Удельная мощность аккумулятора это

Литий-железофосфат: новые аккумуляторы-долгожители от компании EEMB

Относительно недавно появившиеся на рынке литий-железофосфатные аккумуляторы несколько проигрывают литий-полимерным по максимальной удельной плотности энергии. Однако это окупается практически четырехкратным преимуществом по количеству циклов «заряд-разряд». Компания EEMB выпускает широкую линейку Li-FePO₄-аккумуляторов для различных применений.

В настоящее время происходит активное развитие систем хранения данных (серверных/дата-центров), различного телекоммуникационного оборудования, систем контроля доступа и охранно-пожарных систем, альтернативной энергетики, электротранспорта и других промышленных систем и объектов, требующих автономного электропитания. Для обеспечения электропитанием указанных систем все более востребованными становятся различного рода вторичные химические источники тока, или аккумуляторы.

В большинстве приложений в качестве вторичных источников тока до сих пор применяются свинцово-кислотные аккумуляторы, как имеющие наиболее отлаженную технологию производства и низкую удельную стоимость энергии.

Рис. 1. Система электропитания дата-центра

Многие из указанных выше областей применения аккумуляторов характеризуются потреблением большой и даже очень большой мощности – от единиц до нескольких сотен киловатт (альтернативная энергетика, электротранспорт, дата-центры). Отключения основной сети электропитания носят случайный характер и могут происходить с различными интервалами времени, поэтому для бесперебойной работы требуется весьма большой запас энергии. Конечно, на важных объектах время отключения от основной электросети регламентировано и обеспечивается выполнением дополнительных линий резервного питания и/или дизельной установкой. Например, если рассмотреть схему построения электропитания серверного оборудования, то она будет включать в себя подсистему гарантированного электропитания (ПГЭ) с двумя вводами от разных подстанций и отдельную дизельную установку (рисунок 1). Дополнительно в схему входит подсистема бесперебойного электропитания (ПБЭ), включающая два комплекта источников бесперебойного питания (основной и резервный каналы UPS). Каждый из источников бесперебойного питания оснащен комплектом аккумуляторных батарей на требуемую энергию, а учитывая мощность, потребляемую дата-центрами (до сотен кВт), становится понятной важность высокой удельной энергоемкости и длительного срока службы используемых аккумуляторов. Еще более значимым этот параметр становится, если аккумуляторы используются на электротранспорте, поскольку транспортировка «лишних» килограммов приводит только к бесполезному расходованию энергии и снижению общего КПД. И здесь распространенные свинцово-кислотные аккумуляторы существенно проигрывают другим типам аккумуляторов (на основе лития). Проигрывают свинцово-кислотные аккумуляторы и по содержанию вредных веществ, когда требуется их утилизация, а утилизировать их приходится в огромных количествах.

Если посмотреть на историю развития химических источников тока, мы заметим, что внимание разработчиков уделялось и уделяется, в основном, нескольким показателям: увеличению удельной энергоемкости и срока службы, снижению массогабаритных характеристик и стоимости, повышению экологичности и безопасности. Перечисленные параметры являются наиболее важными по отношению ко всем химическим источникам тока.

Аккумуляторы – перезаряжаемые источники тока, и для них одним из основных параметров является допустимое количество циклов «заряд-разряд», так как именно этим параметром определяется срок эксплуатации аккумулятора, а соответственно – частота обслуживания (регламентная замена аккумуляторов) и надежность системы в целом. Наибольшим количеством циклов «заряд-разряд» в настоящее время обладают литий-железофосфатные аккумуляторы (Li-FePO₄) [1]. Некоторые основные параметры кислотно-свинцовых и литий-железофосфатных аккумуляторов приведены в таблице 1. Указанное в таблице значение циклов заряд-разряд для Li-FePO₄ даже может быть увеличено в 2…4 раза, если осуществлять зарядку не дожидаясь полной разрядки аккумулятора. Это можно делать, так как рассматриваемый тип аккумуляторов не обладает эффектом памяти.

Таблица 1. Обобщенные сравнительные характеристики аккумуляторов

Тип аккумулятора	Рабочее напряжение (ячейки), В	Диапазон рабочей температуры (разряд), °С	Количество циклов «заряд-разряд»	Ток разряда (макс.), С	Удельная энергоемкость, Вт*ч/кг (Вт*ч/л)
Свинцово-кислотные	2	-30…45	2000	до 10	до 140 (270)

Литий-железофосфатные аккумуляторы пока еще являются новым типом продукции. Как изделия, доступные и пригодные для промышленного применения, они впервые появились на рынке 2003 году. Основной вклад в развитие данной технологии внесла американская компания 123 Systems.

Литий-железофосфатный аккумулятор был разработан как дальнейшее развитие литий-ионного аккумулятора, но при этом он характеризуется меньшей стоимостью и значительно более длительным сроком службы. Кроме того, элементы данного типа аккумулятора химически и термически стабильны, поэтому он значительно безопасней в эксплуатации, чем предшественник. Конечно, нельзя сказать, что литий-железофосфатный аккумулятор обладает максимальной удельной плотностью энергии. Он немного проигрывает по этому параметру литий-полимерным аккумуляторам (рисунок 2), но этот недостаток с запасом окупается практически четырехкратным перевесом в количестве циклов «заряд-разряд» (сроком службы). За время работы литий-железофосфатного аккумулятора можно сменить три-четыре литий-полимерных, а он будет продолжать работать.

Рис. 2. Удельная энергоемкость аккумуляторов

Следует сказать, что среди всего многообразия существующих и применяемых на сегодняшний день аккумуляторов невозможно найти абсолютного лидера по всем параметрам. В любом случае, всегда приходится руководствоваться тем, что в данном применении является наиболее важным, и, как правило, мы вынуждены выбирать некоторое компромиссное решение между техническими параметрами, стоимостью и безопасностью.

В настоящее время литий-железо­фосфатные аккумуляторы выпускаются во многих странах, в том числе и в России, но основное количество производителей сосредоточено в Китае. Это объясняется тем, что именно в этой стране находятся наибольшие запасы лития. На российском рынке представлена продукция различных производителей, среди которых заметную роль играет известная компания EEMB.

История работы компании EEMB в сфере разработки и изготовления химических источников тока насчитывает около 20 лет. Все это время компания специализируется на изготовлении именно литиевых первичных и вторичных источников тока различных электрохимических систем (Li-SOCl2, Li-MnO2, Li-SO2, Li-Ion, Li-Polimer).

Все выпускаемые аккумуляторы производятся как в виде единичных элементов, так и в виде батарей с последовательно-параллельным соединением элементов (ячеек). В зависимости от потребностей в конкретном приложении (емкость/напряжение), можно заказать изготовление специальных батарей из отдельных ячеек, также можно заказать требуемый размер ячеек (важно выполнить условие: требуемая удельная энергетическая плотность не должна превышать достигнутой – 250…270 Вт·ч/л).

Линейка продукции литий-железо­фосфатных аккумуляторов, выпускаемых компанией, делится на несколько групп, различающихся между собой электрическими и конструктивными параметрами:

• отдельные ячейки в виде модулей;
• батареи для телекоммуникационного оборудования (BTS);
• батареи для источников бесперебойного питания и альтернативной энергетики (UPS);
• батареи для электротранспорта.

Внешний вид некоторых аккумуляторов, выпускаемых компанией EEMB, представлен на рисунке 3.

Источник

Часто задаваемые вопросы об удельной мощности: вернемся к основам

Чем отличается удельная мощность от удельной энергоемкости и почему удельная мощность является ключевым параметром при разработке источников питания?

Чтобы создать надежный источник питания, необходимо понимать ключевые моменты и специфические факторы, определяющие его удельные характеристики.

Является ли удельная мощность эквивалентом удельной энергоемкости?

Удельная мощность и удельная энергоемкость являются совершенно разными параметрами.

Удельная энергоемкость (Вт∙ч/кг) определяется как количество энергии, которую можно сохранить в одной базовой единице измерения массы (кг), площади (м 2 ) или объема (л), а удельная мощность (Вт/кг) показывает, какое количество энергии может пройти через такую же базовую единицу (массы, площади, объема) за единицу времени (с). Когда говорят, что система является энергоемкой, то подразумевают, что она может сохранить значительное количество энергии и при этом имеет небольшую массу, площадь или объем.

Например, удельная энергоемкость аккумулятора показывает количество энергии, которое можно сохранить в одной единице его массы, а удельная мощность – максимальную скорость потребления или отдачи энергии, которую при той же массе можно достичь в процессе заряда или разряда.

Аккумуляторы обычно имеют высокую удельную энергоемкость и низкую удельную мощность, а конденсаторы наоборот – чаще всего имеют высокую удельную мощность и низкую удельную энергоемкость. Из-за этого конденсаторы способны обеспечить очень большие, но кратковременные, разрядные токи, в то время как аккумуляторы больше подходят для приложений, длительно потребляющих небольшой ток.

Почему удельная мощность является ключевым параметром?

Удельная мощность является ключевым параметром источников питания, особенно для приложений с ограниченными размерами. Примером таких приложений являются центры обработки данных, в которых информационное оборудование заполняет все доступное пространство. Поскольку количество обрабатываемой информации постоянно увеличивается, что приводит к неизбежному увеличению энергопотребления, то для источников питания с низкой удельной мощностью, не способных пропустить через выделенный объем требуемое количество энергии, в подобных приложениях может просто не оказаться места.

Еще одной областью, где удельная мощность играет ключевую роль, является альтернативная энергетика, которая с каждым годом становится все более необходимой для жителей Земли. В этом случае удельная мощность показывает, какое количество энергии можно получить с одного квадратного метра в течение некоторого времени (Вт/м 2 ).

Как увеличить удельную мощность?

Чаще всего увеличение удельной мощности приводит к уменьшению размеров системы (см. Рисунок 1).

Рисунок 1.	Комбинация контроллера и силовых транзисторов в одном силовом модуле позволяет уменьшить размеры печатной платы до 60%.

Значительный вклад в увеличение удельной мощности питающих устройств вносит Ассоциация производителей блоков питания (Power Supply Manufacturers Association, PSMA), работающая над созданием объемных силовых модулей с размерами, позволяющими установить их на печатной плате. Эта группа производителей оказывает также помощь в разработке контроллеров электродвигателей с улучшенным температурным контролем, имеющих повышенные значения удельной мощности и плотности выходного тока.

PSMA занимается крупносерийным производством готовых встраиваемых модулей. Подобный подход, совместно с использованием высокоинтегрированных силовых компонентов, позволяет значительно увеличить КПД и уменьшить размеры источников питания. Однако при использовании встраиваемых узлов с высокой удельной мощностью необходимо учитывать и преодолевать «тепловой барьер», появляющийся из-за того, что тепло, образующееся внутри объемного модуля, сложнее отвести от силовых элементов, чем в случае обычной плоской компоновки.

Как образом технология GaN-на-SiC может увеличить удельную мощность?

Теплопроводность карбида кремния (SiC) в три раза больше, чем у кремния (Si), поэтому нитрид-галлиевые (GaN) полупроводниковые приборы на подложках из карбида кремния (GaN-на-SiC) способны работать при более высоких напряжениях и рассеивать большую мощность, по сравнению с нитрид-галлиевыми аналогами, созданными на подложках их чистого кремния (GaN-на-Si). Эта особенность является ключевой для телекоммуникационного оборудования и устройств с беспроводными интерфейсами, требующих эффективного отвода тепла.

Создать устройства с высокой удельной мощностью на основе кремниевых полупроводниковых приборов принципиально невозможно. Однако теперь разработчикам доступны компактные нитрид-галлиевые транзисторы с малым уровнем потерь, поэтому замена кремниевых приборов на нитрид-галлиевые позволяет одновременно и уменьшить количество выделяемого тепла, и, за счет хорошей теплопроводности карбида кремния, облегчить температурные режимы мощных компонентов.

Влияют ли геометрические размеры источника питания на величину его удельной мощности?

Прежде всего, необходимо обратить внимание на то, что увеличение КПД источника питания обычно всегда приводит к уменьшению его геометрических размеров, ведь удельная мощность, фактически, равна отношению выходной мощности устройства к объему «коробки», занимаемой его компонентами (длина × ширина × высота). При проектировании любого источника питания разработчики, в первую очередь, стараются уменьшить размеры пассивных силовых компонентов, принципиально необходимых для его работы: конденсаторов, дросселей и трансформаторов.

Использование приборов, изготовленных из полупроводников с широкой запрещенной зоной (Wide-Bandgap, WBG), в том числе и транзисторов, изготовленных по технологиям GaN-на-SiC, позволяет повысить рабочую частоту преобразования современных источников питания и, тем самым, уменьшить размеры пассивных компонентов. Однако увеличение частоты переключений приводит к увеличению динамических потерь, что, в свою очередь, приводит к увеличению температуры полупроводниковых приборов. На практике эти проблемы решаются как с помощью инновационных систем охлаждения, так и с помощью специализированных схем управления силовыми транзисторами.

Кроме того, члены PSMA разработали несколько оригинальных методов интеграции на основе объемной компоновки, использование которых позволяет сократить объем «коробки», занимаемой источником питания.

Объемный монтаж

Размеры печатной платы ограничены во многих приложениях, поэтому специалисты PSMA пошли по пути вертикального размещения элементов источников питания (3D-stacking). В этом случае контроллер, активные и пассивные компоненты, в том числе и индуктивные, располагаются друг над другом в виде сложной многослойной конструкции.

При использовании объемного монтажа силовые элементы устанавливаются на нескольких печатных платах, причем некоторые компоненты даже могут устанавливаться в плоскости платы в специальных отверстиях. Взаимное расположение печатных плат внутри литого корпуса также тщательно продумывается и оптимизируется. В конечном итоге, использование объемного монтажа позволяет увеличить удельную мощность готового модуля и значительно уменьшить общую длину соединений между компонентами.

Кроме того, в новых разработках активно используются и другие передовые технологии, в числе которых и методы, позволяющие уменьшить размеры печатных плат до такой степени, когда можно полностью отказаться от их применения, что также позволяет дополнительно увеличить объемную удельную мощность (Вт/см 3 ).

В каких системах требуется высокая удельная мощность?

Дроны

Тяговые системы большинства дронов создаются на основе электродвигателей, преимуществами которых являются высокий КПД, малые уровни шума и тепловыделения, а также высокая точность управления. Несмотря на то, что двигатели внутреннего сгорания (ДВС) имеют более высокую удельную мощность, а химическое топливо более высокую энергоемкость, отсутствие у ДВС перечисленных особенностей не позволяет их использовать в подобной технике.

Источником энергии для электродвигателей дронов могут служить топливные элементы и аккумуляторы. Если силовая установка дрона питается только от топливных элементов, то их маневренность может быть ограничена. Из-за этого топливные элементы обычно используются совместно с аккумуляторами, имеющими более высокую удельную мощность и меньшее время отклика. Такое решение позволяет повысить уровень максимальной мощности энергетической установки и обеспечить быстрый взлет и набор высоты.

Вместо аккумуляторов могут использоваться также и суперконденсаторы, обладающие еще более высокой удельной мощностью. Кроме того, суперконденсаторы имеют высокую скорость заряда/разряда и устойчивы к перезаряду, что позволяет значительно уменьшить колебания напряжения на питающей шине. Таким образом, суперконденсаторы могут дополнительно усилить гибридную энергетическую систему дрона, увеличив ее удельную мощность и уменьшив время отклика.

Центры обработки данных

Центры обработки данных испытывают растущую потребность в более высокой удельной мощности и повышении уровня резервирования.

Особенностью потребления энергии информационным оборудованием является резкое колебание уровня энергопотребления, что потребовало пересмотра подходов к построению систем электропитания, разработанных 40 лет назад, в том числе, и требований к величине удельной мощности. На сегодняшний день энергопотребление ИТ-стоек продолжает увеличиваться в геометрической прогрессии, поэтому чем выше удельная мощность конкретного оборудования, тем более качественно оно может удовлетворить потребности конечных пользователей.

Таким образом, использование ИТ-оборудования с традиционной удельной мощностью 40…80 Вт/фут 2 (430…861 Вт/м 2 ) в самом ближайшем будущем уже не сможет удовлетворить потребности клиентов.

Радиосвязь

Мощность радиоволны, создаваемой передатчиком, также можно выразить через удельную мощность, показывающую какое количество энергии проходит через единицу площади пространства (Вт/м 2 ). При использовании изотропных антенн радиоволны излучаются во всех направлениях, поэтому удельную мощность радиосигнала на расстоянии R от антенны можно определить как мощность передатчика, деленную на площадь поверхности сферы с данным радиусом (4πR 2 ).

Поскольку площадь поверхности сферы увеличивается пропорционально квадрату ее радиуса, то и удельная мощность радиоволны (Вт/м 2 ) будет уменьшаться пропорционально квадрату расстояния между передатчиком и приемником.

Заключение

Удельная мощность является важной характеристикой источника питания, и без четкого понимания и учета факторов, влияющих на ее величину, будет очень сложно создать надежное и эффективное оборудование. Конечно, на итоговую конструкцию того или иного устройства будут влиять и другие параметры, в первую очередь, функциональное назначение и температура окружающей среды. Однако понимание факторов, влияющих на удельную мощность, позволит создавать системы с высоким КПД и длительным сроком эксплуатации, характеристики которых будут оставаться на высоком уровне в течение многих лет.

Перевод: Александр Русу по заказу РадиоЛоцман

Источник