Литий-ионные батареи в однофазных ИБП

Последние несколько лет литий-ионные аккумуляторы набирают популярность. По данным Bloomberg New Energy Finance, к 2025 году они будут использоваться в 40% центров обработки данных. На них будет приходится 5,6 ГВт?ч резервируемых мощностей.

Так что использование литий-ионных батарей в промышленных трёхфазных ИБП вряд ли кого-то удивит. Относительно высокая цена таких аккумуляторов практически незаметна на фоне общей стоимости энергетической инфраструктуры крупного объекта, и в дальнейшем компенсируется за счёт меньшей совокупной стоимости владения решением.

Совсем другое дело — однофазные ИБП, область применения которых традиционно предполагает бережливость. В конце концов, это не инфраструктурные и не имиджевые решения. Стоит себе в уголке ящичек, который может понадобиться раз в месяц, а то и реже. Такие вещи зачастую приобретаются по остаточному принципу.

Так стоит ли тратиться на однофазные ИБП, работающие на литий-ионных батареях или лучше предпочесть привычное решение? В такой неопределённой ситуации лучше всего спокойно выдохнуть и оставив в покое эмоции начать считать плюсы и минусы. А принятие решения отложить на потом.

Что такое литий-ионный аккумулятор

Принцип работы литий-ионных аккумуляторов основан на способности лития интегрироваться в кристаллические решётки оксида кремния, графита, или иных материалов, что позволяет накопить заряд на одном электроде. Например, при использовании графита при зарядке на аноде образуется графитит лития. В рабочем режиме происходит обратный процесс — избыток заряда переходит к катоду, а по внешней цепи идёт электрический ток.

В качестве электролита в литий-ионных аккумуляторах применяется полимеры, способные внедрять в свой состав соли лития. Это позволяет достичь большой внутренней поверхности и изготавливать изделия практически любой формы.

Достоинства литий-ионных аккумуляторов

Срок службы литий-ионной батареи достигает 10 лет, что в 2-3 раза больше аналогичного показателя традиционного свинцового аккумулятора. Даже с учётом разницы в ценах экономия в течение всего периода эксплуатации может достигать 35%, что уже немало.

Из-за отсутствия сульфатации литий-ионные аккумуляторы заметно превосходят свинцово-кислотные по уровню разряда: 3-5% в месяц против 10-15% в месяц. Таким образом, их даже можно закупать заранее — при хороших условиях хранения (темература около 15 градусов и 30-50% заряда) батарея будет полностью работоспособна даже через несколько лет.

Зарядка литий-ионного аккумулятора требует в разы меньше времени. Это свойство может оказаться решающим при необходимости обеспечить бесперебойное питание на удалённых объектах, и там, где часто происходят повреждения питающей линии. А ещё, при частых отключениях будет играть положительную роль бОльший ресурс литий-ионной батареи: 400-600 против 200 у свинцово-кислотных.Однако, решающее преимущество литий-ионных аккумуляторов при их использовании в ИБП заключается в двух возможных вариантах исполнения: силовом и энергоёмком. Таким образом, есть основания говорить про некий универсальный источник, способный защищать любое подключенное к нему оборудование.



Силовой вариант исполнения предполагает отдачу большой мощности за короткий промежуток времени. ИБП на литий-ионной батарее может обеспечить работы мощного оборудования в течении 1-2 минут, разрядившись при этом до 20%.

В энергоёмком режиме аккумулятор будет запитывать подключённые к нему устройства небольшой мощности в течении относительно длительного промежутка времени. Соответственно, за то же время расход ёмкости составит примерно 20%.

В силу химико-технологических свойств кислотно-щелочных аккумуляторов они могут работать исключительно в энергоёмком режиме. Конечно, именно он на практике самый востребованный, но случаи бывают разные.

Высокая энергоёмкость литий-ионных аккумуляторов приводит к тому, что при прочих равных условиях они будут меньше и легче. Конечно, в условиях дома или офиса на 3-4 человек, где реальная необходимость в ИБП исчисляется в единицах изделий, это не особо существенно (хотя, как сказать?), но даже для небольшого предприятия выигрыш получится ощутимым.
Во-первых, лишнего места никогда не бывает. Во-вторых, и размер, и вес — это стоимость транспортировки.

Что касается рабочей температуры, то она находится в диапазоне от 0°C и до 40°C. Таким образом, использование этих батарей в ИБП объективно не требует дополнительного охлаждения, однако не стоит забывать, что чем комфортнее температурный режим, тем больше будет ресурс батареи, так и самого ИБП, а также оборудования, которое от ИБП запитано.

Обычные потери энергии в литий-ионных батареях вдвое меньше, чем в свинцово-кислотных. И это без учёта возможных отключений электропитания, в течении которого происходит разрядка аккумулятора с последующей его зарядкой.

В течении 10 лет использование свинцово-кислотного аккумулятора предполагает примерно две его замены. В то время как для литий-ионной батареи этот показатель может быть равен нулю. Если добавить к стоимости самого оборудования неизбежные при этом организационные затраты, то Li-Ion позволяет сэкономить приличные деньги.

Особенности литий-ионных аккумуляторов

Наиболее высокие эксплуатационные показатели литий-ионных батарей достигаются при соблюдении ряда условий. В частности, они не обладают «эффектом памяти», поэтому их разрядка «в ноль» нецелесообразна и даже нежелательна — оптимальное значение для хранения составляет примерно 40% заряда. На практике это означает, что зарядка аккумулятора может производиться по мере необходимости без всякого для неё ущерба.

Чрезмерной зарядки литий-ионных аккумуляторов также допускать не следует. Дело в том, что внедряемые в кристаллические решётки электродов ионы лития постепенно изменяют их состав. Таким образом, при слишком высоком (как и при слишком низком) заряде слишком много ионов лития находится в аноде или катоде, что приводит к деградации элемента и сокращению срока его службы.

Главный вопрос — безопасность. Действительно, в своё время Samsung Galaxy Note 7 наделал много шума и в прямом, и в переносном смыслах. К тому же, горящий даже в воде литий всё-таки смущает рядового пользователя, поэтому тут следует основательно разобраться.

Прежде всего, литий-ионные аккумуляторы содержат не металлический литий, а его ионы, которые химически менее активны. Таким образом, возможные причины самовозгорания таких батарей не отличаются оригинальностью: физические повреждения или перегрев. Очевидно, что никакой литий-ионной специфики тут не наблюдается.

Тем не менее, из-за более высоких удельной энергии и температурной чувствительности при ненадлежащих условий эксплуатации литий-ионные батареи потенциально способны быстрее достичь состояния термической нестабильности. Таким образом проблема безопасности решается посредством использования надёжных материалов и эффективной системы управления, о которой пойдёт речь ниже.

К тому же, следует принять во внимание, что сегодня количество выпускаемых литий-ионных аккумуляторов исчисляется миллионами, поэтому всегда есть вероятность технического брака или некачественного исполнения. При покупке ИБП необходимо ориентироваться на известных производителей с подтверждённой репутацией, которые тщательно относятся к тестированию своего оборудования и выбору поставщиков комплектующих.

Как решение, Литий-ионная батарея для ИБП, дороже свинцово-кислотной. Причина по большей части в том, что литий-ионная батарея в обязательном порядке подразумевает сложную систему управления, которая отвечает в первую очередь за безопасность использования данной батареи, за мгновенное отключение в случае если какой-то из параметров выйдет из допустимого диапазона и во вторую очередь за обеспечение наилучших условий эксплуатации батареи: как часто и каким током заряжать, сколько процентов ёмкости должно остаться должно остаться при полном разряде, прогнозирование оставшегося срока службы и всё это учитывая большое количество параметров. В ИБП со свинцово-кислотными аккумуляторными батареями так же есть система управления батареей, но устроена она намного проще в виду меньшей энергоёмкости и более медленной реакции на изменения параметров и гораздо меньшей опасности при выходе батареи из строя.

Таким образом, главное правило, выполнение которого гарантирует безопасность литий-ионных батарей — не допускать перегрева от внешних источников тепла и механического повреждения. И естественно, не разбирать. Если ИБП установлен на удалённом объекте, нелишним будет настроить удалённый мониторинг для оперативного получния информации о событиях ИБП.

Даже поверхностный анализ свойств литий-ионных батарей заставляет сделать вывод, что их потенциал весьма велик, но это именно потенциал. Однофазные ИБП на литий-ионных батареях
В качестве примера рассмотрим источники бесперебойного питания Smart-UPS Online на литий-ионных батареях мощностью 1 кВА и 1,5 кВА. Они выпускаются как с предустановленной сетевой картой, так и без неё. Один внешний батарейный блок идёт в комплекте, а всего можно подключить до 5 блоков.

Серия состоит из четырёх моделей: SRTL1000RMXLI, SRTL1500RMXLI, SRTL1000RMXLI-NC и SRTL1500RMXLI-NC. Две последние оснащены сетевой платой.



Модели серии рассчитаны на эксплуатацию при температуре от 0°C до 40°С, рабочий режим относительной влажности составляет 0-95%. ИБП обеспечивает класс защиты IP 20.

Одна из главных гарантий устойчивой работы источника — вовремя проведённое профилактическое обслуживание. ИБП серии заблаговременно проинформируют пользователя о приближающимся окончании срока службы аккумуляторов, чтобы обслуживающий персонал успел своевременно её заменить.

Высокий уровень КПД обеспечивается в том числе и за счёт возможной настройки режима “Green mode”, что означает автоматического переключения нагрузки на байпас, если сетевое питание не нуждается в корректировке. На батарее такой режим работы не скажется, она будет продолжать находиться под контолем ИБП.

Эффективность батареи, увеличение срока её службы и надёжность повышает система интеллектуального управления. Она позволяет непрерывно контролировать текущее состояние батарей и использовать оптимальный режим их зарядки, а также продолжать подачу энергии на аккумулятор даже при выключенном устройстве.

При зарядке аккумулятора применяется режим температурной компенсации. Он позволяет регулировать зарядное напряжение в зависимости от нагрева батареи, что продлевает срок её службы и препятствует переходу в потенциально опасное состояние.

Предусмотрено экстренное отключение питания посредством функции EPO. При её активации происходит мгновенное отключение как нагрузки, так и всех силовых преобразователей, а сам ИБП автоматически переходит в режим индикации неисправностей. EPO полностью изолирует устройство от опасного сетевого напряжения, а питание источника осуществляется от сверхнизкого напряжения.

Использование литий-ионных аккумуляторов в виду высокой энергоёмкости позволяет уменьшить габариты ИБП, а также снизить вес решения, что в некоторых случаях может прийтись весьма кстати. Поскольку ИБП на базе литий-ионных батарей относятся к премиум-сегменту, комплектация устройств достаточно богатая: LCD-дисплей, две группы управляемых розеток, гнездо SmartSlot для подключения дополнительных элементов управления, последовательный порт, порт USB. Источники SRTL1000RMXLI-NC и SRTL1500RMXLI-NC дополнительно оснащены предустановленной сетевой платой, при помощи которой устройство может быть интегрировано в общую систему дистанционного управления энергоснабжением.