация быстро меняется, авторитетные марки уже накопили много опыта, технологических новшеств для выпуска надежных, аккумуляторов высокого качества.

Увеличивают литиевые батареи опасность возгорания?

Всякий аккумулятор может вызвать возгорание, если не соблюдаются правила эксплуатации. Литиевые варианты считаются наиболее опасными в данном направлении, но, если употребляется ИБП с BMS, контролирующей уровень напряжения, заряда, температуры — батареи LiFePO4 становятся меньше склонными к термическим утечкам, в сравнении с обычными аккумуляторами.

Литиевые батареи дороже?

Если смотреть на первичные затраты, то литиевый вариант может оказаться чуть дороже, чем высококачественная VRLA, также дороже, когда говорить о бюджетных свинцово-кислотных батареях, плюс, учитывается цена за доставку, сборку, запуск системы.

По-разному ли заряжаются литиевые и свинцово-кислотные виды батарей ?

Варианты LiFePO4 могут перезаряжаться намного быстрее в сравнении с аналогичными VRLA. Но изготовители ограничивают ток заряда, чтобы предотвратить негативные последствия. В процессе перезаряда BMS может отслеживать уровень напряжения, более того, внутреннюю температуру каждой литиевой ячейки для ограничения ее заряда, если вдруг температурные показатели ячейки превысили порог.

Каков период хранения литиевой батареи меж проверками?

Она может сохраняться до шести месяцев при наличии температуры 25°C безо всяких проверок и подзарядки.

Можно сочетать литиевые варианты с другими?

Нельзя, они не способны подключаться параллельно с аккумуляторами иных систем.

Источник

FAQ по применению литий-ионных батарей в ИБП для ЦОД-ов

Литий-ионные аккумуляторы обладают рядом преимуществ перед традиционными свинцово-кислотными батареями с клапанным регулированием (VRLA), широко используемыми сегодня в ИБП. Гораздо более длительный срок службы, меньшие размеры и вес, более быстрое время перезарядки и снижение цен сделали литий-ионные батареи привлекательной технологией хранения энергии. Эта статья содержит краткие ответы на самые распространенные вопросы о литий-ионных батареях и их использовании ИБП и призвана помочь пользователю принять решение о том, какая технология аккумуляторов лучше всего подходит для использования в резервных источниках питания.

Что такое литий-ионный аккумулятор и чем он отличается от свинцово-кислотного аккумулятора?

Проще говоря, батарея-это электрохимическое устройство, которое накапливает энергию и высвобождает ее в виде электричества. Батареи обычно соединяются последовательно, параллельно или в комбинации для достижения любого напряжения и тока. Это простое описание применимо как к свинцово-кислотным, так и к литий-ионным батареям. Каждая батарея содержит катод (положительный электрод) и анод (отрицательный электрод), которые находятся в электролите. Электролит действует как катализатор для электрохимической реакции, которая приводит к зарядке и разрядке по мере того, как ионы перетекают от одного электрода к другому. Он также предотвращает обратный поток электронов, накопленных на аноде к катоду внутри самой батареи при отсутствии нагрузки. Химическая реакция приводит к разнице потенциалов заряда (то есть напряжения) между катодом и анодом, когда электроны накапливаются на аноде. При подключении нагрузки проводом к клеммам батареи индуцируется ток, который разряжает батарею в виде потока электронов (то есть тока) от анода (отрицательная клемма) к нагрузке, а затем к катоду (положительная клемма). Химический состав батареи меняется по мере возникновения этого потока ионов до тех пор, пока на анод не будет подаваться больше электронов, что приводит к разрядке батареи. Аккумулятор можно подзарядить с помощью внешнего источника питания, чтобы обратить вспять поток электронов через электролит от катода к аноду.

На рис. 1 показана простая диаграмма потока электронов внутри батареи и между ней и нагрузкой

Итак, принципиальным отличием литий-ионного аккумулятора от свинцово-кислотного является химический состав материалов, используемых в электродах и электролите. Большинство современных литий-ионных аккумуляторов используют оксид металла для катода и материал на основе углерода для анода. Раствор электролита представляет собой литиевую соль, растворенную в органическом растворителе. Свинцово-кислотная батарея, с другой стороны, использует диоксид свинца для катода, свинцовый анод и форму серной кислоты в качестве электролита. Эта химия в значительной степени определяет эксплуатационные возможности батареи. Таблица 1 освещает некоторые из высокоуровневых различий в производительности между двумя типами батарей, используемых в приложениях ИБП. Однако важно понимать, что между одной батареей и другой такого же типа могут быть большие различия в производительности из-за различий в химии (например, в составе электролита и электродов) и общем типе и качестве используемых материалов, а также конструкции элемента. Это затрудняет обобщение или обобщение характеристик литий-ионных аккумуляторов, если не предполагается их конкретное применение и конструкция.

Энергетическая плотность, Вт/Кг

Число циклов заряда/разряда

Время перезарядки, час

Как соотносятся затраты на литий-ионные аккумуляторные системы с затратами на свинцово-кислотные аккумуляторные системы при использовании ИБП?

В целом, можно сказать, что установленная стоимость литий-ионной системы стоит примерно в 1,2-2 раза больше, чем у свинцовых VRLA при том же уровне мощности и времени работы. Высокая закупочная цена была основной причиной того, что использование литий-ионных батарей в ИБП было столь ограниченным. Однако стоит отметить, что всего несколько лет назад эта разница в стоимости составляла 10 раз. при таком снижении стоимости в сочетании с высокими эксплуатационными преимуществами литий-ионные системы все чаще становятся жизнеспособным вариантом хранения энергии для все большего числа людей. Растущий спрос, будущие технологические усовершенствования и дополнительное повышение эффективности производства, вероятно, приведут к дальнейшему снижению затрат. Свинцово-кислотные батареи, с другой стороны, представляют собой более старую, более зрелую технологию с меньшим шансом на значительную эволюцию, которая существенно изменила бы стоимость на квч гораздо дальше вниз.

Со стороны операционных расходов (OPEX) литий-ионная система имеет явное преимущество. Это в основном связано с тем, что продолжительность жизни примерно вдвое (или больше) превышает продолжительность жизни систем VRLA. В течение 15-летнего периода свинцовые аккумуляторы, вероятно, придется заменять 2-3 раза, тогда как литий-ионные вообще могут не нуждаться в каких-либо заменах (или, возможно, один раз), что значительно экономит деньги и сократит объем технического обслуживания. Срок службы литий-ионного аккумулятора часто рассчитывается для условий работы при более высокой температуре (40°C/104°F), чем свинцово-кислотные (20-25°C/68-77°F). Это может нести дополнительную экономию эксплуатационных расходов за счет снижения энергии охлаждения. А поскольку литий-ионные аккумуляторные системы на 50-80% меньше, освободившееся пространство можно было бы использовать более продуктивно. Финансовая ценность этого может еще больше повысить общую стоимость владения литий-ионными системами. В целом, если рассматривать 10-летний цикл, то системы ИБП на основе литий-ионных аккумуляторов имеют ТСО на 10-40% меньше, чем системы со свинцовыми аккумуляторами.

Насколько литий-ионные аккумуляторы безопасны?

Все типы батарей, по определению, хранят химическую энергию, поэтому каждая батарея при неправильном обращении (например, брошенная в огонь) или чрезмерном заряде потенциально может представлять опасность, высвобождая опасные материалы или воспламеняя огонь. Литий-ионные аккумуляторы считаются более нестабильными из-за сообщений о случаях возгорания и из-за их гораздо более высокой удельной энергии в сочетании с большей чувствительностью к чрезмерному заряду. Неправильно используемая литий-ионная батарея легче достигнет состояния «теплового разноса», поскольку она имеет более низкое сопротивление элемента и более высокую емкость для хранения энергии, чем свинцово-кислотная батарея. Однако за эти годы был достигнут значительный прогресс, что сделало их более безопасными и гораздо более сопоставимыми с точки зрения безопасности с другими широко используемыми типами батарей. Химические изменения и улучшения упаковки клеток сделали их более стабильными. Процессы производства стали зрелыми, а используемые материалы-более долговечными. Схемы управления батареями, предотвращающие перегрев или перезаряд, хорошо протестированы и доказали свою эффективность в полевых условиях.

Широкое использование литиевых батарей в производстве миллионов портативных электронных устройств, смартфонов и электромобилей является лучшим свидетельством их высокого уровня безопасности. Поскольку системы литий-ионных аккумуляторов гораздо более чувствительны к тому, как они заряжаются и разряжаются, все они включают в себя систему управления батареями, или BMS, состоящую из микропроцессоров, датчиков, коммутаторов и связанных с ними схемами. Он постоянно контролирует на клеточном уровне температуру батареи, уровень заряда и скорость заряда, чтобы защитить от коротких замыканий и перезаряда. Система также является инструментом защиты ячеек от повреждений, предотвращая слишком низкое напряжение при разрядке. BMS предоставляет ИБП и пользователю точную информацию о состоянии батареи, работоспособности и доступном времени выполнения. Хотя BMS делает литий — ионные аккумуляторные системы намного безопаснее, сами они имеют высокую стоимость. Литий-ионные батареи не содержат ртути, свинца, кадмия или любого другого материала, считающегося опасным. Конечно, это не означает, что переработка или отсутствие переработки не оказывает воздействия на окружающую среду, но правительство США считает их достаточно безопасными для захоронения на свалках.

В чём разница между типами литий-ионных батарей?

Все литий-ионные аккумуляторы сегодня используют в качестве электролита неметаллический раствор, содержащий литий-ионы. Этот слой является проводником электронов, в котором протекает ток между двумя электродами, катодом (+) и анодом (-). Катод представляет собой оксид металла, а анод выполнен из пористого углеродного материала. Меняя тип используемых материалов, можно менять характеристики самих аккумуляторов.

Некоторые батареи, например, сконструированы таким образом, чтобы максимизировать энергетическую емкость и обеспечить длительное время работы, измеряемое в часах. Их часто называют «энергетическими ячейками».

С другой стороны, «силовые элементы» настраиваются таким образом, чтобы обеспечить очень высокую плотность мощности (то есть удельную мощность), но с меньшей энергетической емкостью, когда вся ее мощность может быть подана на нагрузку за короткий промежуток времени. Поскольку системы ИБП, как правило, сконфигурированы так, чтобы расходовать свои батареи в течение короткого промежутка времени (минут), здесь используются силовые элементы. Таким образом, батареи проектируются для их предполагаемого применения. А новые химические технологии разрабатываются и тестируются, чтобы еще больше расширить границы современной технологии литий-ионных аккумуляторов. Распространенный способ дифференциации типов литий-ионных аккумуляторов основан на их основном активном химическом материале, который придает аккумулятору его уникальные, присущие ему свойства по сравнению с другими литий-ионными аккумуляторами. По данным Battery University3, шесть из наиболее распространенных типов:

• Литий-кобальтовые (LiCoO2)
• Литий-марганцевые (LiMn2O4 or “LMO”)
• Литий-никель-марганец-кобальт-оксидные (LiNiMnCoO2 or “NMC”)
• Литий-железо-фосфатные (LiFePO4)
• Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидный (LiNiCoAIO2)
• Литий-титанатные (Li4Ti5O12)

В таблице 2 показано, как различные типы химии отличаются друг от друга с точки зрения их ключевых атрибутов.

Ориентация на АКБ большой ёмкости

Ориентация на АКБ большого тока

Источник