можно ли заменить свинцово кислотный аккумулятор на литий ионный
Смена аккумуляторов: ИБП на технологии Li-Ion
Аккумуляторные батареи (АКБ) — уязвимое звено многих систем бесперебойного питания ЦОД. Проблемы — большой вес, требующий усиления несущих конструкций помещений, где размещаются такие батареи, сильная зависимость их характеристик от температуры, что вынуждает использовать средства кондиционирования, недолговечность — быстрый выход из строя ведет к частой замене с соответствующими затратами. Все это относится к традиционным, свинцово-кислотным аккумуляторам, которые на данный момент доминируют в проектах.
Специалисты возлагают надежды на новое поколение аккумуляторов, прежде всего на литий-ионные, которые лишены многих недостатков свинцово-кислотных АКБ и имеют отличные перспективы использования в самых разных областях, включая промышленность, системы связи, центры обработки данных и пр.
За последние несколько лет цены на литий-ионные аккумуляторы значительно снизились, благодаря чему они постепенно становятся целесообразным выбором для использования в качестве ИБП для ЦОД. Анализ совокупной стоимости владения за 10 лет показывает, что литий-ионные аккумуляторы имеют на 39% меньшую TCO, чем традиционные свинцово-кислотные аккумуляторы с регулирующим клапаном (VRLA), несмотря на первоначальную разницу в цене.
Li-Ion в ИБП
Литий-ионные аккумуляторы (Li-Ion) используются в различных устройствах уже более двух десятков лет, однако в качестве аккумуляторов ИБП для ЦОД их стали применять относительно недавно, когда удалось добиться сбалансированных показателей цены, удельной энергии, мощности, безопасности и надежности. Развитие литий-ионной технологии в значительной степени стимулировалось потребностями электромобилестроения.
Промышленные литий-ионные аккумуляторы отличаются от тех, что применяются в потребительских устройствах, где чаще всего используют батареи LCO (литиево-кобальтовые) c емкостью несколько ампер-часов в корпусе из фольги. В ИБП устанавливают батареи с внутренней структурой LMO (литиево-марганцевые) с емкостью одной батареи более 60 А×ч в прочном алюминиевом корпусе. Батареи именно этого типа давно и успешно используются в электромобилях.
В такой батарее предусмотрено несколько ступеней защиты от неблагоприятных ситуаций. На разработку и обкатку подобных технологий уходит несколько лет, тогда как аккумуляторы для потребительских устройств выводятся на рынок за несколько месяцев.
Для устройств ИБП необходимы аккумуляторы, способные обеспечить большую мощность в течение 5-10 минут, то есть подачу большого тока в течение короткого промежутка времени, поддерживая при этом безопасную температуру каждого элемента. Литий-ионные аккумуляторы характеризует большая мощность на единицу веса — удельная энергия (Вт-ч/кг) и удельная мощность (Вт/кг).
Рост спроса на центральное резервирование электропитания ЦОД в Северной Америке и Европе в 2016-2025 гг., по данным отчета Bloomberg New Energy Financе. Ожидается, что к 2025 году в крупнейших центрах обработки данных (hyperscale) будет сосредоточено около 55% резервируемых мощностей.
В настоящее время литий-ионные аккумуляторы имеют, пожалуй, лишь один серьезный недостаток по сравнению со свинцово-кислотными аккумуляторами с регулирующим клапаном: капитальные затраты на одинаковое количество энергии в два-три раза больше из-за более высокой стоимости изготовления и стоимости системы управления аккумулятором. Зато достоинств у них немало.
Преимущества литий-ионных батарей
Перечислим преимущества литий-ионных батарей перед традиционными свинцово-кислотными батареями с регулируемым клапаном (Valve-Regulated Lead-Acid, VRLA) с точки зрения применения в ИБП:
По данным IMS Research, уже в 2016 году на долю систем, использующих литий-ионные элементы питания, пришлось чуть менее 10% продаж. По оценке экспертов, в ближайшие несколько лет уже порядка 30% всех ИБП будут комплектоваться литий-ионными батареями.
По данным отчета Bloomberg New Energy Finance, в 2025 году на литий-ионные аккумуляторы будет приходиться 5,6 ГВт*ч резервируемых мощностей центров обработки данных по сравнению с 8,3 ГВт*ч у традиционной технологии VRLA. Это означает, что литий-ионная технология завоюет 40% рынка всего за 8 лет.
В числе первых такие решения для своих ИБП предложила компания Schneider Electric, сотрудничающая с Samsung. Литий-ионные батареи применяются в ее ИБП Galaxy 7000, VM, VX и Symmetra MW. С 2016 года она запустила такие решения в серию.
Литий-ионные аккумуляторы Samsung. Компания Samsung SDI, лидирующая на мировом рынке аккумуляторных батарей, используемых в источниках бесперебойного питания, (ИБП) сделала ставку именно на литий-ионные решения.
Системы Schneider Electric уже установлены на более чем 20 объектах общей мощностью свыше 10 МВт*ч. Интересно, что литий-ионные ИБП применяются в проектах разного масштаба — от крупных компаний, в том числе провайдеров услуг колокации/хостинга и компаний из сегмента финансовых услуг с дата-центрами корпоративного уровня, до промышленных приложений и серверных помещений. Очевидно, что технология применима к широкому спектру сценариев.
Сравнение ИБП Galaxy 7000 с аккумуляторами Li-Ion и VRLA (данные Schneider Electric).
Новое решение Schneider Electric отвечает таким требованиям к батареям для ИБП как безопасность (полный мониторинг), высокая плотность мощности (до 35 кВтч*ч и до 230 кВТ на стойку), длительная автономная работа (в течение 5-30 минут) и большой срок службы (15 лет). В ИБП Schneider Electric используется трехуровневая система мониторинга: на уровне отдельного модуля, шкафа и системы.
Li-ion батареи в модульном решении от Schneider Electric.
В настоящее время 30% поставок аккумуляторов для ИБП обеспечивает Samsung. Литий-ионные батареи она поставляет трем крупнейшим производителям ИБП: Schneider Electric, Vertiv и Eaton, которые контролируют больше половины мирового рынка ИБП.
Новый ИБП Eaton 1500VA удваивает время автономной работы по сравнению с обычным ИБП. Благодаря новой технологии Li-Ion клиенты могут ожидать значительного снижения общей стоимости владения энергетической инфраструктурой, считают разработчики.
Свинцово-кислотные аккумуляторы против литий-ионных
Итак, благодаря более высокой энергоемкости, литий-ионные аккумуляторы не только занимают меньше площади, но и имеют более низкую массу по сравнению со свинцово-кислотным — снижается стоимость транспортировки. Однако регламентные требования транспортировки литий-ионных аккумуляторов более жесткие из-за высокой энергоемкости и активности некоторых химических составляющих.
Ресурс свинцово-кислотных аккумуляторов с регулирующим клапаном — 3–6 лет, в то время как ресурс литий-ионных может составлять более 10 лет. Замена батарей — серьезные дополнительные расходы и даже остановка дата-центра, если в его схеме энергоснабжения не предусмотрено резервирование, либо дополнительные работы, во время которых надежность питания дата-центра снижается. Устаревшие батареи необходимо вывозить и утилизировать, а на смену им устанавливать новые. Все это требует времени и средств. Использование литий-ионных батарей избавляет подобных проблем и затрат.
Быстрая скорость перезарядки и больший срок службы литий-ионного аккумулятора обусловлены как его технологией, так и наличием в его составе обязательной системы мониторинга. Она следит за состоянием каждой аккумуляторной ячейки (температура, напряжение, ток) и всего шкафа. Системой контроля литий-ионные аккумуляторы оснащены по умолчанию, так как для них необходим полный контроль зарядки и разрядки, предотвращающий превышение температуры в литий-ионных элементах.
Литий-ионные аккумуляторы и свинцово-кислотные аккумуляторы: некоторые ключевые отличия.
Поскольку литий-ионные аккумуляторы предлагают улучшенные возможности управления, включая встроенное управление на уровне ячеек, модулей и шкафов, это приводит к предсказуемой, стабильной производительности и безопасности батарей. Снижаются требования к охлаждению в центре обработки данных: литий-ионные батареи занимают меньше места и, в отличие от традиционных батарей VLRA, могут работать при более высоких температурах, не жертвуя временем автономной работы.
Все эти преимущества помогают сократить затраты, что приводит к снижению общей стоимости владения литиево-ионными ИБП с течением времени по сравнению с VLRA. Именно поэтому владельцы центров обработки данных обращают внимание на литий-ионную технологию.
Для литий-ионных аккумуляторов определенные химические решения и технологии силовых элементов обеспечивают привлекательную совокупную стоимость владения на период более 10-15 лет — типового срока службы ИБП. По данным Schneider Electric, совокупная стоимость владения за 10 лет для решения с литий-ионным аккумулятором почти на 40% ниже, чем для решения со свинцово-кислотным аккумулятором с регулирующим клапаном. Его окупаемость составляет 3,4 года, несмотря на более высокие капитальные затраты на литий-ионные аккумуляторы.
TradeOff Tool, калькулятор для сравнения литий-ионных аккумуляторов со свинцово-кислотными, позволяет изменять различные исходные данные и смотреть, какой эффект они оказывают на совокупную стоимость владения двух типов аккумуляторов.
Менять или нет?
При выборе литий-ионных аккумуляторов для устройства ИБП важно учесть несколько факторов в зависимости от того, переоснащаете вы имеющийся ИБП или покупаете новый. Предполагается, что ожидаемый срок службы ИБП составляет около 10–15 лет, ресурс свинцово-кислотного аккумулятора с регулирующим клапаном — около 3–6 лет, а ресурс литий-ионного аккумулятора — 10 лет и более. Есть три возможных сценария переоснащения свинцово-кислотных аккумуляторов ИБП: начало, середина или конец срока эксплуатации ИБП. Вот какие рекомендации дает Schneider Electric.
В начале срока эксплуатации ИБП (обычно — менее 5 лет) может иметь смысл замена свинцово-кислотных аккумуляторов на литий-ионные, так как они с большой вероятностью достигнут окончания срока эксплуатации одновременно с ИБП.
В середине срока эксплуатации замена аккумуляторов на литий-ионные может не иметь смысла с экономической точки зрения, т.к. срок эксплуатации литий-ионных аккумуляторов превысит оставшийся срок эксплуатации ИБП более чем на 5 лет. Однако, учитывая снижение цен на литий-ионные аккумуляторы, экономические факторы могут все-таки сыграть в пользу замены.
При приближении конца срока эксплуатации ИБП (более 10 лет) может иметь смысл полностью заменить ИБП на новый, использующий литий-ионные аккумуляторы. Это решение зависит от соотношения затрат на сохранение и техническое обслуживание старого ИБП (т.е. контракты на обслуживание, запчасти, т. д.) и затрат на новую систему.
Даже если литий-ионный аккумулятор будет иметь такое же номинальное напряжение, как существующий свинцово-кислотный, может потребоваться обновление программного обеспечения и аппаратной части ИБП. Это, помимо прочего, обусловлено тем, что характеристики зарядки аккумулятора могут измениться, формула продолжительности работы может отличаться, и оценка времени работы может оказаться некорректной. Кроме того, поставщику может потребоваться интегрировать систему контроля аккумуляторов в ИБП.
Например, можно внедрить литий-ионные батареи в уже приобретенное решение Galaxy 7000. Потребуются обновление прошивки модуля управления в ИБП и замена некоторых плат.
Покупка нового ИБП является самым простым сценарием при условии, что поставщик эффективно интегрировал литий-ионную технологию в ИБП. Интеграция ИБП и системы управления литий-ионными аккумуляторами значительно зависит от работы этой системы.
ИБП Galaxy VM компании Schneider Electric, укомплектованные литий-ионными батареями. Такие батареи позволяют минимизировать операционные расходы за счет большого количества (до 5000) циклов заряда-разряда и увеличенного до 15 лет срока службы. Их можно использовать и с другими ИБП Schneider Electric, в том числе с Galaxy VX мощностью от 500 до 1500 кВт.
Использование литий-ионных аккумуляторов будет очень хорошим подспорьем в снижении операционных расходов на системы бесперебойного питания. Между тем, остается значительная часть рынка, которая по-прежнему будет продолжать использовать технологию VRLA, да и технология свинцово-кислотных аккумуляторов также совершенствуется.
Vertiv, ранее Emerson Network Power, объявила о пополнении линейки систем бесперебойного питания, совместимых с литиево-ионными АКБ. ИБП Liebert EXM 480V (50-250 кВт/кВА) с литиево-ионными батареями расширяют возможности хранения энергии в ЦОД среднего размера.
Однако литий-ионные системы станут еще шире применяться в крупных центрах обработки данных, подобных тем которые принадлежат интернет-гигантам, таким как Amazon, Facebook и Google, где даже незначительный выигрыш в потреблении энергии и эффективности использования пространства означает огромную экономию.
Применение свинцово-кислотных и литий-ионных аккумуляторов
«Другие» приложения для литий-ионных аккумуляторов, как правило, имеют одну общую черту – это устройства, которые получают питание от запечатанных свинцово-кислотных батарей (англ. sealed lead acid (SLA)). За последние почти 200 лет свинцово-кислотные батареи заняли лидирующую позицию на рынке электроники, но они вот уже несколько лет вытесняются с рынка литий-ионными аккумуляторами. Поскольку во многих случаях литий-ионные батареи стали заменять свинцово-кислотные батареи (аккумуляторы), стоит сравнить эти два вида накопителей энергии, подчеркнув основные технические особенности и экономическую целесообразность применения Li-ion вместо традиционных SLA устройств.
История применения аккумуляторных батарей
Свинцово-кислотная батарея – первая перезаряжаемая батарея, разработанная для коммерческого использования в 1850-х годах. Несмотря на довольно приличный возраст в более чем 150 лет, они по-прежнему активно применяются в современных устройствах. Более того, они активно применяются в приложениях, где, казалось бы, вполне возможно обойтись современными технологиями. Некоторые распространенные устройства вполне активно применяют СКБ, такие как источники бесперебойного питания (ИБП), гольфкары или вилочные погрузчики. Удивительно, но рынок свинцово-кислотных аккумуляторов по-прежнему растет для определенных ниш и проектов.
Первое, довольно ощутимое нововведение в свинцово-кислотную технологию пришло в 1970-е годы, когда были изобретены герметичные СКБ или необслуживаемые СКБ. Данная модернизация состояла в появлении специальных клапанов для стравливания газов при зарядке/разрядке аккумуляторов. Кроме того, применение увлажнённого сепаратора сделало возможным эксплуатировать аккумулятор в наклонном положении без протеканий электролита.
СКБ, или англ. SLA, часто классифицируют по типу или применению. В настоящее время наиболее распространенными являются два типа: гель, известный также как свинцово-кислотная батарея с регулируемым клапаном (valve-regulated lead acid (VRLA)) и абсорбирующий стеклянный мат (absorbent glass mat AGM). Аккумуляторы AGM используются для небольших ИБП, аварийного освещения и инвалидных колясок, в то время как VRLA предназначается для приложений более крупного формата, таких как резервное питание для сотовых ретрансляционных мачт, интернет-центров и вилочных погрузчиков. Свинцово-кислотные аккумуляторы также можно классифицировать по следующим признакам: автомобильные (стартер или SLI — запуск, освещение, зажигание); тяговые (тяга или глубокий цикл); стационарные (источники бесперебойного питания). Основным недостатком SLA во всех этих приложениях является жизненный цикл — если они многократно разряжаются, они сильно повреждаются.
Удивительно, но свинцово-кислотные аккумуляторы были бесспорными лидерами рынка аккумуляторных батарей в течении многих десятилетий, вплоть до появления литий-ионных батарей в 1980-х годах. Литий-ионная батарея представляет собой перезаряжаемую ячейку, в которой ионы лития движутся от отрицательного электрода к положительному во время разряда, и наоборот во время заряда. Литий-ионные аккумуляторы используют интеркалированные литиевые соединения, но не содержат металлического лития, который используется в одноразовых батареях.
Литий-ионный аккумулятор впервые был изобретен в 1970-х годах. В 1980-х на рынок была выпущена первая коммерческая версия батареи с катодом на основе оксида кобальта. Данный тип устройств имел значительно большие возможности по весу и емкости, по сравнению с системами на никелевой основе. Новые литий-ионные аккумуляторы способствовали огромному росту рынка мобильных телефонов и ноутбуков. Первоначально, из-за соображений безопасности, вводились более безопасные варианты, которые включали добавки на основе никеля и марганца в кобальт-оксидный материал катода, в дополнение к инновациям в строительстве клеток.
Первые литий-ионные элементы, представленные на рынке, были в жестких алюминиевых или стальных банках, и, как правило, имели только несколько форм-факторов цилиндрической или призматической (форма кирпича) формы. Однако, с расширением спектра применения литий-ионной технологии начали изменяться и их габаритные размеры.
Например, менее дорогие версии более старой технологии применяются в ноутбуках и сотовых телефонах. Современные тонкие литий-полимерные элементы используются в смартфонах, планшетах и носимых устройствах. В настоящее время литий-ионные аккумуляторы используются в электроинструментах, электрических велосипедах и других устройствах. Такая вариация предвещает полную замену свинцово-кислотных устройств во все новых и новых приложениях, направленных на улучшение габаритных и силовых показателей.
Химические особенности
Фундаментальные основы химических процессов в ячейках придают свинцово-кислотным и литий-ионным устройствам определенные свойства и различные степени функциональных возможностей. Ниже приведены некоторые преимущества свинцово-кислотных аккумуляторов, которые сделали его основным в течении десятилетий и недостатки, которые теперь приводят к его замене, а также подобные аспекты для литий-ионных устройств.
Свинцово-кислотная батарея
Литий-ионная батарея
Электроника
Важно понимать различие между батарейным блоком и аккумулятором. Ячейка – основной составной элемент пакета. Помимо этого, в пакет еще входит электроника, разъемы и корпус. На рисунке выше показаны примеры данных устройств. Литий-ионная аккумуляторная батарея должна иметь, как минимум, реализованные схемы защиты и управления ячейкой, а зарядное устройство и система измерения напряжения гораздо сложнее, чем в свинцово-кислотных устройствах.
При использовании литий-ионных и свинцово-кислотных аккумуляторов, основные отличия в электронике будут заключаться в следующем:
Зарядка
Зарядка свинцово-кислотного аккумулятора довольно проста при соблюдении определенных порогов напряжений. В литий-ионных батареях используют более сложный алгоритм, за исключением пакетов на основе фосфата железа. Стандартный метод заряда для таких устройств – метод постоянного тока / постоянного напряжения (CC / CV). Он включает в себя двухэтапный процесс зарядки. На первом этапе происходит заряд с постоянным током. Длится это до тех пор, пока напряжение на ячейке не достигнет определенного порога, после чего напряжение остается постоянным, а ток снижается по экспоненциальному закону, пока не достигнет значения отсечки.
Подсчет заряда и связь
Как упоминалось ранее, заряд СКБ можно измерять простыми средствами измерения напряжения. При использовании литий-ионных аккумуляторов необходим контроль уровня заряда ячеек, для чего необходима реализация сложных алгоритмов и циклов обучения.
I 2 C является наиболее распространенным и экономичным протоколом связи, используемым в литий-ионных аккумуляторах, но он имеет ограничения в отношении помехоустойчивости, целостности сигнала на расстоянии и общей полосы пропускания. SMBus (шина управления системой), производная от I 2 C, очень распространена в батареях меньшего размера, но в настоящее время не имеет какой-либо эффективной поддержки для мощных или более крупных пакетов. CAN прекрасно подходит для сред с высоким уровнем шума или там, где требуются длительные прогоны, например во многих СКБ-приложениях, но это стоит довольно дорого.
Прямые замены
Следует подчеркнуть, что ныне существует несколько стандартных форматов свинцово-кислотных батарей. Например — U1, стандартный форм-фактор, используемый в приложениях резервного питания медицинского оборудования. Литий-железо-фосфатный аккумулятор оказался вполне достойной заменой свинцово-кислотным. Фосфат железа обладает замечательным жизненным циклом, хорошей проводимостью зарядов, улучшенной безопасностью и низким импедансом. Напряжения литий-железо-фосфатных аккумуляторов также хорошо согласуются с напряжениями свинцово-кислотных (12 В и 24 В), что позволяет использовать одни и те же зарядные устройства. Программные пакеты для обслуживания и контроля батарей включают в себя интеллектуальные функции, такие как отслеживание заряда, счетчик циклов заряда/разряда и другие.
Литий-железо-фосфатные батареи сохраняют 100% емкости при хранении, в отличие от СКБ батарей, которые теряют емкость в течение нескольких месяцев хранения. На рисунке выше сравниваются два продукта и типы достижений, достигнутых при переходе от СКБ к Li-ion.
Выводы
Очень мало существует батарей, которые способны хранить столько же энергии, как свинцово-кислотные, что делает данный вид аккумуляторов экономически выгодным для многих мощных устройств. Литий-ионная технология постоянно снижается в цене, а также постоянные совершенствование их химических структур и систем безопасности делает их достойным конкурентом свинцово-кислотной технологии. Устройства для их применения могут быть самые различные, начиная от устройств бесперебойного питания, до электромобилей и беспилотников.
Как переделать кислотно-свинцовый аккумулятор 12 В в литий-ионный
Кислотно-свинцовые батареи не столь емки и долговечны как этого бы хотелось. Один из плюсов их применения в мототехнике это работа при низких температурах. Но обычно скутеры и мопеды, где применяются подобные АКБ в зимнее время и не эксплуатируются. Поэтому, при выходе из строя вашего кислотного АКБ его запросто можно переделать на литий-ионный повышенной емкости.
Понадобится
Переделка кислотного аккумулятора в литий-ионный своими руками
Вскрываем верхнюю крышку аккумулятора при помощи отвертки.
Убираем все газоотводные колпачки. Корпус обычно сварен из двух пластиковых половин. По шву распиливаем АКБ ножовкой.
Длаее, очень аккуратно, не прикасаясь руками и работая в защитных очках, удаляем все содержимое из секций.
Утилизируем их соответствующим образом. Корпус вымоем с моющим средством. Срежем все перегородки кроме последней. В ней будет располагаться контроллер зарядки. Это очень удобно, что батареи будут отделены перегородкой от электроники.
Размещаем 4 батареи, проверяя как они встанут на месте.
Чтобы все вошло пришлось вырезать в крышке паз. Он все равно будет закрываться заглушкой.
Берем контроллер зарядки на 30А для 4 аккумуляторов.
Он полностью будет контролировать не только зарядку каждого АКБ, но и разрядку. Схема включения такова:
Батареи соединяем последовательно.
Общий вывод на толстых проводах.
Делаем отводы от каждого соединения батарей и припаиваем к контроллеру.
От контроллера припаиваем выводы.
Устанавливаем батареи в корпус. Контроллер помещаем в отдельный отсек. Припаиваем провода к клеммам АКБ.
Закрываем крышку, фиксируем суперклеем.
Ставим заглушку наместо.
Заряжаем до полной емкости.
Устанавливаем на скутер.
Все отлично работает.
Двигатель запускается, вся электроника в порядке.
Емкость АКБ до переделки была 4 А/ч. Сейчас же при использовании литиевых аккумуляторов емкость возросла до 5 А/ч.