Применение литий-железо-фосфатных батарей с ИБП

Призматические литий-ионные аккумуляторные батареи большей энергоемкости, применяющие в качестве катодного материала литий-железо-фосфат (далее – ЛИА), были созданы для таких отраслей и сфер:

• для систем накопления энергии;
• для электротранспорта;

Данные применения обусловлены следующими преимуществами ЛИА:

• Высокое значение плотности запасаемой энергии (в 4 – 9 раз выше по сравнению со свинцово-кислотными аккумуляторами, далее – СКА);
• Большое количество циклов заряда/разряда (в 5 – 10 раз выше, чем у СКА); Проведенный анализ показал, что ЛИА также можно использовать:

• В источниках бесперебойного питания (включая on-line ИБП);
• В системах оперативного постоянного тока (СОПТ).

Традиционно в СОПТ используются малообслуживаемые свинцово-кислотные аккумуляторные батареи открытого типа. Как показал анализ, использование ЛИА в составе аккумуляторной батареи СОПТ имеет ряд преимуществ. Ниже приводится сравнение призматических литий-железо-фосфатных аккумуляторов, используемых в литий – ионных аккумуляторных батареях (ЛИАБ) AGARA ENERGY, с различными типами классических свинцово-кислотных аккумуляторов, применяющихся в системах оперативного постоянного тока.

Тип электрохимической реакции

В процессе работы литий-ионного и свинцово-кислотного аккумулятора происходят различные электро-химические взаимодействия, которые разняться, как по своей структуре, в формате принципа действия механизма, так и по скорости протекания.

Принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов основан на электрохимических реакциях свинца и диоксида свинца в водном растворе серной кислоты. При этом химическая реакция происходит на границе электрод – электролит. Скорость ее протекания определяет скорость разряда СКА. Реакции, протекающие при заряде и разряде свинцово­кислотного аккумулятора, могут быть записаны в следующем общем виде:

К_ат0Д: Pb + SO²– – ■>,- —> PbSO_t

Анод: ^2 + SO²– + 4Я⁺ + 2е^_ > PbSOi + 2Н₂О

Здесь направление слева направо соответствует реакции разряда, справа налево – реакции заряда. При ускоренном и выравнивающем заряде из электролита могут выделяться газообразные водород и кислород. Это – нежелательное явление, из-за которого помещениям, в которых эксплуатируются СК АКБ предъявляются особые требования по пожаро- и взрывозащищенности.

ЛИА представляют собой электрохимическую систему, в которой в качестве катодного материала используется литий-железо-фосфат, в качестве анода используется углерод. В качестве электролита используется соль лития LiPF6, растворенная в органическом растворителе. Различие в химическом потенциале лития внутри каждой матрицы создает напряжение элемента. Реакции, протекающие при заряде и разряде литий- железо-фосфатного аккумулятора, могут быть записаны в следующем общем виде:

Катод: Li_xFePO4 – xLi – xe > FePO4

Анод: 6C+xLi +xe > Li_xC6

Здесь направление слева направо соответствует реакции заряда, справа налево – реакции разряда. В процессе зарядки аккумулятора катионы лития, которые обладают наивысшим отрицательным потенциалом по сравнению с любыми другими металлами (­3,045 В относительно стандартного водородного электрода) и наименьшим размером иона, перемещаются и эффективно обратимо интеркалируют в материал анода. Важно отметить, что на границе электрод – электролит химическая реакция не происходит. На рисунке 1а и 1б поясняются процессы, которые происходят во время заряда и разряда.

 

Рис. 1б Разряд литий-ионного аккумулятора на основе LiFePO4

 

Безопасность и экологичность

Литий-ионные аккумуляторы, эксплуатирующиеся в нормальном режиме, не содержат химически чистый литий. Это определяет возможность их безопасной эксплуатации. Испытания литий-железо-фосфатных аккумуляторов показали их высокую надежность и безопасность. Благодаря ограниченной проводимости катодного материала эти аккумуляторы не взрываются при внутреннем коротком замыкании, даже будучи насквозь пробиты гвоздем через все электроды. Испытания также показали устойчивость этих аккумуляторов к длительному внешнему металлическому короткому замыканию (до полного разряда аккумулятора). Согласно классификации ГОСТ 12.1.044-89, ЛИА относятся к изделиям горючим трудновоспламеняемым, то есть имеют лучший класс пожаробезопасности по сравнению с СКА (у которых используются корпуса из горючего материала).

В процессе изготовления ЛИА используются только экологически чистые материалы (в отличие от свинцово-кислотных аккумуляторов, которые содержат токсичные материалы, в том числе свинец). ЛИА относятся к четвертому классу отходов (малоопасные или твердые бытовые отходы) и не требуют специальных методов утилизации, в отличие от СКА, которые относятся ко второму классу отходов (высокоопасные), и предъявляющие специальные требования к утилизации.

Размещение

В процессе работы литий-ионных аккумуляторных батарей не выделяются вредные и опасные вещества. Поскольку ЛИА герметичны, и в процессе их эксплуатации не выделяется газов, батареи могут размещаться в обычных шкафах промышленного исполнения и располагаться в электротехнических помещениях общего назначения в непосредственной близости от остального оборудования. На рисунке 2 представлены различные варианты размещение аккумуляторной батареи. а) в шкафах, б) – в стойке.

Недостатком свинцово-кислотных аккумуляторных батарей (СК АКБ) является то, что в процессе их работы в некоторых режимах выделяется водород. В связи с этим, согласно требования ПУЭ, СК АКБ необходимо размещать в специализированных аккумуляторных помещениях класса В-Ia. Это требует создания сложной инженерной инфраструктуры, включающей сооружение тамбура и кислотной, установку отдельной от общей системы приточно-вытяжной механической системы вентиляций во взрывозащищенном исполнении, установку взрывозащищенных светильников и т.д. Все это требует существенных дополнительных затрат при сооружении подстанций. Кроме того, при проектировании помещений энергообъекта предусматривается, что у аккумуляторного помещения должна быть как минимум одна внешняя стена здания, сооружаемая из легко разрушаемых материалов. Это правило не всегда удобно соблюдать при строительстве большого объекта и, как правило, ведет к удорожанию кабельных трасс.

Пример размещения СК АКБ представлен на рисунке 3а.

Площадь аккумуляторных помещений достигает 100м2 и более. Учитывая то, что на крупных энергообъектах может использоваться несколько батарей, стоимость владения СК АКБ и инфраструктуры для их использования является высокой по сравнению со стоимостью самого оборудования. На рис. 3б показан пример расположения ЛИАБ в шкафном исполнении в масштабе действующего аккумулятор6ного помещения для СК АКБ.

Условия эксплуатации

ЛИА способны работать в широком интервале температур – от минус 40 до плюс 50 °С. Рекомендуемая температура на клеммах аккумулятора при эксплуатации составляет от 0 до плюс 30 °С при заряде, и от минус 20 до плюс 30 °С при разряде. Оптимальная температура для эксплуатации аккумулятора плюс (20±5) °С. Более высокие температуры могут привести к снижению срока службы аккумулятора. Более низкие температуры не сокращают срок службы, но уменьшают емкость. Необходимо избегать длительной эксплуатации аккумуляторов при температурах выше плюс 40 °С. На рисунке 4 представлен график зависимость снимаемого с ЛИА заряда в зависимости от температуры окружающей среды.

Рис. 4 Зависимость отдаваемого заряда от температуры

Значение максимально допустимого длительного тока разряда составляет 3С.

Допустим кратковременный ток 5 – 8С в течение 1-8 секунд. Проведенные испытания на устойчивость аккумуляторов к токам КЗ, показали что они выдерживают токи на уровне 16 – 20С в течение 3 – 4 минут.

Рекомендуемый режим заряда аккумуляторов – двухступенчатый с профилем IU. Рекомендуемый ток заряда – 0,2С.

Для увеличения срока службы не рекомендуется заряжать аккумулятор выше 90% и разряжать его ниже 10% от его емкости.

В отличие от ЛИА для СКА максимально допустимые токи (то есть токи, определяемые термической стойкостью материала аккумулятора) не приводятся. В лучшем случае приводятся токи КЗ. Учитывая то, что корпуса СКА выполнены из горючих материалов, это может приводить к возгоранию в случае длительного протекания токов перегрузки (что и было зафиксировано в ряде случаев).

Работа в составе батареи

При работе аккумуляторов в составе батареи необходимо использовать аккумуляторы с минимальным разбросом по внутреннему сопротивлению и емкости. Кроме того, необходимо использовать систему управления и контроля (BMS – battery management system).

BMS должна обеспечивать следующие функции:

• Обеспечение эксплуатации ЛИА в оптимальном режиме;
• Контроль тока АБ;
• Поэлементный контроль температуры;
• Поэлементный контроль напряжения;
• Балансировка отдельных элементов по заданным алгоритмам (пассивный или активный метод балансировки);
• Выдача предупредительного сигнала при приближении параметров батареи к предельно допустимым границам;
• Отключение аккумуляторной батареи при переходе параметров батареи за предельно­допустимые пределы;

Надежность

Важнейшим требованием, предъявляемым к оборудованию СОПТ, является надежность. Поскольку в состав ЛИАБ входит дополнительная сложная система (BMS), формально, СК АКБ более надежна, так как в ее состав такая система не входит. Тем не менее, как показали испытания на устойчивость ЛИАБ к различным авариям, при правильно подобранных режимах подзаряда, заряда и разряда батареи, в случае возникновении аварии BMS (отключение контроллера BMS, нарушение целостности цепей передачи данных) батарея продолжает функционировать без BMS. Потери электроснабжения критически важных потребителей не происходит. Если батарея не разряжается ниже 10% и не заряжаться выше 90% (что достигается регулировкой уровня напряжений ЗВУ), BMS исполняет только функции мониторинга, но не управления. Функции управления BMS в этом случае необходимо использовать только при проведении специальных процедур (подключение нескольких цепочек, балансировка отдельного аккумулятора при его замене и т.п.).

С другой стороны, наличие BMS позволяет сравнительно просто в составе одной батареи соединять несколько цепочек аккумуляторов параллельно. Это позволяет повысить живучесть системы:

• • при проведении контрольного разряда достаточно выводить из эксплуатации не всю батарею, а только одну цепочку. При этом в случае возникновения аварийной ситуации основная часть батареи окажется заряженной;

• при замене вышедшего из строя аккумулятора основная часть батареи из эксплуатации не выводится; Очевидно, что это повышает надежность системы.

Кроме того, важно учесть, что СК АКБ, согласно требованиям ПУЭ, после окончания аварийного режима заряжается до 90% от номинальной ёмкости в течение 8 часов. На практике это означает, что в случае, если аварийный режим возникнет повторно в течение не

 

более 8 часов после окончания первого аварийного режима, аккумуляторная батарея будет в этот момент не полностью заряжена со всеми вытекающими отсюда негативными последствиями. ЛИА позволяют заряжать себя зарядными токами до 3С, что существенно сокращает время, когда батарея не полностью заряжена. Реально скорость заряда ограничена мощностью зарядного устройства.

Таким образом, можно предположить, что ЛИАБ как минимум обладают не меньшей степенью надежности по сравнению с СК АКБ.

Условия эксплуатации в составе СОПТ

Для обеспечения максимально длительного срока службы ЛИАБ:

Необходимо:

• заряд отдельных аккумуляторов производить от специального зарядного устройства в режиме постоянного тока (номинальный ток заряда 1н=0,2Сн).
• при заряде ЛИАБ примерно до 80 – 85% SOC перейти в режим поддерживающего заряда, при котором батарея заряжаться не будет, а будет лишь происходить компенсация тока саморазряда;
• не содержать аккумуляторы заряженными выше 90%;
• не разряжать аккумуляторы ниже

10%. Рекомендуется:

• после перехода в режим поддерживающего заряда провести балансировку отдельных аккумуляторов для выравнивания их степени заряда;
• использовать зарядное устройство, обеспечивающее минимальный уровень пульсации напряжения и тока;

Ресурс

Аккумуляторы рассчитаны на длительную работу в режиме циклирования. Ресурс аккумуляторов представлен в таблице 1.

Таблица 1 – Ресурс выпускаемых заводом аккумуляторов

Режим разряда	Глубина разряда, %	Количество циклов
1	70 (в интервале уровня заряда 15-85%)	5000
2	80 (в интервале уровня заряда 10-90%)	3000
3	100	Не регламентируется, ориентировочно 1000

 

При глубине разряда 5-25% срок службы составляет 15-25 лет при хранении и эксплуатации в нормальных условиях.

Зависимость напряжения на аккумуляторе от степени заряда/разряда

Напряжение на ЛИА определяется напряжением разомкнутой цепи, поляризационным потенциалом и омическими потерями на внутреннем сопротивлении аккумулятора при протекании через него электрического тока. Напряжение разомкнутой цепи определяется разностью электрохимических потенциалов катода и анода в равновесном состоянии, каждый из которых определяется уравнением Нернста:

Ex = F°x4~-lg(Li+)

Видно, что этот потенциал литированного электрода логарифмически зависит от степени концентрации ионов лития. Можно показать, что при изменении концентрации в 10 раз электродный потенциал Е_х при комнатной температуре меняется примерно на 59 мВ. Типичное значение Ex; при нормальных условиях составляет 3,32 – 3, 34 В.

Внутреннее сопротивление аккумулятора определяется переходным сопротивлением борн – электрод, материалом электродов, сопротивлением электролита. Типичное значение внутреннего сопротивления элемента номинальной емкостью 300 Ач, измеренное на частоте 1кГц, составляет 0,1 – 0,2 мОм на аккумулятор. На постоянном токе (измеренном методом 17 по ГОСТ Р МЭК 896-1-95), сопротивление выше и составляет примерно 0,3 – 0,5 мОм. При токе заряда 100А этому значению внутреннего сопротивления соответствует падение напряжения 30 – 50 мВ. Измерения показали, что и на переменном и на постоянном токе внутреннее сопротивление практически не зависит от степени заряда или разряда батареи в диапазоне от 10 до 90%.

Таким образом, для литий-ионного аккумулятора, использующего в качестве катодного материала литий-железо-фосфат, характерна сравнительно слабая зависимость напряжения на аккумуляторе от степени его заряда. На рисунке 5а показана типичная зависимость напряжения на аккумуляторе от степени заряда для аккумулятора 300 Ач при заряде разными токами, на рисунке 5б – при разряде током 0,2С.

Зависимость напряжения на аккумуляторе от степени его SOC (DOD)

Рис 5а – при заряде токами 0.2С; 0,5С; 1С Рис 5б – при разряде током 0,2С

Нелинейный вид кривой роста напряжения в начале цикла заряда обусловлен быстрым изменением концентрации ионов лития в приэлектродной области. Нелинейный вид кривой роста напряжения в конце цикла заряда обусловлен тем, что электрохимическая система становится неспособной доставлять необходимое количество ионов лития для поддержания требуемой интенсивности химической реакции (силы тока) на постоянном уровне. При этом происходит переход к другому типу химической реакции, сопровождающийся ростом поляризационного потенциала. В случае дальнейшего увеличения напряжения возможно образование металлического лития и необратимое разложение электролита, что ведет к выходу аккумулятора из строя. Поэтому напряжение заряда литий-железо-фосфатного аккумулятора должно быть ограничено на уровне 3,65 В.

Диапазон изменения напряжения СОПТ

В различных режимах работы аккумуляторной батареи напряжение СОПТ может существенно меняться, поскольку меняется среднее напряжение на отдельном аккумуляторе. Так, при эксплуатации СК АКБ, среднее напряжение на аккумуляторе может меняться от 2,33 В (в режиме ускоренного заряда) до 1,8 В (в конце разряда током 0,5С). Диапазон изменения напряжения составляет примерно 26,5% относительно номинального напряжения. В связи с этим в некоторых схемах СОПТ для объектов генерации предусматривается использование дополнительных стабилизаторов напряжения.

Диапазон изменения напряжения СОПТ при эксплуатации ЛИА существенно уже. Поскольку для обеспечения максимального ресурса батареи рекомендуется эксплуатировать ее в диапазоне степени заряда 10% – 90% (что соответствует пологой части разрядных кривых) диапазон изменения напряжения на аккумуляторе (соответственно и в СОПТ) существенно уже – 3,0 – 3,4В, то есть 12,5% относительно номинального напряжения. Сравнение диапазонов изменения напряжения СОПТ при использовании разных типов аккумуляторов представлено на рис. 6.

Рис. 6 Диапазоны изменения напряжения СОПТ при различных режимах работы аккумуляторной батареи.

Разрядные характеристики

Номинальная емкость свинцово-кислотного аккумулятора, как правило, определяется для тока разряда в течение десяти часов (0,1С). При разряде аккумулятора большим разрядным током его емкость падает. В данном случае речь идет об эффективной емкости при определенной величине тока разряда. Падение значения эффективной емкости определяется тем, что при увеличении разрядного тока возрастают потери энергии на ее внутреннем сопротивлении (потери энергии нелинейно зависят от тока разряда), а также начинают сказываться ограничения, связанные с конечностью скорости протекания химической реакции.

С этой точки зрения литий-ионные аккумуляторы имеют важное преимущество по сравнению со свинцово-кислотными аккумуляторами. Скорость протекания электрохимической реакции в них определяется только скоростью диффузии ионов лития из материала катода в электролит, химических преобразований на границе электрод-электролит не происходит (в отличие от свинцово-кислотных аккумуляторов, у которых происходит
химическая реакция преобразования вещества на границе катод-электролит). В связи с этим эффективность использования литий-ионных аккумуляторов по сравнению со свинцово­кислотными резко возрастает при переходе к разрядам на малых временах (1 час и менее). Эффективная емкость ЛИА становится существенно выше по сравнению с эффективной емкостью свинцово-кислотных аккумуляторных батарей той же номинальной емкости. На рисунке 6а показана зависимость отдаваемого тока от времени разряда для батарей различного типа примерно одинакового номинала. На рис. 6б представлена зависимость эффективной емкости от разрядного тока.

Видно, что если использовать литий-ионную аккумуляторную батарею при токах 0,5 часов, то при прочих равных условиях можно использовать ЛИАБ номиналом меньшим примерно в 1,5 – 2 раза по сравнению с СК АКБ.

Примечание – На графике представлены данные для разряда ЛИА не ниже 2,8В.

Коэффициент заряда и эффективность заряда. КПД аккумулятора.

Коэффициент заряда Kch определяется как отношение величины заряда, который необходимо сообщить батарее, для достижения исходного заряженного состояния, к емкости заряда. Коэффициент заряда всегда больше единицы. Величина, обратная коэффициенту заряда, называется эффективностью заряда:

т] = 1/Kch

Здесь п – эффективность заряда.

Для СКА п ~ 0,96 – 0,97 при номинальных токах заряда 0,1С. Измеренная эффективность заряда для ЛИА при тех же значениях тока составляет 0,996 – 0,998, то есть значительно выше. Данный параметр определяет КПД аккумулятора при его работе в режиме циклирования.

Удобство обслуживания

Наличие системы управления позволяет осуществлять функцию непрерывного мониторинга состояния ЛИА, в том числе, удаленного (через WEB-интерфейс).

Подавление помех за счет шунтирующего эффекта аккумуляторной батареи

Широкое внедрение микропроцессорной техники при построении систем РЗиА в последние годы предъявили повышенные требования к помехозащищённости сети постоянного тока. С точки зрения обеспечения электромагнитной совместимости, наиболее опасны перенапряжения сравнительно низкой частоты (до 100кГц), возникающие в сети постоянного тока, гальванически объединяющей чувствительное оборудование и источники помех (например, длинные фидеры питания соленоидов отключения высоковольтных выключателей). Эффективным способом подавления помех является использование «шунтирующего эффекта» аккумуляторной батареи, имеющих на частотах выше 1 кГц низкое внутреннее сопротивление (менее 1 Ом). Как показали расчеты и эксперименты, сделанные для типичных параметров СОПТ, использование шунтирующего эффекта батареи для подавления помех ограничено влиянием индуктивности кабеля, которым батарея соединяется с ЩПТ, и индуктивности, определяемой пространственным расположением аккумуляторной батареи (см. рисунок 8а).

Рис. 8 Зависимость передаточной функции противофазной помехи в СОПТ от частоты:

а) при использовании классической б) при использовании ЛИАБ малообслуживаемой СК АКБ

Видно, что без подключения батареи в сети СОПТ ослабление помехи не происходит, более того, имеет место опасный резонанс напряжения, обусловленный индуктивным и емкостным импедансом длинных фидеров. При подключенной батарее происходит ослабление помехи в диапазоне частот до 100кГц примерно в 3 – 4 раза. Применение компактных ЛИАБ, расположенных непосредственно рядом с ЩПТ (соединенными с ним коротким кабелем), позволяет усилить шунтирующий эффект аккумуляторной батареи дополнительно в 3 – 4 раза в наиболее важном с точки зрения защиты чувствительной аппаратуры диапазоне частот (см. рис.8б).

Сравнение характеристик ЛИАБ и СК АКБ

По сравнению с традиционными свинцово-кислотными аккумуляторами, ЛИА имеют следующие преимущества:

• имеют малые размеры и вес (удельная энергоемкость выше в 4 – 10 раз);
• не требуют для своей эксплуатации специальную инженерную инфраструктуру – могут располагаться в обычных помещениях, при этом занимают существенно меньшую площадь;
• не содержит токсичных веществ – нет проблем при утилизации (относятся к 4 классу отходов – отходы твердые бытовые);
• пожаро- и взрывобезопасны;
• имеют большие максимально допустимые токи разряда;
• имеют высокие разрядные характеристики на малых временах разряда (по сравнению с

СК АКБ их эффективность возрастает примерно в 2 раза при разряде током 2С);

• имеют более высокий КПД в цикле заряд/разряд;
• имеют возможность быстро заряжаться;
• при обслуживании (в том числе для замены отдельного аккумулятора) позволяют выводить из эксплуатации не всю батарею, а только ее часть;
• существующий интерфейс позволяет сравнительно просто реализовать функцию удаленного мониторинга;
• более эффективно подавляют помехи в сети СОПТ;

Сравнительный анализ параметров

Для того чтобы проиллюстрировать вышесказанное, был проведен сравнительный анализ параметров аккумулятора модели 400 Ач с аналогичными свинцово-кислотными аккумуляторами того же номинала – 16 GroE400 и 5 OPzS 400.

Исходные данные для сравнения были выбраны следующие:

1. Номинальная емкость аккумуляторов определялась для десятичасового разряда. Энергетические характеристики вычислялись для времени разряда 0,5/1/2 часа. При этом энергоемкость батареи определялась следующим образом:

^E=^Ip*^Ucp*^tp^;

Здесь Ip – ток разряда батареи;

U_Cp – среднее напряжение батареи при разряде;

tp – время разряда;

2. Сравнивались как параметры отдельных аккумуляторов, так и батареи в целом. Номинальное напряжение батареи было выбрано исходя из данных, представленных производителями. Предполагалось, что количество аккумуляторов в ЛИАБ равно 70 шт., количество аккумуляторов в СК АКБ – 104 шт.
3. Считалось, что ЛИАБ заряжена не выше 85% (в соответствии с рекомендациями по эксплуатации литий-ионной батареи в режиме поддерживающего заряда);
4. Разрядный ток для СК АКБ определялся исходя из разрядных таблиц, представленных производителями. При этом момент окончания разряда определялся для напряжения 1,8В на аккумулятор для разряда в течение 1 и 2 ч, 1,75В – для разряда в течение 0,5ч.
5. Предполагалось, что ЛИАБ размещена в шкафу, СК АКБ – в отдельном аккумуляторном помещении.
6. Удельная стоимость 1Втч запасенной электроэнергии определялась для времени разряда 0,5/1/2 часа, как с учетом стоимости технологической инфраструктуры, так и без нее.
7. В таблице представлены удельные значения энергоемкости и стоимости энергии для времени разряда 0,5ч. Полная информация представлена на рисунке 10.
8. Расчет энергоемкости батареи, приведенной к 1м2 занимаемой площади приводился для площади помещения 40 м2.
9. Определялась средняя стоимость энергии, которую можно получить при разряде аккумуляторной батареи.
10. Стоимость владения батареи не учитывалась.

Таблица 3 Сравнение параметров ЛИАБ и СК АКБ

Параметр	LFP 400AH	16 GroE 400	6 OPzS 420
Номинальное напряжение на аккумуляторе, В	3,2	2,0	2,0
Количество аккумуляторов в батарее, шт.	70	104	104
Номинальное напряжение батареи, В	224	208	208
Диапазон изменения напряжения в рабочем диапазоне, В	210 – 238	187 – 242	187 – 242
Диапазон изменения напряжения, %	12,5	26,5	26,5
Внутреннее сопротивление, приведенное к напряжению 2В, мОм	0,06 – 0,12	0,24	0,5

 

Емкость аккумулятора          при десятичасовом разряде, Ач	400	400	478
Ток, отдаваемый за 2ч	156*	160	149
Ток, отдаваемый за 30 мин.	570*	416	287
Вес аккумулятора, кг	10,6	59,1	31,5
Энергоемкость одного аккумулятора, кВтч	1,32	0,40	0,28
Энергоемкость батареи, кВтч	92,4	41,64	28,73
Энергоемкость, приведенная к 1 кг веса, Втч	92,67	6,77	8,77
Площадь, занимаемая батарей, м2	1,0	40 – 100	40 – 100
Энергоемкость,        приведенная        к          1м2 занимаемой площади, Втч**	92,02	1,04	0,72
Стоимость аккумулятора, $	640	721	231
Стоимость 1Втч запасаемой энергии, $	0,55***	1,80	0,78
Стоимость инженерной инфраструктуры, включая капремонт помещения, тыс.$		65	65
Стоимость 1Втч с учетом стоимости инфраструктуры, S	0,55	3,36	3,04

*

– с учетом заряда не выше 85%

 

– расчет делался для площади 40м2

– с учетом стоимости BMS

На рисунке 9а представлено соотношение плотности запасаемой энергии, соотнесенной к 1кг веса аккумулятора, 9б – к 1м2 площади, занимаемой батареей. На рисунке 9в представлено соотношение стоимости 1Втч электроэнергии, отдаваемой в течение 0,5/1/2- часового разряда.

а) энергоемкость аккумулятора, отнесенная к б) энергоемкость батареи, отнесенная к 1м2 1кг его веса, в зависимости от времени разряда занимаемой ею площади, в зависимости от времени разряда

в) удельная стоимость энергии в зависимости от времени разряда

Выводы

Литий-ионные батареи по сравнению с малообслуживаемыми свинцово-кислотными батареями имеет следующие преимущества:

• Количество циклов заряд/разряд
• Энергоемкость, приведенная к весу
• Энергоемкость, приведенная к площади
• Диапазон изменения напряжения
• Скорость заряда
• Подавление помех в СОПТ
• Удельная стоимость запасенной энергии

СОПТ на объектах генерации (ТЭС, ГЭС, АЭС) имеют следующие особенности:

1. Время резервирования, на которое рассчитана батарея, как правило, составляет 30 минут.
2. Большое количество потребителей, предъявляющих различные требования к качеству электроснабжения. В одну сеть объединяются чувствительные нагрузки (например, оборудование РЗиА), и нагрузки, являющиеся потенциальными источниками электромагнитных помех и перенапряжений.
3. Разветвленные кабельные трассы – проблема высокой емкости полюсов сети на землю.
4. Большое количество импульсных нагрузок, например, аварийные насосы.

В связи с высокой стоимостью сопутствующей инфраструктуры для эксплуатации аккумуляторных батарей, как правило, в настоящее время применяется централизованная схема электроснабжения потребителей постоянного тока. При такой топологии построения СОПТ противоречия, обозначенные в пп. 2 и 3, принципиально неустранимы. Применение компактных недорогих необслуживаемых батарей позволит перейти к децентрализованной структуре СОПТ, при которой источники помех и чувствительные нагрузки будут гальванически изолированы друг от друга. В перспективе речь идет о построении распределенной СОПТ, при которой отдельные локализованные нагрузки будут питаться от своей выделенной системы питания постоянного тока. Это позволит повысить надежность системы и снизить стоимость оборудования.

Даже без изменения топологии СОПТ применение литий-ионных аккумуляторных батарей производства как техническое решение AGARA ENERGY в системах оперативного постоянного тока позволяет существенно снизить стоимость оборудования и на сегодня является экономически оправданным.