Литий-ионные ИБП: какой тип батарей выбрать, LMO или LFP?

На сегодняшний день практически у каждого в кармане находится телефон (смартфон, камерофон, планшет), способный переплюнуть по производительности ваш домашний десктоп, который вы уже несколько лет не обновляли. В каждом гаджете у вас стоит литий-полимерная батарея. Теперь вопрос: кто из читателей вспомнит точно, когда произошёл безвозвратный переход от «звонилок» к мультифункциональным устройствам?

Сложно… Надо напрягать память, вспоминать год покупки первого «умного» телефона. Для меня это примерно 2008-2010 год. На тот момент ёмкость литиевой батареи для обычного телефона составляла порядка 700 мАч, сейчас ёмкость батарей телефонов достигает 4 тысяч мАч.

Увеличение ёмкости в 6 раз, при том, что, грубо говоря, размер батареи увеличился всего в 2 раза.

Как мы уже рассказывали в нашей статье, литий-ионные решения для ИБП стремительно завоёвывают рынок, обладают рядом неоспоримых преимуществ и достаточно безопасны в эксплуатации (тем более в условиях серверной).

Друзья, сегодня попытаемся разобраться и сравнить решения на железо-литий-фосфатных батареях (LFP) и литий-марганцевых (LMO), изучить их достоинства и недостатки, сравнить между собой по ряду удельных показателей. Напомню, что оба вида батарей относятся к литий-ионным, литий-полимерным аккумуляторам, но отличаются химическим составом. Если вас заинтересовало продолжение, прошу под кат.

Перспективы литиевых технологий в области накопления энергии

Текущая ситуация в РФ на 2017 год представляла следующее.

кликабельно

С использованием источника: «Концепция развития систем хранения электроэнергии в РФ», Минэнерго РФ, 21 августа 2017 года.

Как видим, литий-ионная технология на тот момент находилась в лидерах приближения к промышленной технологии производства (подразумевалась в первую очередь LFP технология).

Далее посмотрим на тенденции в США, точнее, рассмотрим свежую версию документа:

Справка: АББМ – энергетические массивы для источников бесперебойного питания, которые используются в электроэнергетике для:

• Резервирования электроэнергии для особо важных потребителей при перебоях в электроснабжении собственных нужд (СН) 0,4 кВ на подстанции (ПС).
• Как «буферный» накопитель для альтернативных источников.
• Компенсации дефицита мощности в режиме пикового потребления для разгрузки объектов генерации и передачи электричества.
• Накопления энергии в течении суток во время её низкой стоимости (ночное время суток).

кликабельно

Как видим, Li-Ion технологии по состоянию на 2016 год прочно удерживали лидирующее положение и показывали стремительный кратный рост и по мощности (МВт), и по энергии (МВт*ч).

В этом же документе можем прочитать следующее:

«Литий-ионные технологии представляют более чем 80% добавленной мощности и энергии системами АББМ выработанной в США на конец 2016 года. Литий-ионные батареи имеют высокоэффективный цикл (заряда, прим. автора) и быстрее отдают накопленную мощность. В добавок ко всему, они имеют высокую плотность энергии (удельная мощность, прим. автора) и большие токи отдачи, что обусловило выбор их в качестве батарей для портативной электроники и электрических транспортных средств».

Попробуем сравнить две технологии литий-ионных аккумуляторов для ИБП

Сравнивать будем призматические ячейки, построенные на химии LMO и LFP. Именно эти две технологии (с вариациями типа LMO-NMC) сейчас являются основными промышленными образцами для различного электротранспорта, электромобилей.

Лирическое отступление по поводу батарей в электромобилях можно прочитать тутСпросите, причём тут электротранспорт? Поясню: активное распространение электротранспорта на Li-Ion технологиях уже давно перешагнуло стадию опытных образцов. А как мы знаем, все новейшие технологии приходят к нам из дорогих, новейших сфер жизни. Например, масса автотехнологий пришла к нам из Формулы-1, множество новейших технологий вошло в нашу жизнь из космической сферы, и так далее… Поэтому, на наш взгляд, сейчас происходит проникновение литий-ионных технологий в промышленные решения.

Рассмотрим таблицу сравнения основных производителей, химии батарей и собственно автомобильных компаний, активно выпускающих электромобили (гибриды).

Выберем исключительно призматические ячейки, которые подходят под форм-фактор использования в ИБП. Как видим, литий-титанат (LTO-NMC) является аутсайдером по удельной запасённой энергии. Остаются три производителя призматических ячеек, пригодных для использования в промышленных решениях, в частности, в батареях для ИБП.

Приведу цитату и перевод из документа «Оценка жизненного цикла и длительности эксплуатации литиевых электродов для батарей электротранспорта — ячейки для LEAF, Tesla и автобусов VOLVO» (Оригинал «Life cycle assessment of long life lithium electrode for electric vehicle batteries- cell for LEAF, Tesla and Volvo bus» от 11 декабря 2017 года от Mats Zackrisson. Здесь исследуются большей частью химические процессы в батареях автотранспорта, влияние вибраций и климатических условий эксплуатации, вред для окружающей среды. Однако имеется одна любопытная фраза на предмет сравнения двух технологий литий-ионных батарей.

В вольном моем переводе выглядит так:

NMC технология показывает меньшее воздействие на окружающую среду в расчёте на километр пробега транспорта, чем LFP технология с металлическим анодом батарейной ячейки, но здесь сложно уменьшить или ликвидировать ошибки. Основной смысл выглядит как: более высокая плотность энергии NMC даёт меньший вес и таким образом меньшее электропотребление.

1) Призматическая ячейка LMO технологии, производитель CPEC, USA, стоимость 400$.

Внешний вид ячейки LMO

2) Призматическая ячейка LFP технологии, производитель AA Portable Power Corp, стоимость 160$.

Внешний вид ячейки LFP

3) Для сравнения добавим авиационную батарею резервного питания, построенную на технологии LFP и ту самую которая участвовала в нашумевшем скандале возгорания Боинга в 2013 году, производитель True Blue Power.

Внешний вид батареи TB44

4) Для объективности добавим стандартную батарею ИБП Lead-acid /Portalac/PXL12090, 12В.
Внешний вид классической батареи для ИБП

Cведём исходные данные в таблицу.

кликабельно

Как видим, действительно, наибольшей энергетической эффективностью обладают LMO ячейки, классический свинец проигрывает по удельной энергии минимум в два раза.

Всем ясно, что система BMS для массива Li-Ion батарей добавит массы этому решению, то есть, снизит удельную энергию примерно на 20 процентов (разница между чистым весом батарей и комплектным решением с учетом систем BMS, оболочки модуля, контроллера батарейного шкафа). Массу перемычек, батарейного выключателя и батарейного шкафа принимаем условно равной для литий-ионных батарей и батарейного массива свинцово-кислотных батарей.

Теперь попробуем сравнить расчётные параметры. При этом примем глубину разряда для свинца – 70%, а для Li-Ion – 90%.

кликабельно

Отметим, что низкая удельная энергия для авиационной батареи связана с тем, что сама батарея (которую можно рассматривать как модуль) заключена в металлический противопожарный кожух, обладает разъёмами и системой обогрева для эксплуатации в условиях низких температур. Для сравнения приведён расчёт для одной ячейки в составе батареи TB44, откуда можно сделать вывод о близких характеристиках с обычной LFP ячейкой. Кроме того, авиационная батарея рассчитана на большие токи заряда/разряда, что связано с необходимостью быстрой подготовки воздушного судна к новому полёту на земле и большим током разрядки в случае аварийной ситуации на борту, например, пропадании бортового питания
Кстати вот как сравнивает разные типы авиационных батарей сам производитель

Как видим из таблиц:

1) Мощность батарейного шкафа в случае LMO технологии выше.
2) Количество циклов работы батарей для LFP больше.
3) Удельный вес для LFP меньше, соответственно, при той же ёмкости батарейный шкаф на железо-литий-фосфатной технологии больше.
4) Склонность к тепловому разгону у технологии LFP меньше, что связано с его химической структурой. Как следствие, он считается относительно безопасным.

Для тех кто желает наглядно понять, как литий-ионные батареи могут соединяться в батарейный массив для работы с ИБП, рекомендую заглянуть сюда.Например, такая схема. В данном случае чистый вес батарей будет 340 кг, ёмкость составит 100 ампер-часов.

кликабельно

Или схема для LFP 160S2P, где чистая масса батарей будет 512 кг, а ёмкость — 200 ампер-часов.

кликабельно

ВЫВОД: Несмотря на то, что батареи с химией железо-литий-фосфат (LiFeO4, LFP) используются большей частью в электротранспорте, их характеристики обладают рядом преимуществ перед химической формулой LMO, позволяют заряжать большим током, менее подвержены риску теплового разгона. Какой тип батарей выбрать, остаётся на усмотрении поставщика готового комплексного решения, который определяет это по ряду критериев, и не в последнюю очередь это стоимость батарейного массива в составе ИБП. В данный момент любой тип литий-ионных батарей всё ещё проигрывает по стоимости классическим решениям, но большая удельная мощность литиевых батарей на единицу массы и меньшие габарита всё чаще будет определять выбор в сторону новых накопителей энергии. В ряде случаев меньшая полная масса ИБП определяет выбор в сторону новых технологий. Этот процесс будет проходить совершенно незаметно, и в данный момент сдерживается высокой стоимостью в низком ценовом сегменте (бытовые решения) и инертностью мышления в отношении пожарной безопасности лития у заказчиков, которые ищут лучшие варианты ИБП в промышленном сегменте ИБП мощностью более 100 кВА. Уровень среднего сегмента мощностей ИБП от 3кВА до 100 кВА возможен к реализации на литий-ионных технологиях, но ввиду мелкосерийного производства достаточно дорог и проигрывает готовым серийным образцам ИБП на VRLA батареях.

Узнать подробности и обсудить конкретное решение с использованием литий-ионных батарей для вашей серверной или ЦОД можно, направив запрос на электронную почту [email protected], либо сделав запрос на сайте компании www.ot.ru.

ОТКРЫТЫЕ ТЕХНОЛОГИИ – надёжные комплексные решения от мировых лидеров, адаптированные именно под ваши цели и задачи.

Автор: Куликов Олег
Ведущий инженер конструктор
Департамент интеграционных решений
Компания Открытые Технологии

Источник: habr.com