LiFePO4 аккумуляторы. Lifepo4 аккумуляторы характеристики Шаг в большой бизнес

Современный рынок пестрит разнообразным электронным оборудованием. Для их функционирования разрабатываются все более совершенные источники питания. Среди них особое место занимают литий железо фосфатные аккумуляторы. Они безопасны, обладают большой электроемкостью, практически не выделяют токсины, долговечны. Возможно, скоро эти батареи вытеснят из устройств своих «собратьев».

Содрежание

Что такое литий железо фосфатный аккумулятор

LiFePo4 аккумуляторы – это высококачественные и надежные источники питания с высокой производительностью. Они активно вытесняют не только морально устаревшие свинцово-кислотные, но и современные Li-ion батареи. Сегодня данные АКБ встречаются не только в промышленном оборудовании, но и в бытовых устройствах – от смартфонов до электровелосипедов.

LFP аккумуляторы были разработаны Массачусетским Технологическим Университетом в 2003 году. Их основа – усовершенствованная технология Li-ion с измененным химическим составом: для анода используется лития феррофосфат вместо кобальтата лития. Широкое распространение АКБ получили благодаря таким компаниям, как Motorola и Qualcomm.

Как осуществляется производство LiFePo4 аккумуляторов

Основные компоненты для изготовления LiFePo4 батарей поставляются на завод в виде темно-серого порошка с металлическим блеском. Схема производства анодов и катодов одинакова, но из-за недопустимости смешивания компонентов все технологические операции выполняются на разных цехах. Все производство делится на несколько этапов.

Первый шаг. Создание электродов. Для этого готовый химический состав покрывается с обеих сторон металлической фольгой (как правило, алюминиевой для катода, а медной для анода). Фольга предварительно обрабатывается суспензией, чтобы она могла выступать в роли приемника тока и токопроводящего элемента. Готовые элементы нарезаются на тонкие полоски и сворачиваются несколько раз, образуя квадратные ячейки.

Второй шаг. Непосредственно сборка батареи. Катоды и аноды в форме ячеек располагают по обе стороны сепаратора из пористого материала, плотно закрепляют на нем. Полученный блок помещают в пластиковый контейнер, заливают электролитом и запечатывают.

Заключительный этап. Контрольная зарядка/разрядка батареи. Зарядка производит с постепенным нарастанием напряжения электротока, чтобы не случился взрыв или воспламенение из-за выделения большого количества тепла. Для разрядки аккумулятор подключают к мощному потребителю. Не выявив отклонений, готовые элементы отправляются к заказчику.

Принцип работы и устройство литий железо фосфатного АКБ

LFP батареи состоят из электродов, плотно прижатых к пористому сепаратору с обеих сторон. Для питания устройств и катод, и анод подключаются к токосъемникам. Все компоненты помещены в пластиковый корпус, залиты электролитом. На корпус помещается контролер, который регулирует подачу тока во время зарядки.

Принцип работы LiFePo4 аккумуляторов основан на взаимодействии литий феррофосфата и углерода. Сама реакция протекает по формуле:

LiFePO 4 + 6C → Li 1-x FePO 4 + LiC 6

Переносчиком заряда АКБ выступает положительно заряженный ион лития. Он имеет способность внедряться в кристаллическую решетку других материалов, с образованием химических связей.

Технические характеристики LiFePo4 аккумуляторов

Вне зависимости от производителя все LFP ячейки имеют одинаковые технические характеристики:

• пиковое напряжение – 3,65 V;
• напряжение в средней точке – 3,3 V;
• напряжение в полностью разряженном состоянии – 2,0 V;
• номинальное рабочее напряжение – 3,0-3,3 V;
• минимальное напряжение под нагрузкой – 2,8 V;
• долговечность – от 2-х до 7 тыс. циклов заряда/разряда;
• самозаряд при температуре 15-18 С о – до 5% в год.

Представленные технические характеристики относятся именно к LiFePo4 ячейкам. В зависимости от того, сколько их объединено одной батареей, будут варьироваться и параметры аккумуляторов.

Экземпляры отечественного производства имеют следующие характеристики:

• емкостью – до 2000 Ач;
• напряжением – 12 v, 24v, 36v и 48v;
• с диапазоном рабочих температур – от -30 до +60 С о;
• с током заряда – от 4 до 30А.

Все аккумуляторы не теряют свои качества при хранении на протяжении 15 лет, имеют стабильное напряжение и отличаются низкой токсичностью.

Какие бывают LiFePo4 батареи

В отличие от привычных для нас батарей, которые маркируются символами АА или ААА, литий железо фосфатные элементы имеют совершенно иную маркировку форм-фактора – их размеры шифруются 5-значным номером. Все они представлены в таблице.

Даже не имея перед собой таблицу с обозначением маркировки, можно легко сориентироваться в габаритах батареи. Первый две цифры кода обозначают диаметр, остальные – длину источника питания (мм). Число 5 на конце некоторых типоразмеров соответствует половине миллиметра.

Литий железо фосфатный аккумулятор: плюсы и минусы

LFP батареи основаны на технологии Li-ion, что позволило им вобрать в себя все плюсы данных источников питания, и одновременно избавиться от присущих им недостатков.

Среди главных достоинств выделяют:

1. Долговечность – до 7 000 циклов.
2. Высокий ток заряда, что сокращает время восполнения энергии.
3. Стабильное рабочее напряжение, которое не падает до полного исчерпания заряда.
4. Высокое пиковое напряжение – 3,65 Вольта.
5. Высокая номинальная емкость.
6. Небольшой вес – до нескольких килограммов.
7. Низкий уровень загрязнения окружающей среды при утилизации.
8. Морозостойкость – работа возможна при температуре от -30 до +60С о.

Но у аккумуляторов выделяют также и минусы. Первый из них – это высокая стоимость. Цена элемента на 20 Ач может достигать 35 тыс. рублей. Второй и последний недостаток – сложность собственноручной сборки банки батарей, в отличие от литий-ионных элементов. Других явных минусов у этих источников питания пока не выявлено.

Зарядные устройства и как заряжать LiFePo4

Зарядные устройства для LiFePo4 аккумуляторов практически ничем не отличаются от обычных инверторов. В особенности можно записать большая сила тока на выходе – до 30А, что используется для быстрой подзарядки элементов.

Покупая готовый блок батарей трудностей с их зарядкой возникнуть не должно. В их конструкции встроено электронное управление, которое защищает все ячейки от полного разряда и перенасыщения электроэнергией. Дорогие системы используют балансирную плату, которая равномерно распределяет энергию между всеми ячейками устройства.

Важно при подзарядке не превышать рекомендуемую силу тока, если вы используете сторонние ЗУ. Это снизит срок службы батареи в несколько раз за одну подзарядку. Если батарея нагревается или вздувается, то сила тока превышает допустимые значения.

Где применяются LiFePo4 аккумуляторы

LFP батареи имеют большое значение для промышленности. Их используют для поддержания работоспособности устройств на метеостанциях, больницах. Они также внедряются в качестве буфера на ветряные электростанции и применяют для накопления энергии от солнечных панелей.

Аккумуляторы на 12v начинают использоваться в современных автомобилях вместо привычных свинцово-кислотных элементов. LiFePo4 конструкции устанавливаются в качестве главного источника питания на электровелосипедах и квадроциклах, моторных лодках.

Широко их значение и в быту. Они встраиваются в телефоны, планшеты, и даже в шуруповерты. Однако такие устройства значительно отличаются по цене от своих менее технологичных собратьев. Поэтому встретить их на рынке пока сложно.

Правила хранения, эксплуатации и утилизации LiFePo4

Прежде чем отправить LFP аккумулятор на длительное хранение, необходимо его зарядить до 40-60% и поддерживать этот уровень заряда на протяжении всего срока консервации. Держать АКБ следует в сухом месте, где температура не отпускается ниже комнатных значений.

Во время эксплуатации следует выполнять требования производителя. Важно не допускать перегрева батареи. Если вы заметили, что аккумулятор во время работы или подзарядки нагревается неравномерно, то следует обратиться в ремонтный центр – возможно одна из ячеек вышла из строя, либо присутствуют неисправности блока управления или балансирной платы. Так же следует поступить и при появлении вздутий.

Для правильной утилизации полностью исчерпавшей свой ресурс батареи следует обратиться в специализирующиеся на этом организации. Так вы не только поступите как сознательный гражданин, но и сможете на этом заработать. Однако если вы просто отправите АКБ на свалку, то ничего страшного не произойдет.

Вам так же может быть интересно

Миниатюрные батарейки в форме таблетки используются во многих устройствах. Изделия различных производителей могут по

Надежность запуска мотора любого автомобиля во многом зависит от качества применяемого аккумулятора. Он должен

Для каждого автомобиля важно правильно подбирать аккумуляторную батарею. Это позволит значительно продлить срок службы

Современное оборудование день ото дня становится все более сложным и мощным. Высокие стандарты техники предъявляют повышенные требования к аккумуляторным батареям, которые теперь должны сочетать в себе высокую производительность, энергоэффективность и обладать увеличенным запасом электроэнергии.

Внедрение новых типов электрооборудования в производство, ускорение технологического процесса - все это повышает требования к источникам электроэнергии, и современные аккумуляторные батареи уже не всегда могут им удовлетворять. Для решения этой проблемы производители пошли по пути усовершенствования литий-ионной технологии. Так появился на свет литий-железо-фосфатный являющийся идейным потомком Li-ion батарей.

Историческая справка

LiFePO4, или LFP, - естественный минерал семейства оливин, впервые был обнаружен в 1996 году ученым из Техасского университета Джоном Гуденафом, который искал пути усовершенствования Li-ion источников электроэнергии. Примечательным стал тот факт, что данный минерал обладал меньшей токсичностью и более высокой термической устойчивостью, чем все известные на тот момент электроды.

К тому же он встречался в естественной среде и обладал меньшей стоимостью. Главным недостатком электродов на базе LiFePO4 стала небольшая электроемкость, из-за чего литий-железо-фосфатный аккумулятор перестал разрабатываться.

Исследования в этом направлении были возобновлены в 2003 году в Команда ученых работала над созданием принципиально новых АКБ, которые бы стали заменой самых прогрессивных на тот момент Li-ion батарей. Проектом заинтересовались такие крупные компании, как Motorola и Qualcomm, что приблизило появление батарей с LiFePO4 катодными элементами.

АКБ на основе LiFePO4

Данный тип использует ту же технологию получения электроэнергии, что и привычные для нас литий-ионные элементы. Однако между ними имеется и ряд существенных отличий. Во-первых, это использование собственного типа BMS - системы управления, которая защищает электрические аккумуляторы от перезаряда и сильной разрядки, повышает срок службы и делает источник энергии более стабильным.

Во-вторых, LiFePO4, в отличие от LiCoO2, менее токсичен. Этот факт позволил избежать ряда проблем, связанных с загрязнением окружающей среды. В частности сократить выбросы кобальта в атмосферу при неправильной утилизации АКБ.

Наконец, из-за отсутствия единых стандартов LFP элементы обладают разным химическим составом, что обуславливает варьирование технических характеристик моделей в широком диапазоне. Кроме того, обслуживание данных источников питания более сложное и должно происходить с соблюдением определенных правил.

Технические характеристики

Стоит сказать, что литий-железо-фосфатные аккумуляторы 48 Вольт, 36 Вольт и 60 Вольт изготавливают путем последовательного соединения между собой отдельных ячеек, ибо максимальное напряжение в одной LFP-секции не может превышать 3,65 В. Поэтому технические показатели каждой АКБ могут существенно отличаться между собой - все зависит от сборки и конкретного химического состава.

Для анализа технических характеристик приведем номинальные значения одной отдельно взятой ячейки.

Наилучшая реализация возможностей каждой отдельной ячейки была достигнута в АКБ Everexceed. Литий-железо-фосфатные аккумуляторы Everexceed отличаются продолжительным сроком службы. Всего они способны выдержать до 4 тыс. циклов зарядки-разрядки с потерей емкости до 20%, а восполнение запаса энергии происходит за 12 минут. Учитывая это, можно сделать вывод, что батареи Everexceed являются одними из лучших представителей LFP-элементов.

Преимущества и недостатки

Основным преимуществом, которое в выгодном свете выделяет литий-железо-фосфатный аккумулятор среди других представителей АКБ, является долговечность. Такой элемент способен выдержать более 3 тыс. циклов зарядки-разрядки при падении уровня электроэнергии до 30%, и более 2 тыс. - при падении до 20%. Благодаря этому средний срок службы батарей составляет около 7 лет.

Стабильный ток заряда является вторым важным преимуществом LFP-элементов. Напряжение на выходе остается равным 3,2 В до тех пор, пока заряд не будет полностью исчерпан. Это позволяет упростить схему подключения, устраняет необходимость использования регуляторов напряжения.

Более высокий пиковый ток - третье их преимущество. Это свойство АКБ позволяет им выдавать максимальную мощность даже при сверхнизких температурах. Данное свойство побудило автомобилестроителей использовать литий-железо-фосфатный аккумулятор в качестве первичного источника энергии при запуске бензиновых и дизельных двигателей.

Наряду со всеми представленными преимуществами, LiFePO4 батареи обладают одним существенным недостатком - большая масса и размеры. Это ограничивает их использование в некоторых видах техники и электрооборудования.

Особенности эксплуатации

Если вы покупаете готовые литиево-фосфатные аккумуляторы, то сложностей с обслуживанием и эксплуатацией у вас не возникнет. Все благодаря тому, что производители встраивают в такие элементы платы BMS, которые не допускают перезаряда и не дают разрядиться элементу до предельно низкого уровня.

Но если вы приобретаете отдельные ячейки (пальчиковые батарейки, например), то вам придется следить за уровнем заряда самостоятельно. При падении заряда ниже критического уровня (ниже 2,00 В) начнет стремительно падать и емкость, что сделает невозможным подзарядку элементов. Если же вы, наоборот, допустите перезаряд (выше 3,75 В), ячейка просто вздуется из-за выделившихся газов.

Если вы используете подобный аккумулятор для электромобиля, то после 100% зарядки вам необходимо отсоединить В противном случае батарея разбухнет из-за перенасыщения электрическим током.

Правила эксплуатации

Если вы планируете использовать литиево-фосфорные батареи не в циклическом режиме, а в буферном, например, в качестве источника питания ИБП или совместно с солнечной батареей, то вам необходимо позаботиться о понижении уровня заряда до 3,40-3,45 В. Справиться с этой задачей помогают «умные» зарядные устройства, которые в автоматическом режиме сначала полностью восполняют запас энергии, а затем понижают уровень напряжения.

Во время эксплуатации вам необходимо следить за балансом ячеек или использовать специальные балансировочные платы (в аккумулятор для электромобиля они уже встроены). Дисбалансом ячеек называют такое состояние, когда общее напряжение устройства остается на номинальном уровне, а вот напряжение ячеек становится разным.

Подобное явление происходит из-за разности сопротивлений отдельных секций, плохого контакта между ними. Если ячейки обладают разным напряжением, то и неравномерно происходит их зарядка-разрядка, что существенно снижает срок службы АКБ.

Ввод батарей в эксплуатацию

Перед использованием литиево-фосфорных батарей, собранных из отдельных ячеек, необходимо позаботиться о балансировке системы, так как секции могут иметь разный уровень заряда. Для этого все компоненты параллельно соединяются между собой и подключаются к выпрямителю, зарядному устройству. Соединенные таким образом ячейки надо зарядить до 3,6 В.

Используя аккумулятор литий-железо-фосфатный для электровелосипеда, вы наверняка замечали, что в первые минуты работы АКБ выдает максимальную мощность, а затем заряд стремительно падает до уровня 3,3-3,0 В. Не стоит этого пугаться, ведь это нормальная работа батареи. Дело в том, что основная ее емкость (около 90%) лежит именно в этом диапазоне.

Заключение

КПД на 20-30% выше, чем у других аккумуляторов. При этом они служат на 2-3 года дольше, чем другие источники электроэнергии, а также обеспечивают стабильным током на протяжении всего периода эксплуатации. Все это выделяет представленные элементы в выгодном свете.

Однако большинство людей так и будут игнорировать литий-железо-фосфатные аккумуляторы. Плюсы и минусы АКБ меркнут перед их ценой - она в 5-6 раз больше, чем у привычных для нас свинцово-кислотных элементов. Такой аккумулятор для автомобиля в среднем стоит около 26 тыс. рублей.

Максимальное в отрасли количество циклов заряда-разряда, в два раза меньшая емкость для достижения тех же электрических характеристик по сравнению со свинцово-кислотными, быстрый заряд большими токами и стабильное напряжение разряда, возможность автоматического контроля параметров – вот преимущества литий-железофосфатных аккумуляторов . Широкая линейка этих изделий, выпускаемых компанией EEMB , применяется в системах электропитания базовых станций сотовой связи и автоматических метеостанций, солнечных энергосистемах, системах аварийного энергоснабжения , питания промышленных электроприводов и электротранспорта.

В последние годы вопрос по усовершенствованию мобильных источников энергии как никогда актуален. Еще 10-15 лет назад он не стоял столь остро. Но лучшее – враг хорошего, и с повышением мобильности городского жителя, т.е. с переходом от стационарного компьютера к ноутбуку, от простого мобильного телефона к смартфону, запросы к мобильным источникам энергии резко возросли.

С миниатюризацией бытовой электроники ее разработчики должны выдерживать общее направление, уменьшая размеры источников питания и при этом увеличивая их емкость. Однако возникает вопрос об изменении не только емкости батарей, но и скорости их перезарядки и долговечности. Ведь если батарея будет восстанавливать заряд почти мгновенно, то уже не так критически важно, сколько часов без подзарядки может работать устройство.

Емкость аккумулятора, а также его способность к многократной перезарядке также важна для:

• автономных устройств, ориентированных на длительную работу без обслуживания – метеостанций, гидропостов, почвенных станций;
• систем альтернативной энергетики – солнечных и ветрогенераторов;
• электротранспорта – гибридных автомобилей, погрузчиков, электрокаров.

Практически во всех перечисленных случаях аккумуляторы эксплуатируются в условиях, далеких от идеальных: при низких температурах, неоптимальных или неполных циклах заряда, высокой вероятности глубокого разряда.

Среди современных аккумуляторов особое место занимают литиевые. Литий обладает огромным ресурсом хранения энергии, поэтому использование литий-ионных аккумуляторов в роли накопителей энергии для солнечных электростанций и других источниках ВИЭ является наиболее выгодным, по сравнению с кислотно-свинцовыми аккумуляторами или другими типами АКБ. Особое место среди аккумуляторов на основе ионов лития занимают литий-железофосфатные аккумуляторы (LiFePO4).

Впервые LiFePO4 в качестве катода для литий-ионного аккумулятора был применен в 1996 году профессором Джоном Гуденафом из Техасского Университета. Данный материал заинтересовал исследователя тем, что в сравнении с традиционным LiCoO2 он обладает значительно меньшей стоимостью, является менее токсичным и более термоустойчивым. Но недостаток его – меньшая емкость. И только в 2003 году компания A123 System под руководством профессора Цзян Йе-Мина занялась исследованием литий-железофосфатных аккумуляторов (LiFePO4).

Основные свойства литий-железофосфатных аккумуляторов

Литий-железофосфатные аккумуляторы (LiFePO4) являются подвидом литий-ионных батарей, в котором в качестве катода используется фосфат железа. Их без преувеличения можно назвать вершиной технологии силовых аккумуляторов. Данный тип аккумуляторов по некоторым параметрам, в частности, по количеству циклов зарядки-разрядки, превосходит все прочие.

В отличие от других литий-ионных, аккумуляторы LiFePO4, как и никелевые, имеют очень стабильное напряжение разряда. Напряжение на выходе во время разряда остается близко к 3,2 В, пока заряд аккумулятора не будет исчерпан полностью. Это может значительно упростить или даже устранить необходимость регулирования напряжения в цепях.

В связи с постоянным напряжением 3,2 В на выходе четыре аккумулятора могут быть соединены последовательно для получения номинального напряжения на выходе 12,8 В, что приближается к номинальному напряжению свинцово-кислотных аккумуляторов с шестью ячейками. Это, наряду с хорошими характеристиками безопасности литий-железофосфатных аккумуляторов, делает их хорошей потенциальной заменой для свинцово-кислотных аккумуляторных батарей в таких отраслях как автомобилестроение и солнечная энергетика.

• При повторных циклах заряда/разряда полностью отсутствует эффект памяти
• Литий-железофосфатные аккумуляторы имеют длительный срок службы (свыше 4600 циклов при глубине разряда 80%)
• Они обладают высокой удельной энергоемкостью: плотность энергии достигает 110 Вт ч/кг)
• Им свойственен широкий температурный диапазон эксплуатации (-20…60°С)
• Эти аккумуляторы не требуют обслуживания
• Имеется возможность быстрого заряда аккумуляторов: за 15 минут – до 50%
• Надежность и безопасность литий-железофосфатных аккумуляторных батарей подтверждены международными сертификатами
• Они обладают высокой эффективностью: 93% при запуске 30…90%
• Допускается высокая скорость разряда током до 10 С (десятикратный номинальный ток)
• Эти аккумуляторы экологичны и не представляют опасности для человека и окружающей среды при утилизации
• В отличие от свинцовых аккумуляторов, литий-железофосфатные в два раза легче при той же емкости

Недостатки по сравнению со свинцово-кислотными батареями:

• более высокая стоимость;
• необходимость специальной схемы контроля заряда-разряда.

Литий-железофосфатные аккумуляторы (LiFePO4) немного проигрывают литий-полимерным по энергоемкости (рисунок 1). Но одной из сильных сторон является стабильность материала, что позволяет создавать аккумуляторные батареи, выдерживающие гораздо больше циклов разряда/заряда (более 2000), и быстрая зарядка. Благодаря этим особенностям данные аккумуляторы оптимально использовать в электрическом транспорте.

На российском рынке особое место среди поставщиков аккумуляторов на основе ионов лития занимает компания EEMB . Она выпускает несколько групп литий-железофосфатных аккумуляторов (рисунок 2), различающихся между собой по электрическим и конструктивным параметрам :

• модульные системы аккумуляторов;
• аккумуляторы для телекоммуникационных устройств;
• источники энергии для «умного дома»;
• тяговые аккумуляторы для электротранспорта.

а) модульные системы аккумуляторов	б) аккумуляторы для телекоммуникационного оборудования	в) аккумуляторы для систем аварийного питания и автономных систем электроснабжения	г) тяговые аккумуляторы для электротранспорта

Литий-железофосфатные аккумуляторы при разряде имеют очень стабильное выходное напряжение до тех пор, пока элемент не разрядится полностью. Затем напряжение резко уменьшается.

На рисунке 3 приведены разрядные кривые аккумулятора , снятые на различных токах разряда (0,2…2С) при нормальных температурных условиях. Как видно из графика, особенностью литий-железофосфатного аккумулятора является слабая зависимость емкости от величины тока разряда. При разряде малым током (0,2С) и при разряде повышенным током (2С) емкость аккумулятора практически не меняется и остается равной 10 А ч (номинальная емкость указанного аккумулятора).

Очень важно не допускать разряда ячейки до уровня менее 2,0 В, иначе произойдут необратимые процессы, которые приведут к резкой потере номинальной емкости. Для этого служит контроллер разряда. Компания EEMB производит аккумуляторы как с наличием, так и с отсутствием защитной схемы. Наличие схемы защиты от разряда и превышения напряжения заряда кодируется в наименовании аббревиатурой PCM в конце, например, LP385590F-PCM .

Рассмотрим зависимости количества циклов «заряд-разряд» от величины разрядного тока и глубины разряда. На рисунке 4 приведены экспериментальные данные. Из них видно, что при полном разряде потеря емкости аккумулятора на 20% происходит при количестве циклов не менее 2000 (ток разряда 1C). Если глубину разряда ограничить уровнем 80% в каждом цикле, то при проведении примерно 1500 подобных циклов снижения емкости аккумулятора от первоначальной величины практически не наблюдалось (ток разряда 0,5С).

Последнее поколение литий-железофосфатных АКБ производства компании EEMB в отличие от существующих свинцово-кислотных аккумуляторов не требует частой замены и обслуживания. Как правило, литий-железофосфатный АКБ – современный аккумулятор, выдерживающий более 2000 циклов заряда-разряда, абсолютно нечувствительный к режимам хронического недозаряда. В большинстве случаев он имеет встроенную плату управления аккумуляторной батареей (Battery Management System). Заряд осуществляется постоянным напряжением и постоянным током без стадий.

В таблице 1 показаны основные параметры одноэлементных литий-железофосфатных аккумуляторов компании EEMB. Номинальная емкость этого типа аккумуляторов находится в пределах 600…36000 мА ч (вес – 15…900 грамм соответственно). Одноэлементные Li-FePO4-аккумуляторы чаще всего применяются в приборах с автономным питанием. Эти аккумуляторы допускают разряд высоким током до 10С. После 2000 циклов заряда-разряда током 1С остаточная емкость составляет около 80%.

Таблица 1. Одноэлементные LiFePO4-аккумуляторы EEMB

Используя модульные системы с отдельными ячейками, обладающими повышенной емкостью, параметры которых приведены в таблице 2, можно собрать аккумуляторный блок необходимой емкости и выходного напряжения.

Таблица 2. Основные параметры модульных систем Li-FePO4

Также модульные системы оснащены системой управления питанием (BMS), которая допускает разряд высокой мощности и обладает множеством контрольных и защитных функций. Модули с интегрированной системой мониторинга обеспечивают высокий уровень безопасности всей системы и окружающей среды. Рекомендованные области применения:

• системы аварийного и бесперебойного питания;
• базовые станции.

Телекоммуникационные системы питания требуют от аккумуляторов небольших размеров, малого веса, большого количества циклов перезарядки, высокой удельной емкости, широкого диапазона рабочих температур и простоты в обслуживании. Литий-железофосфатные аккумуляторы вполне соответствуют этим требованиям. В таблице 3 приведены основные параметры аккумуляторов EEMB для телекоммуникационных систем.

Таблица 3. Аккумуляторы для телекоммуникационных систем питания

Пример номенклатурной записи: 4P5S – четыре параллельно включенных сборки (каждая сборка состоит из пяти последовательно включенных аккумуляторов), P – Parallel, параллельное включение, S – Serial, последовательное включение.

В основном аккумуляторы данных серий применяются в:

• системах питания постоянного тока;
• устройствах обеспечения бесперебойного питания (UPS);
• высоковольтных системах питания постоянного тока (240/336 В).

Характеристики аккумуляторных батарей для источников и систем бесперебойного питания для «умного дома» (UPS/ИБП) приведены в таблице 4, а внешний вид изображен на рисунке 3в.

Таблица 4. Аккумуляторы для ИБП «умного дома»

Литий-железофосфатные аккумуляторы EEMB Super Energy серии SLM полностью заменяют обычные свинцово-кислотные и гелиевые аккумуляторы. Они не требуют обслуживания, на 80% легче и в пять раз долговечнее свинцово-кислотных аккумуляторов и их аналогов.

Тяговые аккумуляторы для электромобилей - это перезаряжаемая батарея для установки в автомобилях на электрической тяге. Ключевыми особенностями аккумуляторов для электромобилей являются малый вес, компактный размер и большая энергоемкость, что позволяет уменьшить вес самого электромобиля и дает возможность быстрой зарядки.

Компания EEMB предлагает ассортимент аккумуляторов для электротранспорта различных категорий (таблицы 5, 6).

Основные параметры литий-железофосфатных аккумуляторов, применяемых в автомобилях для гольфа, и аналогичных аккумуляторов серии GOLF CART приведены в таблице 5. Эти аккумуляторы допускают параллельное и последовательное соединение ячеек, благодаря чему можно легко изменять номинальную емкость и напряжение аккумулятора.

Таблица 5. Параметры аккумуляторных батарей серии GOLF CART

Параметры аккумуляторов Li-FePO4 для электровелосипедов (серия E-bike) приведены в таблице 6.

Таблица 6. Параметры аккумуляторных батарей серии E-bike

По требованиям клиента под заказ могут быть изготовлены и другие варианты. Данные серии аккумуляторов также выпускаются в сборках, где одиночные элементы соединены последовательно или параллельно-последовательно. Габаритные размеры одного элемента сборки этой серии составляют 9,1х67,5х222 мм.

В таблице 7 приведены параметры литий-железофосфатных аккумуляторов для электрических скутеров и электроинструментов. Аккумуляторы серии E-scooter обладают небольшими размерами, имеют высокий допустимый ток разряда, большой срок службы, высокую плотность энергии, отсутствие эффекта памяти, что обеспечивает популярность этих аккумуляторов в подходящих по мощности приборах, где необходимо автономно питать электродвигатели.

Таблица 7. Параметры аккумуляторных батарей серии E-scooter

В таблице 8 приведены параметры литий-железофосфатных аккумуляторов для электромотороллеров серии E-motorcycle. Номинальное напряжение всех аккумуляторов этой серии составляет 48 В. Минимальное значение номинальной емкости – 9 А ч при весе 4 кг. Максимальное значение емкости – 90 А ч при весе 40 кг. Размеры одного элемента – 7,5х67х220 мм.

Таблица 8. Параметры аккумуляторных батарей серии E-motorcycle

Сравнительные характеристики LiFePO4-аккумуляторов

На объектах малой энергетики в режимах постоянного циклирования литий-железофосфатные аккумуляторы за счет возможности глубокого разряда и большого количества циклов заряда-разряда дают ощутимые преимущества в обслуживании объекта.

Аккумуляторные модули имеют встроенную защиту от перенапряжений, низкого заряда, повышенных токов. Они совместимы со всеми приборами, в том числе – инверторами и зарядными устройствами, работающими со свинцово-кислотными аккумуляторами. Изначально цена на литий-железофосфатные АКБ кажется достаточно высокой. Однако при расчете емкости АКБ для работы в режиме циклирования выясняется, что в случае применения LiFePO4-аккумуляторов достаточно АКБ примерно в 2…2,5 раза меньшей емкости, чем для свинцово-кислотных аккумуляторов (включая свинцово-гелиевые). Это возможно за счет того, что литий-железофосфатные аккумуляторы допускают зарядку более высокими токами, чем свинцово-кислотные (1С против типовых для свинцово-кислотных 0,1…0,2С). Вследствие этого массив солнечных панелей, например, при том же выходном токе массива и требуемом времени заряда, можно нагружать на менее емкий, чем свинцово-кислотный, литий-железофосфатный аккумулятор. Меньшая емкость на разряд будет компенсироваться более быстрыми циклами заряда, тем более что ресурс по циклам «заряд-разряд» в среднем на порядок больше. Сюда же добавляется намного более медленное падение емкости при циклах перезарядки.

Рассмотрим пример. Если мы ранее использовали свинцово-кислотный АКБ AGM/GEL 150 А ч в режиме циклирования, то для его замены без потери эксплуатационных характеристик будет достаточно АКБ типа LiFePO4 емкостью 60 А ч. При верном расчете 1 к 2,5 стоимость АКБ LiFePO4 всего на 25…35% больше, чем свинцово-кислотных АКБ. При этом литий-железофосфатные АКБ в среднем будут иметь лучшие эксплуатационные характеристики в сравнении со свинцово-кислотными.

В режиме накопления и последующего разряда при одинаковых разрядных токах литий-железофосфатные аккумуляторы могут дать преимущество в емкости в 2,5 раза, что легко показать на примере.

Как правило, емкость аккумулятора выбирается исходя из возможного времени отсутствия основной энергии и потребляемой мощности нагрузки.

Например, если нам нужно запитать нагрузку 2 кВт в течение 1 часа, то, соответственно, нужен запас энергии, как минимум, в 2 кВт ч. Необходимо, чтобы эта система могла нормально функционировать более 6 месяцев в циклическом режиме (днем – заряд, вечером – разряд). Для аккумулятора или набора аккумуляторов с выходным напряжением 48 В требуемая расчетная емкость составит примерно 42 А ч. Ток при разряде будет примерно равен 1С (42 А). Однако следует учесть, что в нашем примере следует считать разряд не постоянным током, а постоянной мощностью, при этом при разряде АКБ ток разряда будет увеличиваться. В режиме разряда постоянной мощностью (2 кВт) свинцово-кислотный АКБ (48 В/40 А ч) способен проработать не более 30 минут (при глубоком разряде – до 40,8 В).

Чтобы нагрузка уверенно отработала один час на свинцовом аккумуляторе, потребуется его емкость примерно в два раза больше изначально рассчитанной – порядка 85 А ч. С другой стороны, разряд железо-фосфатного аккумулятора током 1С или выше не приводит к существенному снижению его емкости – она остается на уровне номинальной (рисунок 3). Из этого видно, что может быть достигнуто различие в емкости двух типов АКБ в два раза. Также необходимо принять во внимание, что при работе свинцово-кислотного АКБ в режиме циклирования его емкость снизится на 20% уже при 150…200 циклах заряда-разряда, поэтому, чтобы это скомпенсировать, следует изначально выбрать аккумулятор с емкостью на 20% выше. Получается, что условия ранее поставленной задачи будут выполнены в течение первых 6 месяцев при емкости свинцово-кислотного АКБ в 102 А ч. С другой стороны, слабая зависимость емкости железофосфатного АКБ позволит обойтись практически расчетной емкостью 42 А ч. Как видим, разница в требуемой емкости между двумя типами АКБ составляет около 2,5 раз.

Литий-железофосфатные аккумуляторы легко принимают мощный зарядный ток. Поэтому, нагрузив на них втрое более мощный (относительно свинцово-кислотных АКБ) массив солнечных батарей, можно зарядить их за короткое время, равное 2…4 часам. А принимая во внимание нечувствительность к глубокому разряду и хроническому недозаряду, эти батареи незаменимы в зимний период, особенно с учетом того факта, что литий-железофосфатные АКБ имеют более высокое КПД 95% (в отличие от 80% у свинцово-кислотных АКБ), а значит, в пасмурную и дождливую погоду эти АКБ заряжаются быстрее (таблица 9).

Таблица 9. Сравнение литий-железофосфатных и свинцово-кислотных аккумуляторов

Заключение

В режимах циклирования использование литий-железофосфатных аккумуляторов более выгодно, так как для достижения энергетических и эксплуатационных параметров достаточно примерно в два раза меньшей емкости, чем у свинцово-кислотных. Не меньшую ценность представляют нечувствительность к недозаряду, повышенный КПД и ускоренный заряд большими токами.

Литий-железофосфатные аккумуляторы рекомендуется использовать в солнечных энергосистемах, работающих в условиях короткого светового дня, что особенно актуально для средней полосы России, северных регионов, а также горных районов. Длительный срок службы (большое количество циклов «заряд-разряд») литий-железофосфатных аккумуляторов позволяет существенно сократить расходы на их обслуживание и замену, что актуально, например, для автоматических станций наблюдения за погодными условиями и систем аварийного питания базовых станций сотовой связи. Увеличение периода времени между плановой сменой аккумуляторов приводит к экономии на оплате труда бригады обслуживания, а также на дорожных расходах (особенно в том случае, если оборудование установлено в труднодоступных местах). Снижение накладных расходов на обслуживание будет с лихвой компенсировать относительно высокую стоимость литий-железофосфатного аккумулятора.

Аккумуляторы данного типа также могут быть успешно применены в телекоммуникационной технике (базовое телекоммуникационное оборудование и мобильные устройства), источниках бесперебойного питания, системах аварийного энергоснабжения, системах питания электроприводов и электротранспорта.

Изготовитель аккумуляторов – компания EEBM – осуществляет тщательный контроль качества продукции и имеет возможность выполнения аккумуляторных сборок на заказ по требованиям клиента.

Литература

1. http://www.eemb.com.
2. http://www.eemb.com/products/rechargeable_battery/lifepo4_battery/lifepo4_battery.html.

На сегодняшний день существует большое количество аккумуляторов с различными типами химии. Наиболее популярными аккумуляторами сегодня являются литий-ионные. К этой же группе относятся и литий-железо-фосфатные (феррофосфатные) аккумуляторы. Если все элементы питания, относящиеся к данной категории, в общем и целом похожи друг на друга по техническим характеристикам, то литий-железо-фосфатные аккумуляторы имеют свои уникальные особенности, выделяющие их среди других аккумуляторов, сделанных по литий-ионной технологии.

История открытия литий-железо-фосфатного аккумулятора

Изобретателем LiFePO4 аккумулятора является Джон Гуденаф, который работал в 1996 году в Техасском университете над созданием нового материала для катода под литий-ионные аккумуляторы. Профессору удалось создать материал, обладающий большей дешевизной, имеющий меньшую токсичность и высокую термоустойчивость. Среди недостатков элемента питания, в котором использовался новый катод, была меньшая емкость.

Изобретением Джона Гуденафа никто не интересовался, но в 2003 году компания A 123 Systems решила развить данную технологию, посчитав ее достаточно перспективной. Инвесторами данной технологии стали многие крупные корпорации - Sequoia Capital, Qualcomm, Motorola.

Характеристика LiFePO4 аккумуляторов

Напряжение феррофосфатного аккумулятора такое же, как и у других элементов питания, относящихся к литий-ионной технологии. Номинальное напряжение зависит от габаритов аккумулятора (типоразмера, форм-фактора). Для элементов питания 18 650 это 3,7 вольт, для 10 440 (мизинчиковые) - 3,2, для 24 330 - 3,6.

Практически у всех аккумуляторов напряжение в процессе разрядки постепенно падает. Одной из уникальных особенностей является стабильность напряжения при работе у LiFePO4-аккумуляторов. Характеристики напряжения аналогичные этим имеют аккумуляторы, сделанные по никелевой технологии (никель-кадмиевые, никель-металл-гидридные).

В зависимости от размера литий-железо-фосфатный аккумулятор способен выдавать от 3,0 до 3,2 вольт вплоть до полного разряда. Это свойство дает больше преимуществ для данных аккумуляторов при использовании их в цепях, так как практически сводит на нет необходимость регулирования напряжения.

Напряжение при полном разряде равно 2,0 вольтам, что является самой низкой зарегистрированной границей на разряд среди всех аккумуляторов на литиевой технологии. Данные аккумуляторы являются лидерами и в сроке службы, который приравнивается к 2000 циклам на заряд и разряд. Ввиду безопасности своей химической структуры LiFePO4-аккумуляторы есть возможность зарядить при помощи специального ускоренного метода дельта V, когда на аккумулятор подается большой ток.

Многие элементы питания не выдерживают зарядку по такому методу, что приводит к их чрезмерному нагреву и порче. В случае с литий-железо-фосфатными аккумуляторами использовать такой метод не просто можно, а даже рекомендуется. Поэтому специально для зарядки таких элементов питания существуют и особые зарядные устройства. Разумеется, такие зарядные устройства нельзя использовать на батарейках с другой химией. В зависимости от форм-фактора, литий-железо-фосфатные аккумуляторы на таких зарядных устройствах могут зарядиться полностью за 15-30 минут.

Последние разработки в области LiFePO4-аккумуляторов предлагают пользователю элементы питания с улучшенным диапазоном рабочих температур. Если стандартным диапазоном для литий-ионных аккумуляторов является работа от -20 до +20 градусов Цельсия, то литий-железо-фосфатные аккумуляторы могут отлично работать в диапазоне от -30 до +55. Зарядка или разрядка элемента питания при температурах выше или ниже описанных будет сильно портить батарейку.

Литий-железо-фосфатные аккумуляторы подвержены эффекту старения в гораздо меньшей степени по сравнению с другими литий-ионными аккумуляторами. Старение - это естественная потеря емкости со временем, которая не зависит от того, используется ли элемент питания или лежит на полочке. Для сравнения: все литий-ионные аккумуляторы теряют около 10 % емкости каждый год. Литий-железо-фосфатные же теряют всего 1,5 %.

Из минусов данных аккумуляторов стоит выделить меньшую емкость, которая на 14 % меньше (или около того), чем у других литий-ионных элементов питания.

Безопасность феррофосфатных аккумуляторов

Данный вид элементов питания считается одним из самых безопасных среди всех существующих видов аккумуляторов. LiFePO4 имеют очень стабильную химию, и способны хорошо выдерживать большие нагрузки при разряде (в работе с низким сопротивлением) и заряде (при зарядке аккумулятора большими токами).

За счет того, что фосфаты химически безопасны, данные батарейки легче утилизировать, после того как они отработают свой ресурс. Многие аккумуляторы на опасной химии (например, литий-кобальтовые) приходится подвергать дополнительным процессам утилизации, для того чтобы свести на нет их опасность для окружающей среды.

Зарядка литий-железо-фосфатных аккумуляторов

Одной из причин коммерческого интереса инвесторов к феррофосфатной химии стала возможность быстрой зарядки, вытекающая из ее стабильности. Сразу после организации конвейерного выпуска LiFePO4-аккумуляторов они позиционировались как элементы питания, которые можно быстро зарядить.

Для этой цели стали выпускаться специальные зарядные устройства. Как уже было написано выше, такие зарядные устройства нельзя использовать на других аккумуляторах, так как это вызовет их перегрев и будет сильно портить их.

Специальное для данных аккумуляторов способно зарядить их за 12-15 минут. Феррофосфатные батарейки можно заряжать и обычными зарядниками. Существуют также и комбинированные варианты зарядных устройств с обоими режимами зарядки. Наилучшим вариантом, конечно, будет использование умных зарядных устройств с множеством опций, регулирующих процесс зарядки.

Устройство литий-железо-фосфатного аккумулятора

Никаких особенностей во внутреннем устройстве литий-железо-фосфатный LiFePO4 аккумулятор по сравнению со своими собратьями по химической технологии не имеет. Изменению подвергся только один элемент - катод, сделанный из фосфата железа. Материалом анода является литий (все элементы питания на литий-ионной технологии имеют литиевый анод).

Работа любого аккумулятора основана на обратимости химической реакции. Иначе процессы, происходящие внутри аккумулятора, называются процессами окисления и восстановления. Любой аккумулятор состоит из электродов - катода (минуса) и анода (плюса). Также внутри любого аккумулятора имеется сепаратор - пористый материал, пропитанный специальной жидкостью - электролитом.

При разрядке аккумулятора ионы лития движутся через сепаратор от катода к аноду, отдавая накопленный заряд (окисление). При зарядке аккумулятора ионы лития движутся в обратном направлении от анода к катоду, накапливая заряд (восстановление).

Виды литий-железо-фосфатных аккумуляторов

Все на данной химии можно условно разделить на четыре категории:

• Полноценные АКБ.
• Большие ячейки в виде параллелепипедов.
• Небольшие ячейки в виде параллелепипедов (призматики - аккумуляторы LiFePO4 на 3,2 V).
• Небольшие плоские аккумуляторы (пакеты).
• Цилиндрические аккумуляторы.

Литий-железо-фосфатные АКБ и ячейки могут иметь разное номинальное напряжение от 12 до 60 вольт. Они во многом опережают традиционные цикл работы гораздо выше, вес в несколько раз ниже, подзаряжаются в несколько раз быстрее.

Цилиндрические аккумуляторы на данной химии используются как отдельно, так и в цепи. Габариты данных цилиндрических аккумуляторов бывают самыми различными: от 14 500 (пальчиковые) до 32 650.

Литий-железо-фосфатные АКБ

Отдельного внимания достойны феррофосфатные АКБ для велосипедов и электроциклов. С изобретением нового железо-фосфатного катода наряду с прочими видами аккумуляторов на данной химии вышли и специальные АКБ, которые ввиду их улучшенных характеристик и меньшего веса можно удобно использовать даже на обычных велосипедах. Подобные АКБ сразу обрели популярность среди любителей модернизации своих велосипедов.

Литий-железо-фосфатные АКБ способны предоставить несколько часов беззаботной езды на велосипеде, чем составляют достойную конкуренцию двигателям внутреннего сгорания, которые раньше тоже часто устанавливались на велосипеды. Обычно для данных целей используются аккумуляторы LiFePO4 на 48v, но есть возможность приобрести АКБ на 25, 36 и 60 вольт.

Применение феррофосфатных аккумуляторов

Роль АКБ на данной химии понятна и без комментариев. Под разные цели используются призматики - аккумуляторы LiFePO4 3,2 v. Ячейки большего размера используются в качестве элементов для солнечной энергетики и ветрогенераторов. Феррофосфатные аккумуляторы активно используются в конструкции электромобилей.

Небольшие плоские аккумуляторы применяются для телефонов, ноутбуков и планшетных ПК. Цилиндрические элементы питания разных форм-факторов применяются для электронных сигарет, радиоуправляемых моделей и пр.