リチウムイオン UPS: LMO と LFP のどちらの種類のバッテリーを選択しますか?

今日、ほとんどの人がポケットに携帯電話 (スマートフォン、カメラ付き携帯電話、タブレット) を入れており、パフォーマンスの点では、数年間更新していない自宅のデスクトップよりも優れたパフォーマンスを発揮できます。 あなたが持っているすべてのガジェットには、リチウムポリマー電池が搭載されています。 ここで問題は、「ダイヤラー」から多機能デバイスへの取り返しのつかない移行がいつ行われたかを正確に覚えている読者は誰でしょうか?

難しいです...最初に「スマートフォン」を購入した年を思い出してください。 私の場合は2008年から2010年頃です。 当時、一般的な電話機のリチウム電池の容量は約 700 mAh でしたが、現在では携帯電話の電池容量は 4 mAh に達しています。

大まかに言ってバッテリーのサイズは6倍しか増えていないにもかかわらず、容量は2倍に増加しています。

私たちのような 私たちの記事ですでに説明しましたUPS 用のリチウムイオン ソリューションは急速に市場を征服しており、否定できない利点が数多くあり、 非常に安全に使用できます (特にサーバールーム)。

皆さん、今日はリン酸鉄リチウム (LFP) 電池とリチウムマンガン (LMO) 電池に基づくソリューションを理解して比較し、それぞれの長所と短所を研究し、いくつかの特定の指標に従って相互に比較してみます。 どちらのタイプの電池もリチウムイオン電池とリチウムポリマー電池に属しますが、化学組成が異なることに注意してください。 続きが気になる方は猫の下でどうぞ。

エネルギー貯蔵におけるリチウム技術の展望

2017 年のロシア連邦の現状は以下のとおりであった。

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出典:「ロシア連邦における蓄電システム開発のコンセプト」、ロシア連邦エネルギー省、21 年 2017 月 XNUMX 日。

このように、当時のリチウムイオン技術は工業生産技術（主にLFP技術）へのアプローチにおいて先行していた。

次に、米国の傾向を見てみましょう。より正確には、最新版の文書について考えてみましょう。

参考: ABBM は、電力業界で次の用途に使用される無停電電源装置のエネルギー アレイです。

• 変電所 (PS) の自己需要電源 (SN) 0,4 kV が停電した場合に、特に重要な消費者のために電力を予約します。
• 代替ソースの「バッファ」ドライブとして。
• ピーク消費時の電力不足を補い、発電・送電設備を救済します。
• エネルギーのコストが安い日中（夜間）にエネルギーを蓄積します。

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ご覧のとおり、2016 年の時点でリチウムイオン技術は主導的な地位を堅持し、電力 (MW) とエネルギー (MWh) の両方で急速な複数の成長を示しました。

同じ文書には次のような記述があります。

「80年末時点で、米国のABBMシステムによって生成される追加電力とエネルギーの2016%以上がリチウムイオン技術で占められています。 リチウムイオン電池は充電サイクルが非常に効率的で、蓄積された電力をより速く放出します。 さらに、エネルギー密度（電力密度、著者注）が高く、出力電流が高いため、ポータブル電子機器や電気自動車用のバッテリーとして選ばれています。」

UPS用のXNUMXつのリチウムイオン電池技術を比較してみます

LMO と LFP の化学に基づいて構築された角形セルを比較します。 現在、さまざまな電気自動車や電気自動車の主要な工業デザインとなっているのは、これら XNUMX つの技術 (LMO-NMC などのバリエーションあり) です。

電気自動車のバッテリーに関する叙情的な余談はここで読むことができますあなたは、電気輸送がそれにどのような関係があるのか​​と尋ねますか? 説明させていただきますと、リチウムイオン技術を用いた電気自動車の積極的な普及は、プロトタイプの段階をはるかに超えています。 そしてご存知のとおり、最新のテクノロジーはすべて、高価で生活の新しい分野からもたらされています。 たとえば、多くの自動車技術はフォーミュラ 1 から私たちにもたらされ、多くの新技術は宇宙分野から私たちの生活にもたらされました。したがって、私たちの意見では、リチウムイオン技術は現在、産業ソリューションに浸透しつつあります。

主要メーカー、バッテリー化学、および電気自動車（ハイブリッド）を積極的に生産している自動車会社自体の比較表を見てみましょう。

UPS で使用するフォームファクターに適合する角形セルのみを選択します。 ご覧のとおり、チタン酸リチウム (LTO-NMC) は、特定の貯蔵エネルギーの点で部外者です。 産業用ソリューション、特に UPS バッテリーでの使用に適した角形電池のメーカーは XNUMX 社残っています。

文献「電気自動車用バッテリーの長寿命リチウム電極のライフサイクル評価 - LEAF、Tesla、VOLVO バス用セル」（原文「電気自動車用バッテリー用長寿命リチウム電極のライフサイクル評価 - リーフ用セル」）より引用、翻訳します。 、テスラとボルボのバス」（11 年 2017 月 XNUMX 日付、マッツ・ザクリッソン著）。主に車両バッテリー内の化学プロセス、振動や気候による動作条件の影響、環境への害について調査しています。ただし、この比較に関して興味深いフレーズが XNUMX つあります。 XNUMX つのリチウムイオン電池技術を組み合わせたものです。

私の意訳では次のようになります。

NMC テクノロジーは、金属アノード バッテリー セルを使用する LFP テクノロジーよりも車両キロメートルあたりの環境への影響が低いことが示されていますが、エラーを軽減または排除することは困難です。 主なアイデアは次のとおりです。NMC のエネルギー密度が高いほど重量が軽くなり、消費電力も低くなります。

1) 角形細胞LMO技術、メーカー CPEC、米国、400ドルかかります。

LMO細胞の外観

2) 角形セルLFP技術、メーカー AAポータブル電源株式会社、160ドルかかります。

LFP細胞の外観

3) 比較のために、LFP テクノロジーに基づいて構築された航空機のバックアップ バッテリーと、センセーショナルなスキャンダルに関与したものと同じバッテリーを追加してみましょう。 2013 年のボーイング社火災、メーカーTrue Blue Power。

TB44バッテリーの外観

4) 客観性を高めるために、標準の UPS バッテリーを追加しましょう 鉛酸/ポータラック/PXL12090、12V。
古典的な UPS バッテリーの外観

ソースデータをテーブルに入れてみましょう。

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ご覧のとおり、実際、LMO 細胞はエネルギー効率が最も高く、古典的な鉛はエネルギー効率が少なくとも XNUMX 倍です。

リチウムイオン電池アレイ用の BMS システムにより、このソリューションの重量が増加することは誰の目にも明らかです。つまり、比エネルギーが約 20 パーセント減少します (電池の正味重量と完全なソリューションの差)。 BMS システム、モジュール シェル、バッテリー キャビネット コントローラーを考慮して)。 ジャンパー、バッテリー スイッチ、およびバッテリー キャビネットの質量は、リチウム イオン バッテリーと鉛蓄電池のバッテリー アレイで条件付きで等しいと想定されます。

次に、計算されたパラメータを比較してみましょう。 この場合、鉛の放電深度は 70%、リチウムイオンの放電深度は 90% として受け入れられます。

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航空機用バッテリーの比エネルギーが低いのは、バッテリー自体 (モジュールと考えることができます) が金属製の耐火ケースに密閉されており、低温条件で動作するためのコネクターと加熱システムが備わっているためであることに注意してください。 比較のために、TB44 バッテリーの XNUMX つのセルについて計算を行っています。そこから、特性は従来の LFP セルと同様であると結論付けることができます。 さらに、航空機のバッテリーは高充放電電流向けに設計されており、これは地上での新たな飛行に向けて迅速に航空機を準備する必要性と、機内で緊急事態が発生した場合に大規模な放電電流を準備する必要に関連しています。オンボード電源の喪失
ちなみに、これはメーカー自身がさまざまな種類の航空機用バッテリーを比較する方法です

表からわかるように:

1) LMO 技術の場合、バッテリーキャビネットの出力が高くなります。
2) LFP のバッテリーサイクル数はより多くなります。
3) LFP は比重が小さいため、同じ容量であれば、リン酸鉄リチウム技術に基づく電池キャビネットが大きくなります。
4) LFP テクノロジーは、その化学構造により熱暴走が起こりにくくなっています。 そのため、比較的安全であると考えられています。

リチウムイオン電池をバッテリーアレイに組み合わせて UPS で動作させる方法を明確に理解したい方は、ここを参照することをお勧めします。たとえば、この図。 この場合、バッテリーの正味重量は 340 kg、容量は 100 アンペアアワーになります。

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または、LFP 160S2P の回路では、バッテリーの正味質量は 512 kg、容量は 200 アンペア時になります。

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結論： リン酸鉄リチウム (LiFeO4、LFP) の化学的性質を持つバッテリーは主に電気自動車で使用されているという事実にもかかわらず、その特性には LMO の化学式に比べて多くの利点があり、より高い電流での充電が可能であり、影響を受けにくいです。熱暴走の危険があります。 どのタイプのバッテリーを選択するかは、既製の統合ソリューションのサプライヤーの裁量に任されており、サプライヤーはさまざまな基準に従って決定しますが、とりわけ UPS の一部としてのバッテリーアレイのコストが重要です。 現時点では、どのタイプのリチウムイオン電池も従来のソリューションよりもコストの面でまだ劣っていますが、リチウム電池の単位質量あたりの比出力が高く、寸法が小さいため、新しいエネルギー貯蔵デバイスの選択がますます決定されるでしょう。 場合によっては、UPS の総重量が軽いことが、新しいテクノロジーの選択を決定します。 このプロセスはまったく気づかれずに行われますが、現在、低価格セグメント (家庭用ソリューション) の高コストと、産業用 UPS で最適な UPS オプションを探している顧客の間でのリチウムの火災安全性に関する考え方の慣性によって妨げられています。容量が 100 kVA を超えるセグメント。 3 kVA ～ 100 kVA の中間セグメント レベルの UPS 電力は、リチウムイオン技術を使用して実装できますが、小規模生産のため非常に高価であり、VRLA バッテリを使用する既製のシリアル UPS モデルよりも劣ります。

電子メールでリクエストを送信することで、サーバー ルームまたはデータ センターにリチウムイオン電池を使用した具体的なソリューションについて詳細を確認し、話し合うことができます。 [メール保護]、または会社の Web サイトからリクエストすることにより、 www.ot.ru.

オープンテクノロジー – 世界のリーダーによる信頼性の高い包括的なソリューション。お客様の目標や目的に合わせてカスタマイズできます。

著者： クリコフ・オレグ
一流の設計エンジニア
インテグレーションソリューション部
オープンテクノロジー社

出所： habr.com