Акумуляторні батареї для різних галузей

Акумуляторні батареї (АКБ) активно споживаються більшістю галузей промисловості і просто людської діяльності. Без АКБ немислимі сьогодні енергетика, телекомунікації і транспорт. Величезний пласт використання АКБ становить робота обчислювальної техніки, систем передачі даних за участю джерел безперебійного живлення (а це промислові підприємства, офіси, банки, державні і наукові установи, ЦОД, і взагалі практично будь-які виробничі ділянки, де присутні комп'ютери). Масштабно експлуатуються сьогодні АБ в приватному житловому секторі. Ми вже не говоримо про міні-акумулятори, що живлять незліченне сімейство усіляких мобільних пристроїв. Одним словом - без батарей нікуди.

На базі стійкого попиту і саме виробництво акумуляторних батарей давно вже стало самостійною галуззю. Тисячі підприємств в світі щодня видають «на-гора» мільйони одиниць «консервованої електрики». І серед цього розмаїття вже не так-то просто часом зробити правильний вибір. Конструкцій АКБ сьогодні безліч, і в кожної є свої тонкощі і премудрості.

Основні види акумуляторних батарей

Перш ніж говорити про види акумуляторних батарей, варто домовитися про поняття. По суті, «акумулятор» і «акумуляторна батарея» - одне й те саме. Якщо підходити суворіше, то акумулятором називають одиничний елемент тої чи іншої напруги (пара електродів з електролітом), а батареєю - кілька таких елементів, з'єднаних між собою. На практиці зазвичай ми маємо справу з батареями, хоча називаємо їх акумуляторами.

Як ми сказали раніше, світ акумуляторів - це безкрає море, однак серед них розрізняють три основних види - свинцево-кислотні, нікель-кадмієві (варіант - нікель-залізні метал-гидридні) і літієві. Назви відображають відмінності активних матеріалів в конструкції. Свинцево-кислотні - зі свинцевими пластинами і кислотним електролітом, у нікель-кадмієвих - одна пластина містить нікель, а інша - кадмій (іноді залізо), електролітом тут виступає луг. В літієвих батареях застосовується твердий електроліт, а в вигляді електродів - літій (негативний потенціал) та інші матеріали (нерідко полімерного походження).

Електрохімічні процеси, які відбуваються в батареї, в залежності від матеріалів забезпечують характеристики АКБ і їх властивості для електроживлення. Важливий електричний параметр - це напруга елемента, яка може змінюватися в межах від 1 до 3,6 В. Ще один ключовий параметр - ємність (запас енергії, який може живити навантаження з певною силою струму протягом певного часу, вимірюється в ампер-годинах - Аг). Ще один важливий параметр, який ми будемо часто згадувати, - кількість циклів заряду-розряду, що безпосередньо пов'язана з терміном служби АКБ. Безумовно, мають значення і інші параметри: діапазон робочих температур, глибина розряду, значення струмів заряду і розряду.

Найпоширеніші акумулятори на сьогоднішній день - це свинцево-кислотні (СК). Вони характеризуються відносною простотою і доступністю. При виготовленні СК використовуються відносно недорогі матеріали: свинець в якості електродів і розчин сірчаної кислоти. Стандартний елемент має напругу 2 В, а діапазон ємностей АКБ варіюється в діапазоні від часток Аг до тисяч Аг. Такі АКБ широко застосовуються в якості стартерних в автомобілі. Промислові моделі зазвичай відрізняються по виконанню і характеристикам.

Нікель-кадмієві (НК) акумулятори відносяться до групи лужних. Тут одна пластина містить гідроокис кадмію, інша - гідроокис нікелю. Активний матеріал у вигляді порошку запресований в пластини, що представляють собою решітчату або перфоровану структуру Перфорація забезпечує обмін зарядами через електроліт. Втім, бувають і інші варіанти конструкції, наприклад, з так званими «спеченими електродами».

Акумулятори НК відрізняються високою надійністю. Однією з головних їхніх переваг - низька чутливість до перепадів температур, в чому вони перевершують свинцево-кислотні. Тому для роботи в особливих кліматичних умовах, низьких і високих температурах вибираються саме НК. Вони невибагливі, не бояться глибокого розряду, перезарядження, вони не можуть раптово вийти з ладу, що іноді трапляється з акумуляторами СК. Як наслідок, і термін служби добре зроблених НК помітно перевершує стандартний термін служби для СК в півтора-два рази - 15-25 років проти 5-10-ти. Відповідно НК і коштують дорожче.

Безпосередньо до групи НК примикає і їх підвид - нікель-залізні АКБ, але їх ріднить хіба що слово «нікель», сама технологія і близька стійкість до температур. А в іншому це зовсім інший клас пристроїв, з більш низькими характеристиками. І по надійності поступаються НК, низький ККД, великі втрати, складні в обслуговуванні. Ще недавно вважалося, що це вже застаріла конструкція і використовується головним чином на пострадянському просторі через відносну дешевизну і усталеною традицією. Однак, за останніми відомостями, інтерес до нікель-залізних АКБ відродився, і причому навіть не в нашій країні, а саме за кордоном. Причина - простота утилізації, екологічність. До слова, і сама технологія модернізувалася.

Ще один різновид АКБ - це літієві батареї, перш відомі всім головним чином по батареям в мобільних телефонах або в ноутбуках. Раніше в серйозних потужних системах літій-іонні акумулятори не застосовувалися через дорожнечу. Однак в останні кілька років все рішуче змінилося. По-перше, літієві батареї майже зрівнялися за вартістю з традиційними АКБ (з НК практично зрівнялися, і лише вдвічі дорожче СК). А по-друге, як з'ясувалося, літій-іонні (точніше, літій-залізо-фосфатні) акумулятори перевершують всі інші за всіма статтями. Який параметр не візьми, будь-то температурний діапазон, ресурс служби, стійкість до глибоких розрядів - всюди вони кращі. Додамо сюди ще кращий показник питомої енергії, що запасається, тобто максимальний запас енергії в мінімальному обсязі - і стане ясно, що за цими АКБ майбутнє. Сьогодні вони в основному використовуються в електромобілях, але вже поступово завойовують місце і в інших сферах. Особливо цікавий напрямок альтернативної енергетики..

Про параметри докладніше

Якого б типу не були АКБ, їх якість і можливості описуються одними і тими ж параметрами. Головні з них - це напруга і ємність. Суть ємності полягає в тому, скільки струму протягом певного часу (при заданій напрузі) здатна віддати батарея до свого мінімуму розряду. Тому вимірюється ємність в ампер-годинах. Ємність АКБ зазвичай прив'язують до часу, тому на виробі можна зустріти позначки: С5, С10 або С20. Найбільшу абсолютну ємність АКБ мають при тривалому розряді в стаціонарному режимі. Ємність при віддачі за короткий час менше.

Значення ємності багато в чому залежить від температури експлуатації. Номінальна ємність нормується для кімнатної температури, при підвищенні температури ємність зростає, при зниженні - падає, причому дуже швидко, експоненціально (уповільнення хімічних процесів). Скажімо, на нульовий температурної позначки в залежності від струму ємність може впасти на 50-70% для різних типів АКБ. Найчутливіші в цьому плані свинцево-кислотні АКБ: робочий температурний діапазон для них - від -30 до +40°С, а самі стійкі нікель-кадмієві та літієві - від -40-50 до + 50-60°С. Перевищення цих норм, особливо в бік тепла, призводить до різкого скорочення термінів служби.

Ємність залежить від тривалості заряду, і у кожної АКБ такий час задано. Зазвичай вони заряджаються кілька годин, наприклад, свинцево-кислотні в залежності від способу заряду можуть заряджатися від 8 до 48 годин. Нікель-кадмієві можна зарядити до 90% за кілька годин, а літієвим для повного заряду достатньо буде і години (а для деяких типів літієвих батарей - і 20 хвилин).

Ще один важливий параметр - термін служби. Зазвичай за норму приймається розрахунковий термін служби АКБ в режимі буферної підзарядки (коли акумулятор постійно підключений до джерела постійного струму). Тобто вони періодично знаходяться в цьому режимі і іноді, час від часу розряджаються. У свинцево-кислотних, наприклад, такий термін становить 3-5 років, але може бути і 10-15, у найбільш просунутих - 8-20 років, є й інші, які служать ще більше. Все залежить від виконання АКБ, від технології і, від складу активних матеріалів, від якості матеріалу, добавок. Чистота матеріалу - це дуже важливий фактор, оскільки перероблений свинець рафінувати до нескінченності неможливо, змінюється структура матеріалу, і термін служби різко знижується. На жаль, в Україні така продукція може іноді зустрічатися.

Найбільш довговічні АКБ свинцево-кислотного типу - це АКБ з суцільного свинцю. Так звані елементи Планте, або як їх зараз називають GroE, можуть служити і 20, і 30 років.

Обслуговувані і герметизовані

АКБ бувають такими, що потребують обслуговування, малообслуговувані і необслуговувані. Обслуговування - це постійний контроль рівня електроліту і час від часу долив в акумулятор дистильованої води. Відзначимо, що при розряді АКБ вода не просто випаровується, а відбувається дисоціація, її розкладання на водень і кисень. Випаровування відбувається зазвичай через спеціальний фільтр пробки, яка захищає від випаровування аерозолів, пари, і від проникнення іскри всередину.

Літієві - за визначенням не обслуговуються. НК, як правило, обслуговуються. СК теж можуть бути обслуговуваними, і такі батареї називаються обслуговуваними АКБ вентильованого типу. Вентильовані батареї зазвичай встановлюються в окремих акумуляторних приміщеннях з серйозною вентиляцією. Їх потрібно обслуговувати, періодично доливати воду в електроліт вимірювати щільність, випробовувати. І такі батареї ще в недавній час становили більшість.

Разом з тим ті ж типи АКБ можуть бути і необслуговуваними. НК, наприклад, які обслуговуються за визначенням, але є різновиди НК, які в певних режимах можуть і не обслуговуватися. Тобто не вимагають доливання протягом тривалого терміну, часом десятиліть.

Як ми вже відзначили раніше, в процесі розряду на різних пластинах виділяється водень і кисень, і якщо їх перетворювати назад в воду, не дозволяючи випаруватися, то АКБ не мають потреби в обслуговуванні. Такий метод називається рекомбінацією, і найчастіше за все використовується в СК акумуляторах (т.зв. батареї рекомбінаційного типу).

Щоб кисень і водень НЕ зникали, а обов'язково зустрічалися і об'єднувалися в молекули води, їм створюються спеціальні умови. Для цього електроліт роблять загашеного типу, додаючи в розчин сірчаної кислоти силіконові добавки. Таким чином, електроліт у вигляді гарної сметани або гелю (желе) знаходиться між пластинами, не заповнює інші обсяги і являє собою такий собі бутерброд. При дифузії ці частинки газів витрачають більше часу, щоб вилетіти назовні, грузнуть в гелі, і ймовірність зустрічі підвищується і народжується молекула води. Так відбувається рекомбінація, а такі АКБ називаються гелевими. Відзначимо, що АКБ цього типу можуть працювати в будь-якому положенні: на боці, навіть догори ногами - з них нічого не випливає.

Але найвдалішим представником в сімействі герметичних батарей вважаються так звані AGM батареї. Тут простір між пластинами заповнюється пористою губчастою речовиною, зазвичай це стеклокапіллярний матеріал, серветка зі скловолокна, яка насичується електролітом (тільки електроліт тут більш рідкий). За рахунок довгого шляху, який кисню і водню потрібно проробити по лабіринтах цієї губки, рекомбінація виходить ще ефектніше, ніж в гелі. Ось чому ці АКБ і називаються AGM - Absorbent Glass Mat, або абсорбція в скловолоконному матеріалі.

Ці АКБ мають вищий коефіцієнт рекомбінації, втрати води дуже незначні, при нормальних умовах зарядки коефіцієнт рекомбінації перевищує навіть 99% при нормальних умовах заряду і розряду. Здавалося б, служити йому і служити, але насправді гази потроху стравлюють. Для цього є клапан, який являє собою мембрану, розраховану на певний надлишковий тиск, щось типу ніпеля, тільки навпаки.

Власне, поступове дуже повільне викидання газів і веде до кінцевої точки служби. Обслуговування неможливо, доливати воду нікуди, так вже вона влаштована.

Кожна з цих АКБ має свою сферу застосування. АКБ з рідким електролітом звичайної щільності в силу кращої в цьому середовищі рухливості носія заряду мають кращі динамічні характеристики, тобто швидкість заряду-розряду.

Гелеві бажано застосовувати в системах, що мають стаціонарний тривалий розряд, і точно так само неспішно можуть заряджатися, тому що заряд великим струмом веде до їх руйнування.

Гелеві АКБ мають досить сильний плюс - більший циклічний ресурс. Якщо говорити про глибокий розряд, то гелеві глибокого заряду і розряду можуть забезпечити вдвічі, а то і втричі циклів більше. Гелеві можуть мати 500-600 циклів, a AGM - 250-300 (є винятки), причому пристрої приблизно одного рівня за якістю. Через свій потенціал циклічності гелеві АКБ і коштують дорожче.

Втім, на сьогодні вже є AGM акумулятори, здатні забезпечити 600 і більше циклів глибокого розряду (наприклад, АКБ ТМ EverExceed). Обслуговувані АКБ можуть мати ресурс ще вище.

Скромна привабливість літієвих батарей

Технологія літієвих батарей отримала такий розвиток, що загрожує залишити за спиною більш традиційні АКБ, перш за все свинцево-кислотні в зв'язку з масою переваг і зменшеною ціною. Якщо п'ять років тому літієві батареї були раз в шість дорожче аналогічних свинцево-кислотних, то зараз можна говорити тільки про дворазове перевищення ціни.

Літієві батареї застосовуються вже не тільки в електромобілях, а й телекомунікаціях, джерелах безперебійного живлення, системах резервного живлення і в альтернативній енергетиці, де потрібен великий циклічний ресурс батарей.

Все більше постачальників додають до свого асортименту літієві батареї. Коли тільки в два рази дорожче і ціле віяло переваг, споживач вже прихильно дивиться на цей товар.

Чим же гарні літієві батареї конкретно? Термін служби літієвих батарей на сьогодні на позначці 15 років. У свинцево-кислотних очікуваний термін служби, у батарей середньої місткості, 30-300 Аг, - 10-12 років. Але в реальних умовах, з поправкою на умови експлуатації, з урахуванням людського фактора, цей термін служби зазвичай 7-8 років. У літій-іонних - 15.

Циклічний ресурс у свинцево-кислотних, найгарніших, найбільш поширених, зазвичай в межах декількох сотень циклів глибокого розряду, максимум 600-700. У літієвих батарей - 4000 циклів.

Конструкція літій-іонних батарей

Літієві батареї абсолютно іншого типу, ніж СК. По-перше, вони керовані на програмному рівні, вони не можуть працювати без блоку управління BMS. По суті, це комп'ютер, який відстежує всі параметри, стежить за зарядкою, припиняє розряд, фіксує параметри опору - і все це транслює на монітор. Звичайні батареї - це взагалі чорний ящик, там важко навіть визначити, з якої причини батарея вийшла з ладу, чому втратила ємність. Тут же ми все бачимо, можемо подивитися історію, скільки циклів розряду пройшла батарея.

Форма літій-іонної акумуляторної батареї на автомобілі KIA Motors

Літієві батареї збираються з маленьких елементів, схожих на пальчикові батарейки або патрони. Завдяки такому модульному виконанню батареї можуть приймати самі незвичайні форми різних розмірів, заповнюючи порожнечі. А можуть зберігати і традиційну форму, властиву звичним АКБ. У електромобілі конструкція неправильної форми уздовж днища набита цими касетами. Для телекомунікацій - стійкове виконання 19¨.

Літій-іонні акумулятори легше і компактніше. Що ще? Швидка зарядка, великі струми розряду, висока щільність енергії (Втг/кг), робота в широкому t-діапазоні ... Для повного переліку достоїнств немає місця.

Літієва батарея EverExceed в телекомунікаційній стійці

Призначення акумуляторів

Будучи джерелом автономного та резервного живлення акумуляторні батареї широко використовуються в різних сферах життя, і, звичайно, в промисловості. У різних галузях АКБ покликані виконувати різні завдання. І для кожної галузі є найбільш підходящий тип батарей.

В енергетиці акумуляторні батареї застосовуються дуже широко. У величезному господарстві електростанцій, підстанцій, систем різної автоматики, механіки стеження обов'язково присутні батареї. У багатьох виробничих процесах АКБ несуть місію безпеки і резервного живлення. Подача масла насосами на підшипники в генераторі - безперервний процес, який не повинен перериватися. І тут потрібна АКБ для резервування живлення. Причому підійде батарея будь-якого типу, тому що якихось великих поштовхових струмів тут не потрібно.

А ось при аварійних включених потрібні великі пускові, відштовхувальні струми, короткочасні, які тривають частки секунди, включення - і струм закінчується. Тут стануть в нагоді свинцево-кислотні акумулятори типу GrоЕ.

Варто додати, що в наші дні в енергетиці все частіше застосовують стаціонарні необслуговувані акумулятори герметизованого типу АGМ, хоч дорогу ці сучасні рішення в консервативному енергетичному середовищі пробивали з працею. Доводилося чути від постачальників досаду на прихильність до старих наливних систем саме в енергетиці.

В телекомунікації (мобільні оператори, системи фіксованого зв'язку) використовуються, як правило, стаціонарні СК акумулятори, тому що в телекомунікації використовується тривалий стаціонарний розряд і не потрібні динамічні режими. Важливий параметр тут - термін служби. На ділянках, де можливий глибокий розряд, встановлюються СК з трубчастими пластинами типу OPzS або OPzV, що володіють, до речі, солідним ресурсом циклічного розряду - 1500 циклів.

В системах, де навантаження невелике, де потрібна ємність десятками або невеликими сотнями ампер-годин, використовуються герметичні акумулятори типу АGМ, рідше гелеві. В телекомунікації в шафах з обладнанням рідко хто застосовує якісь інші акумулятори, окрім герметизованих, критеріями їх підбору можуть бути хіба що ємність і напруга. За габаритними розмірами вони уніфіковані і зручно влаштовуються в шафах електроживлення, в джерелах безперебійного живлення, поруч з чутливою електронікою.

На транспорті також роль АКБ важко переоцінити. На залізниці батареї служать для резервування функцій включення-відключення, в локомотивах, електропоїздах і тепловозах, а також для автономного живлення в вагонах. На ходу вагон живиться від генератора, і він же заряджає ці акумулятори, а на стоянці ці АКБ дають освітлення, вентиляцію, кондиціювання в вагони. На залізниці застосовуються як свинцево-кислотні, так і нікель-кадмієві, і нікель-залізні, причому останні, лужні, частіше.

На міському електротранспорті зазвичай в роботі нікель-кадмієві, там сильні вібрації, низькі-високі сезонні температури, там СК не витримає. АКБ на електротранспорті можуть виконувати кілька функцій, наприклад, в метро - резервування відкривання дверей і роботи автоматики, в трамваї - електромагнітне гальмо, такий черевик, який притягається під напругою до рейок і гальмує.

Гальмівний башмак трамвая АКБ

На промислових підприємствах прикладів застосування АКБ не перелічити. На кожному великому заводі є свої підстанції, ДБЖ, система аварійного живлення. Тому застосування - дивіться вище.

Близькі до електротранспорту, наприклад, шахти. Там рідко буває контактна мережа (небезпечно по газу, по пилу), тому вугілля вивозиться електровозами з вагонетками, яким надають рух тягові АКБ.

Традиційно в шахтах застосовуються нікель-залізні АКБ і нікель-кадмієві, але вже кілька років в шахтах в рухомому електротранспорті працюють і свинцево-кислотні. Теж тягові, які мають хороші показники і дешевші (нікель-кадмієві по надійності і безпеки вище, але вони дорожче вдвічі-втричі).

Чи то до промисловості, то чи до транспорту можна віднести вантажно-розвантажувальний парк. Це теж дуже велика сфера: склади, магазини, логістичні центри, заводи, тут в основному використовуються кислотно-свинцеві тягового призначення з трубчастими пластинами (а сьогодні вже і літієві). До тягових акумуляторів підвищені вимоги по механічній стійкості. Також вони повинні бути стійкі до циклічного режиму дня: день розряджаються, вночі заряджаються; і якщо це хороший тяговий акумулятор на 1500 циклів, і ми маємо на увазі 250 робочих днів, то вистачить його на 6 років.

АКБ для автонавантажувача

Приватний сектор. Тут системи безпеки, сигналізації, це будь-який кіоск, магазинчик і приватна сигналізація в будинках. Тут застосовують АКБ АGМ-типу, невеликої ємності, 5-20 Ач.

Коли люди хочуть зарезервувати собі якісь системи, наприклад, газові котли з власною системою прокачування і електроприводом - тут потрібні АКБ АGМ типу великої місткості, можна гелеві, якщо грошей більше.

Об'єкти малого бізнесу. Зазвичай це ДБЖ. Але ті, що застосовуються в банках, офісах, зазвичай розраховані на нетривалий час роботи, на 5-10 хв, рідко на годину. Як правило, такі ДБЖ можуть працювати тільки від батареї обмеженою ємності.

 

Для житла такі джерела безперебійного живлення є неприйнятними, вони зашивають найважливіші функції на короткий час. Для житла потрібно думати про великий часу резервування. Тут потрібно дуже потужне зарядний пристрій, здатний підтримувати АКБ дуже великої місткості, забезпечуючи багатогодинну автономність, може, добову.

 

Завершуючи цей невеликий огляд, слід сказати, що світ акумуляторів безкрайній, і існує безліч варіацій, як всередині самих технологій, так і в окремих виробників. Знайомство з фірмовими тонкощами ми продовжимо в наступному матеріалі.

 

Підготував Євген ПОЛІЩУК

 

Висловлюємо велику подяку за проведене інтерв'ю і предосатвленние матеріали журналу «Україна-Електро» (http://ua-electro.com)