UPS ליתיום-יון: איזה סוג סוללות לבחור, LMO או LFP?

כיום, כמעט לכל אחד יש טלפון בכיס (סמארטפון, טלפון מצלמה, טאבלט) שיכול להתעלות על שולחן העבודה הביתי שלכם, שלא עדכנתם כבר כמה שנים, מבחינת ביצועים. לכל גאדג'ט שיש לך יש סוללת ליתיום פולימר. כעת נשאלת השאלה: איזה קורא יזכור בדיוק מתי התרחש המעבר הבלתי הפיך מ"חייגנים" למכשירים רב-תכליתיים?

זה קשה... אתה צריך לאמץ את הזיכרון שלך, לזכור את השנה שבה קנית את הטלפון ה"חכם" הראשון שלך. בשבילי זה בסביבות 2008-2010. באותה תקופה, הקיבולת של סוללת ליתיום לטלפון רגיל הייתה כ-700 מיליאמפר/שעה; כעת קיבולת סוללות הטלפון מגיעה ל-4 מיליאמפר/שעה.

גידול בקיבולת פי 6, למרות העובדה שבערך, גודל הסוללה גדל רק פי 2.

כמונו כבר נדון במאמר שלנו, פתרונות ליתיום-יון עבור UPS כובשים במהירות את השוק, יש להם מספר יתרונות שאין להכחישה די בטוח לשימוש (במיוחד בחדר שרתים).

חברים, היום ננסה להבין ולהשוות פתרונות המבוססים על סוללות ברזל-ליתיום פוספט (LFP) וליתיום-מנגן (LMO), ללמוד את היתרונות והחסרונות שלהם ולהשוות זה עם זה לפי מספר מדדים ספציפיים. הרשו לי להזכיר לכם ששני סוגי הסוללות שייכים לסוללות ליתיום-יון, ליתיום-פולימר, אך שונים בהרכבם הכימי. אם אתה מעוניין בהמשך, בבקשה, מתחת לחתול.

סיכויים לטכנולוגיות ליתיום באחסון אנרגיה

המצב הנוכחי בפדרציה הרוסית בשנת 2017 היה כדלקמן.

ניתן ללחוץ

שימוש במקור: "קונספט לפיתוח מערכות אחסון חשמל בפדרציה הרוסית", משרד האנרגיה של הפדרציה הרוסית, 21 באוגוסט 2017.

כפי שניתן לראות, טכנולוגיית הליתיום-יון באותה תקופה הייתה המובילה בהתקרבות לטכנולוגיית ייצור תעשייתי (בעיקר טכנולוגיית LFP).

לאחר מכן, בואו נסתכל על המגמות בארצות הברית, או ליתר דיוק, נשקול את הגרסה האחרונה של המסמך:

התייחסות: ABBM הם מערכי אנרגיה עבור ספקי כוח אל פסק, המשמשים בתעשיית החשמל עבור:

• שמירת חשמל לצרכנים חשובים במיוחד במקרה של הפסקות באספקת החשמל לצרכים עצמיים (SN) 0,4 קילוואט בתחנת משנה (PS).
• ככונן "חיץ" למקורות חלופיים.
• פיצוי על מחסור בחשמל בזמן צריכת שיא להקלה על מתקני ייצור והולכה של חשמל.
• צבירת אנרגיה במהלך היום כאשר עלותה נמוכה (שעת לילה).

ניתן ללחוץ

כפי שאנו יכולים לראות, טכנולוגיות Li-Ion, נכון לשנת 2016, החזיקו בעמדה המובילה והראו צמיחה מרובה מהירה הן בהספק (MW) והן באנרגיה (MWh).

באותו מסמך נוכל לקרוא את הדברים הבאים:

"טכנולוגיות ליתיום-יון מייצגות יותר מ-80% מתוספת הכוח והאנרגיה שנוצרו על ידי מערכות ABBM בארצות הברית בסוף 2016. לסוללות ליתיום-יון יש מחזור טעינה יעיל ביותר ומשחררות כוח מצטבר מהר יותר. בנוסף, יש להם צפיפות אנרגיה גבוהה (צפיפות הספק, הערת המחבר) וזרמי פלט גבוהים, מה שהוביל לבחירתם כסוללות עבור אלקטרוניקה ניידת וכלי רכב חשמליים".

בואו ננסה להשוות בין שתי טכנולוגיות סוללת ליתיום-יון עבור UPS

נשווה תאים מנסרים הבנויים על כימיה של LMO ו-LFP. שתי הטכנולוגיות הללו (עם וריאציות כגון LMO-NMC) הן כעת העיצובים התעשייתיים העיקריים עבור כלי רכב חשמליים וכלי רכב חשמליים שונים.

סטיה לירית על סוללות ברכבים חשמליים ניתן לקרוא כאןאתם שואלים, מה הקשר לתחבורה חשמלית? הרשו לי להסביר: ההתפשטות הפעילה של כלי רכב חשמליים באמצעות טכנולוגיות Li-Ion עברה מזמן את שלב האבטיפוס. וכידוע, כל הטכנולוגיות החדישות מגיעות אלינו מתחומי חיים יקרים וחדשים. למשל, הרבה טכנולוגיות רכב הגיעו אלינו מפורמולה 1, הרבה טכנולוגיות חדשות נכנסו לחיינו מתחום החלל, וכן הלאה... לכן, לדעתנו, טכנולוגיות הליתיום-יון חודרות כיום לפתרונות תעשייתיים.

הבה נסתכל בטבלת השוואה בין היצרנים העיקריים, כימיה של מצברים וחברות הרכב עצמן המייצרות באופן אקטיבי כלי רכב חשמליים (היברידיים).

אנו נבחר אך ורק תאים מנסרים המתאימים לגורם הצורה לשימוש ב-UPS. כפי שאתה יכול לראות, ליתיום טיטנאט (LTO-NMC) הוא אאוטסיידר במונחים של אנרגיה מאוחסנת ספציפית. נותרו שלושה יצרנים של תאים מנסרים המתאימים לשימוש בפתרונות תעשייתיים, במיוחד סוללות UPS.

אצטט ואתרגם מהמסמך "הערכת מחזור חיים של אלקטרודת ליתיום ארוכת חיים עבור סוללות רכב חשמלי- תא עבור אוטובוסים של LEAF, טסלה ו-VOLVO" (מקורי "הערכת מחזור חיים של אלקטרודת ליתיום ארוכת חיים עבור סוללות רכב חשמלי- תא עבור LEAF אוטובוס , טסלה ווולוו" מיום 11 בדצמבר 2017 מאת מאט זקריסון. הוא בוחן בעיקר את התהליכים הכימיים במצברי רכב, השפעת רעידות ותנאי הפעלה אקלימיים ופגיעה בסביבה. עם זאת, יש משפט אחד מעניין לגבי ההשוואה של שתי טכנולוגיות סוללת ליתיום-יון.

בתרגום החופשי שלי זה נראה כך:

טכנולוגיית NMC מציגה השפעה סביבתית נמוכה יותר לקילומטר רכב מאשר טכנולוגיית LFP עם תא סוללת אנודה ממתכת, אך קשה לצמצם או לבטל שגיאות. הרעיון המרכזי הוא זה: צפיפות האנרגיה הגבוהה יותר של ה-NMC מביאה למשקל נמוך יותר ובכך לצריכת חשמל נמוכה יותר.

1) טכנולוגיית LMO תא פריסמטי, יצרן CPEC, ארה"ב, עלות 400 דולר.

הופעת תא LMO

2) טכנולוגיית LFP תא פריסמטי, יצרן AA Portable Power Corp, עלות 160 דולר.

הופעה של תא LFP

3) לשם השוואה, בואו נוסיף סוללת גיבוי למטוס הבנויה על טכנולוגיית LFP ואת אותה אחת שהשתתפה בשערורייה הסנסציונית שריפת בואינג ב-2013, יצרן True Blue Power.

מראה סוללת TB44

4) למען אובייקטיביות, בואו נוסיף סוללת UPS רגילה עופרת-חומצה /Portalac/PXL12090, 12V.
מראה של סוללת UPS קלאסית

בואו נכניס את נתוני המקור לטבלה.

ניתן ללחוץ

כפי שאנו יכולים לראות, אכן, לתאי LMO יש את היעילות האנרגטית הגבוהה ביותר; עופרת קלאסית חסכונית באנרגיה לפחות פי שניים.

ברור לכולם שמערכת BMS למערך סוללות Li-Ion תוסיף משקל לפתרון הזה, כלומר תפחית את האנרגיה הספציפית בכ-20 אחוז (ההבדל בין המשקל הנקי של הסוללות לפתרון המלא תוך התחשבות במערכות BMS, מעטפת המודול, בקר ארון הסוללה). ההנחה היא שהמסה של המגשרים, מתג הסוללה וארון הסוללות שווה באופן מותנה עבור סוללות ליתיום-יון ומערך הסוללות של סוללות עופרת-חומצה.

כעת ננסה להשוות את הפרמטרים המחושבים. במקרה זה, נקבל את עומק הפריקה עבור עופרת כ-70%, ועבור Li-Ion כ-90%.

ניתן ללחוץ

שימו לב שהאנרגיה הספציפית הנמוכה לסוללת מטוס נובעת מהעובדה שהסוללה עצמה (שיכולה להיחשב כמודול) סגורה במארז מתכת חסין אש, בעלת מחברים ומערכת חימום לפעולה בתנאי טמפרטורה נמוכה. לשם השוואה, ניתן חישוב עבור תא אחד בסוללת TB44, ממנו ניתן להסיק שהמאפיינים דומים לתא LFP רגיל. כמו כן, סוללת המטוס מיועדת לזרמי טעינה/פריקה גבוהים, הקשורים בצורך בהכנה מהירה של המטוס לטיסה חדשה על הקרקע וזרם פריקה גדול במקרה חירום על הסיפון, למשל, אובדן כוח על הסיפון
אגב, כך משווה היצרן עצמו בעצמו סוגים שונים של סוללות למטוסים

כפי שאנו רואים מהטבלאות:

1) הספק של ארון הסוללות במקרה של טכנולוגיית LMO גבוה יותר.
2) מספר מחזורי הסוללה עבור LFP גבוה יותר.
3) המשקל הסגולי עבור LFP נמוך יותר; בהתאם, עם אותה קיבולת, ארון הסוללות המבוסס על טכנולוגיית ברזל-ליתיום פוספט גדול יותר.
4) טכנולוגיית LFP פחות נוטה לברוח תרמית, וזאת בשל המבנה הכימי שלה. כתוצאה מכך, הוא נחשב בטוח יחסית.

למי שרוצה להבין בבירור כיצד ניתן לשלב סוללות ליתיום-יון למערך סוללות כדי לעבוד עם UPS, אני ממליץ להסתכל כאן.לדוגמה, דיאגרמה זו. במקרה זה, המשקל הנקי של הסוללות יהיה 340 ק"ג, הקיבולת תהיה 100 אמפר-שעה.

ניתן ללחוץ

או מעגל עבור LFP 160S2P, שבו המסה הנקית של הסוללות תהיה 512 ק"ג והקיבולת תהיה 200 אמפר-שעה.

ניתן ללחוץ

מסקנה: למרות העובדה שסוללות בעלות הכימיה של ברזל-ליתיום פוספט (LiFeO4, LFP) משמשות בעיקר בכלי רכב חשמליים, למאפיינים יש מספר יתרונות על פני הנוסחה הכימית של LMO, הן מאפשרות טעינה בזרם גבוה יותר, והן פחות רגישות. לסיכון של בריחה תרמית. איזה סוג סוללות לבחור נשאר לשיקול דעתו של ספק הפתרון המשולב המוכן, שקובע זאת על פי מספר קריטריונים, ולא פחות מכולם היא עלות מערך הסוללות כחלק מה-UPS. נכון לעכשיו, כל סוג של סוללות ליתיום-יון עדיין נחות בעלות הפתרונות הקלאסיים, אך ההספק הספציפי הגבוה של סוללות ליתיום ליחידת מסה וממדים קטנים יותר יקבע יותר ויותר את הבחירה בהתקני אחסון אנרגיה חדשים. במקרים מסוימים, המשקל הגולמי הנמוך יותר של ה-UPS קובע את הבחירה בטכנולוגיות חדשות. תהליך זה יתבצע ללא תשומת לב לחלוטין, וכיום מעכב על ידי העלות הגבוהה בגזרת המחיר הנמוך (פתרונות ביתיים) ואינרציית החשיבה לגבי בטיחות האש של ליתיום בקרב לקוחות המחפשים את אפשרויות ה-UPS הטובות ביותר ב-UPS התעשייתי. מקטע עם קיבולת של יותר מ-100 קילוואט. ניתן ליישם את רמת הסגמנט האמצעי של הספק UPS מ-3 kVA עד 100 kVA באמצעות טכנולוגיות ליתיום-יון, אך בשל ייצור בקנה מידה קטן, היא די יקרה ונחותה מדגמי UPS טוריים מוכנים המשתמשים בסוללות VRLA.

תוכל לברר פרטים נוספים ולדון בפתרון ספציפי באמצעות סוללות ליתיום-יון עבור חדר השרתים או מרכז הנתונים שלך על ידי שליחת בקשה בדוא"ל [מוגן בדוא"ל], או באמצעות פנייה באתר החברה www.ot.ru.

טכנולוגיות פתוחות - פתרונות מקיפים אמינים ממנהיגים בעולם, המותאמים במיוחד למטרות וליעדים שלך.

מחבר: קוליקוב אולג
מהנדס עיצוב מוביל
מחלקת פתרונות אינטגרציה
חברת טכנולוגיות פתוחות

מקור: www.habr.com