लिथियम-आयन यूपीएस: किस प्रकार की बैटरी चुनें, एलएमओ या एलएफपी?

आज, लगभग हर किसी की जेब में एक फोन (स्मार्टफोन, कैमरा फोन, टैबलेट) है जो प्रदर्शन के मामले में आपके होम डेस्कटॉप से ​​बेहतर प्रदर्शन कर सकता है, जिसे आपने कई वर्षों से अपडेट नहीं किया है। आपके पास मौजूद हर गैजेट में लिथियम पॉलिमर बैटरी होती है। अब सवाल यह है कि किस पाठक को ठीक से याद होगा कि "डायलर" से बहुक्रियाशील उपकरणों में अपरिवर्तनीय परिवर्तन कब हुआ था?

यह कठिन है... आपको अपनी याददाश्त पर ज़ोर देना होगा, उस वर्ष को याद करना होगा जब आपने अपना पहला "स्मार्ट" फ़ोन खरीदा था। मेरे लिए यह 2008-2010 के आसपास है। उस समय, एक नियमित फोन के लिए लिथियम बैटरी की क्षमता लगभग 700 एमएएच थी; अब फोन बैटरी की क्षमता 4 हजार एमएएच तक पहुंच गई है।

क्षमता में 6 गुना वृद्धि, इस तथ्य के बावजूद कि, मोटे तौर पर कहें तो, बैटरी का आकार केवल 2 गुना बढ़ा है।

हम कैसे हमारे लेख में पहले ही चर्चा की जा चुकी है, यूपीएस के लिए लिथियम-आयन समाधान तेजी से बाजार पर कब्जा कर रहे हैं, इसके कई निर्विवाद फायदे हैं और उपयोग करने में काफी सुरक्षित (विशेषकर सर्वर रूम में)।

दोस्तों, आज हम आयरन-लिथियम फॉस्फेट (एलएफपी) और लिथियम-मैंगनीज (एलएमओ) बैटरियों पर आधारित समाधानों को समझने और तुलना करने का प्रयास करेंगे, उनके फायदे और नुकसान का अध्ययन करेंगे और कई विशिष्ट संकेतकों के अनुसार एक दूसरे के साथ तुलना करेंगे। मैं आपको याद दिला दूं कि दोनों प्रकार की बैटरियां लिथियम-आयन, लिथियम-पॉलीमर बैटरी से संबंधित हैं, लेकिन रासायनिक संरचना में भिन्न हैं। यदि आप निरंतरता में रुचि रखते हैं, तो कृपया बिल्ली के नीचे।

ऊर्जा भंडारण में लिथियम प्रौद्योगिकियों की संभावनाएँ

2017 में रूसी संघ की वर्तमान स्थिति इस प्रकार थी।

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स्रोत का उपयोग करना: "रूसी संघ में बिजली भंडारण प्रणालियों के विकास की अवधारणा," रूसी संघ के ऊर्जा मंत्रालय, 21 अगस्त, 2017।

जैसा कि आप देख सकते हैं, उस समय लिथियम-आयन तकनीक औद्योगिक उत्पादन तकनीक (मुख्य रूप से एलएफपी तकनीक) के करीब पहुंचने में अग्रणी थी।

आगे, आइए संयुक्त राज्य अमेरिका के रुझानों को देखें, या अधिक सटीक रूप से, दस्तावेज़ के नवीनतम संस्करण पर विचार करें:

संदर्भ: एबीबीएम निर्बाध बिजली आपूर्ति के लिए ऊर्जा सरणियाँ हैं, जिनका उपयोग विद्युत ऊर्जा उद्योग में किया जाता है:

• सबस्टेशन (पीएस) पर स्वयं की जरूरतों (एसएन) 0,4 केवी के लिए बिजली आपूर्ति में रुकावट के मामले में विशेष रूप से महत्वपूर्ण उपभोक्ताओं के लिए बिजली का आरक्षण।
• वैकल्पिक स्रोतों के लिए "बफ़र" ड्राइव के रूप में।
• बिजली उत्पादन और पारेषण सुविधाओं को राहत देने के लिए चरम खपत के दौरान बिजली की कमी के लिए मुआवजा।
• दिन के दौरान ऊर्जा का संचय जब इसकी लागत कम होती है (रात का समय)।

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जैसा कि हम देख सकते हैं, 2016 तक ली-आयन प्रौद्योगिकियों ने मजबूती से अग्रणी स्थान हासिल किया और बिजली (मेगावाट) और ऊर्जा (एमडब्ल्यूएच) दोनों में तेजी से कई गुना वृद्धि दिखाई।

उसी दस्तावेज़ में हम निम्नलिखित पढ़ सकते हैं:

“लिथियम-आयन प्रौद्योगिकियां 80 के अंत में संयुक्त राज्य अमेरिका में एबीबीएम सिस्टम द्वारा उत्पन्न 2016% से अधिक अतिरिक्त बिजली और ऊर्जा का प्रतिनिधित्व करती हैं। लिथियम-आयन बैटरियों में अत्यधिक कुशल चार्ज चक्र होता है और संचित बिजली तेजी से निकलती है। इसके अलावा, उनमें उच्च ऊर्जा घनत्व (शक्ति घनत्व, लेखक का नोट) और उच्च आउटपुट धाराएं होती हैं, जिसके कारण पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक्स और इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए बैटरी के रूप में उनकी पसंद बढ़ गई है।

आइए यूपीएस के लिए दो लिथियम-आयन बैटरी प्रौद्योगिकियों की तुलना करने का प्रयास करें

हम एलएमओ और एलएफपी रसायन विज्ञान पर निर्मित प्रिज्मीय कोशिकाओं की तुलना करेंगे। यह ये दो प्रौद्योगिकियां हैं (एलएमओ-एनएमसी जैसी विविधताओं के साथ) जो अब विभिन्न इलेक्ट्रिक वाहनों और इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए मुख्य औद्योगिक डिजाइन हैं।

इलेक्ट्रिक वाहनों में बैटरियों पर एक गीतात्मक विषयांतर यहां पढ़ा जा सकता हैआप पूछते हैं, विद्युत परिवहन का इससे क्या लेना-देना है? मैं समझाता हूं: ली-आयन प्रौद्योगिकियों का उपयोग करने वाले इलेक्ट्रिक वाहनों का सक्रिय प्रसार लंबे समय से प्रोटोटाइप के चरण को पार कर गया है। और जैसा कि हम जानते हैं, सभी नवीनतम प्रौद्योगिकियां जीवन के महंगे, नए क्षेत्रों से हमारे पास आती हैं। उदाहरण के लिए, फॉर्मूला 1 से बहुत सारी ऑटोमोटिव प्रौद्योगिकियां हमारे पास आईं, अंतरिक्ष क्षेत्र से कई नई प्रौद्योगिकियां हमारे जीवन में आईं, और इसी तरह... इसलिए, हमारी राय में, लिथियम-आयन प्रौद्योगिकियां अब औद्योगिक समाधानों में प्रवेश कर रही हैं।

आइए मुख्य निर्माताओं, बैटरी रसायन शास्त्र और स्वयं ऑटोमोटिव कंपनियों के बीच तुलना तालिका देखें जो सक्रिय रूप से इलेक्ट्रिक वाहन (हाइब्रिड) का उत्पादन कर रहे हैं।

हम विशेष रूप से प्रिज्मीय कोशिकाओं का चयन करेंगे जो यूपीएस में उपयोग के लिए फॉर्म फैक्टर में फिट होते हैं। जैसा कि आप देख सकते हैं, लिथियम टाइटेनेट (एलटीओ-एनएमसी) विशिष्ट संग्रहीत ऊर्जा के मामले में एक बाहरी व्यक्ति है। औद्योगिक समाधानों, विशेषकर यूपीएस बैटरियों में उपयोग के लिए उपयुक्त प्रिज्मीय कोशिकाओं के तीन निर्माता बने हुए हैं।

मैं दस्तावेज़ "इलेक्ट्रिक वाहन बैटरियों के लिए लंबे जीवन वाले लिथियम इलेक्ट्रोड का जीवन चक्र मूल्यांकन - LEAF, टेस्ला और वोल्वो बसों के लिए सेल" (मूल "इलेक्ट्रिक वाहन बैटरी के लिए लंबे जीवन लिथियम इलेक्ट्रोड का जीवन चक्र मूल्यांकन - LEAF के लिए सेल) से उद्धृत और अनुवाद करूंगा , टेस्ला और वोल्वो बस" दिनांक 11 दिसंबर, 2017 मैट्स जैक्रिसन से। यह ज्यादातर वाहन बैटरी में रासायनिक प्रक्रियाओं, कंपन और जलवायु परिचालन स्थितियों के प्रभाव और पर्यावरण को नुकसान की जांच करता है। हालांकि, तुलना के संबंध में एक दिलचस्प वाक्यांश है दो लिथियम-आयन बैटरी प्रौद्योगिकियों की।

मेरे निःशुल्क अनुवाद में यह इस प्रकार दिखता है:

एनएमसी तकनीक धातु एनोड बैटरी सेल के साथ एलएफपी तकनीक की तुलना में प्रति वाहन किलोमीटर पर कम पर्यावरणीय प्रभाव दिखाती है, लेकिन त्रुटियों को कम करना या खत्म करना मुश्किल है। मुख्य विचार यह है: एनएमसी के उच्च ऊर्जा घनत्व के परिणामस्वरूप वजन कम होता है और इस प्रकार बिजली की खपत कम होती है।

1) प्रिज़मैटिक सेल एलएमओ प्रौद्योगिकी, निर्माता सीपीईसी, यूएसए, लागत $400.

एलएमओ सेल की उपस्थिति

2) प्रिज़मैटिक सेल एलएफपी प्रौद्योगिकी, निर्माता एए पोर्टेबल पावर कार्पोरेशन, लागत $160.

एलएफपी सेल की उपस्थिति

3) तुलना के लिए, आइए एलएफपी तकनीक पर निर्मित एक विमान बैकअप बैटरी और वही बैटरी जोड़ें जिसने सनसनीखेज घोटाले में भाग लिया था 2013 में बोइंग में आग, निर्माता ट्रू ब्लू पावर।

TB44 बैटरी की उपस्थिति

4) निष्पक्षता के लिए, आइए एक मानक यूपीएस बैटरी जोड़ें लेड-एसिड /पोर्टलैक/पीएक्सएल12090, 12वी।
एक क्लासिक यूपीएस बैटरी की उपस्थिति

आइए स्रोत डेटा को एक तालिका में रखें।

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जैसा कि हम देख सकते हैं, वास्तव में, एलएमओ कोशिकाओं में उच्चतम ऊर्जा दक्षता होती है; क्लासिक लेड कम से कम दोगुना ऊर्जा कुशल होता है।

यह सभी के लिए स्पष्ट है कि ली-आयन बैटरी सरणी के लिए एक बीएमएस प्रणाली इस समाधान में वजन बढ़ाएगी, यानी, यह विशिष्ट ऊर्जा को लगभग 20 प्रतिशत कम कर देगी (बैटरी के शुद्ध वजन और पूर्ण समाधान के बीच का अंतर) बीएमएस सिस्टम, मॉड्यूल शेल, बैटरी कैबिनेट नियंत्रक को ध्यान में रखते हुए)। जंपर्स, बैटरी स्विच और बैटरी कैबिनेट का द्रव्यमान लिथियम-आयन बैटरी और लेड-एसिड बैटरी की बैटरी सरणी के लिए सशर्त रूप से बराबर माना जाता है।

आइए अब परिकलित मापदंडों की तुलना करने का प्रयास करें। इस मामले में, हम लेड के लिए डिस्चार्ज गहराई को 70% और ली-आयन के लिए 90% स्वीकार करेंगे।

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ध्यान दें कि एक विमान बैटरी के लिए कम विशिष्ट ऊर्जा इस तथ्य के कारण है कि बैटरी स्वयं (जिसे एक मॉड्यूल के रूप में माना जा सकता है) एक धातु अग्निरोधक आवरण में संलग्न है, इसमें कम तापमान की स्थिति में संचालन के लिए कनेक्टर और एक हीटिंग सिस्टम है। तुलना के लिए, टीबी44 बैटरी में एक सेल के लिए एक गणना दी गई है, जिससे हम यह निष्कर्ष निकाल सकते हैं कि विशेषताएँ पारंपरिक एलएफपी सेल के समान हैं। इसके अलावा, विमान की बैटरी को उच्च चार्ज/डिस्चार्ज धाराओं के लिए डिज़ाइन किया गया है, जो जमीन पर एक नई उड़ान के लिए विमान को जल्दी से तैयार करने की आवश्यकता से जुड़ा है और बोर्ड पर आपात स्थिति की स्थिति में एक बड़ा डिस्चार्ज करंट है, उदाहरण के लिए, ऑन-बोर्ड बिजली की हानि
वैसे, निर्माता स्वयं विभिन्न प्रकार की विमान बैटरियों की तुलना इस प्रकार करता है

जैसा कि हम तालिकाओं से देखते हैं:

1) एलएमओ प्रौद्योगिकी के मामले में बैटरी कैबिनेट की शक्ति अधिक है।
2) एलएफपी के लिए बैटरी चक्रों की संख्या अधिक है।
3) एलएफपी के लिए विशिष्ट गुरुत्व कम है; तदनुसार, समान क्षमता के साथ, आयरन-लिथियम फॉस्फेट तकनीक पर आधारित बैटरी कैबिनेट बड़ा है।
4) एलएफपी तकनीक में थर्मल रनवे का खतरा कम होता है, जो इसकी रासायनिक संरचना के कारण होता है। परिणामस्वरूप, इसे अपेक्षाकृत सुरक्षित माना जाता है।

जो लोग स्पष्ट रूप से समझना चाहते हैं कि यूपीएस के साथ काम करने के लिए लिथियम-आयन बैटरियों को बैटरी सरणी में कैसे जोड़ा जा सकता है, मैं यहां एक नज़र डालने की सलाह देता हूं।उदाहरण के लिए, यह आरेख. इस मामले में, बैटरियों का शुद्ध वजन 340 किलोग्राम होगा, क्षमता 100 एम्पीयर-घंटे होगी।

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या एलएफपी 160एस2पी के लिए एक सर्किट, जहां बैटरियों का शुद्ध द्रव्यमान 512 किलोग्राम होगा और क्षमता 200 एम्पीयर-घंटे होगी।

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निष्कर्ष: इस तथ्य के बावजूद कि आयरन-लिथियम फॉस्फेट (LiFeO4, LFP) रसायन वाली बैटरियों का उपयोग ज्यादातर इलेक्ट्रिक वाहनों में किया जाता है, उनकी विशेषताओं में LMO रासायनिक सूत्र की तुलना में कई फायदे हैं, वे उच्च धारा के साथ चार्ज करने की अनुमति देते हैं, और कम संवेदनशील होते हैं थर्मल पलायन के जोखिम के लिए. किस प्रकार की बैटरी चुननी है यह तैयार एकीकृत समाधान के आपूर्तिकर्ता के विवेक पर निर्भर करता है, जो इसे कई मानदंडों के अनुसार निर्धारित करता है, और यूपीएस के हिस्से के रूप में बैटरी सरणी की लागत कम से कम नहीं है। फिलहाल, किसी भी प्रकार की लिथियम-आयन बैटरी अभी भी शास्त्रीय समाधानों की लागत से कम है, लेकिन प्रति यूनिट द्रव्यमान और छोटे आयामों की लिथियम बैटरी की उच्च विशिष्ट शक्ति नई ऊर्जा भंडारण उपकरणों की पसंद को तेजी से निर्धारित करेगी। कुछ मामलों में, यूपीएस का कम सकल वजन नई प्रौद्योगिकियों की पसंद को निर्धारित करता है। यह प्रक्रिया पूरी तरह से किसी का ध्यान नहीं जाएगी, और वर्तमान में कम कीमत खंड (घरेलू समाधान) में उच्च लागत और औद्योगिक यूपीएस में सर्वोत्तम यूपीएस विकल्पों की तलाश कर रहे ग्राहकों के बीच लिथियम की अग्नि सुरक्षा के बारे में सोच की जड़ता से बाधित है। 100 केवीए से अधिक क्षमता वाला खंड। 3 केवीए से 100 केवीए तक यूपीएस पावर के मध्य-खंड स्तर को लिथियम-आयन प्रौद्योगिकियों का उपयोग करके कार्यान्वित किया जा सकता है, लेकिन छोटे पैमाने पर उत्पादन के कारण, यह वीआरएलए बैटरी का उपयोग करके तैयार किए गए सीरियल यूपीएस मॉडल से काफी महंगा और कमतर है।

आप ईमेल द्वारा अनुरोध भेजकर अधिक विवरण प्राप्त कर सकते हैं और अपने सर्वर रूम या डेटा सेंटर के लिए लिथियम-आयन बैटरी का उपयोग करके एक विशिष्ट समाधान पर चर्चा कर सकते हैं। [ईमेल संरक्षित], या कंपनी की वेबसाइट पर अनुरोध करके www.ot.ru.

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लेखक: कुलिकोव ओलेग
अग्रणी डिजाइन इंजीनियर
एकीकरण समाधान विभाग
ओपन टेक्नोलॉजीज कंपनी

स्रोत: www.habr.com