+7 (812) 777-0-687

Батареи

CENTEC Аккумуляторы высокой ёмкости.

Батарейный модуль

Существует четыре основных фактора, необходимых для обеспечения успешной работы накопителя, причем каждый из них должен быть ориентирован на безопасность, надежность и качество.

  • Технология ячеек (элементов) и их конструкция;
  • Система управления (BMS);
  • Конструктив батарейного блока;
  • Сервис и поддержка.

Технология ячеек

Технология является основой нового батарейного века. После многих испытаний CENTEC компания выбрала технологию LI-PO в качестве основной из-за её превосходных эксплуатационных характеристик и срока службы. Данный выбор также подтверждают лучшие мировые практики, где применение технологии LI-PO показала лучшие результаты для больших, масштабируемых систем.

Существует несколько типов технологий, которые можно использовать в коммерческих промышленных применениях, и у каждого типа есть свои преимущества, свои характеристики жизненного цикла и показатели безопасности. Однако по сравнению с технологией LI-PO все они имеют ряд недостатков:

  • NCA оказался нестабильным или недостаточно безопасным.
  • LMO не обеспечивает достаточную продолжительность жизни.
  • LTO не соответствует требуемым критериям по энергетической плотности;
  • LFP допускает слишком большой производственный риск, чтобы его можно было включить в технологии больших масштабируемых накопителей.

В процессе выбора лучшей технологии для универсального накопителя CENTEC выбрала LI-PO так как данные элементы продемонстрировали лучшие характеристики:

  • соответствует требованиям к энергетической плотности (у LI-PO самая высокая энергетическая плотность);
  • надежный процесс изготовления элемента, который стабильную производительность в соответствии с техническими данными;
  • наименьшее количество необходимых соединений;
  • высочайшая эффективность заряда/разряда из существующих на сегодняшний день, превосходные энергетическая плотность;
  • очень безопасная химия (то есть, если химия нарушена, это не приводит к серьёзным последствиям);
  • очень высокое серийное качество производства.

Типы ячеек

Существует три основных типа ячеек: рулонные (цилиндрические), призматические (формованные рулонные в прямоугольные формы) и Z-образные (многослойные с применением выравнивающей пленки).

Цилиндрические элементы (наиболее распространенные элементы, в основном LFP или фосфат железа) представляют собой типичные цилиндрические элементы, которые имеют форму, аналогичную батарее типа «АА» (18650) или элементу «D» (26650). Цилиндрическая «банка» изготовлена из никелированной стали с соединениями положительного и отрицательного электродов на обоих концах. Эти элементы соединяются внутри батареи посредством сварки никелированных выступов с соединениями положительного или отрицательного электрода элемента. Для применений с более высоким током соединения и выступы никелевого электрода имеют намного большее внутреннее сопротивление, чем алюминий или медь.

Эти элементы отлично подходят для использования в небольших масштабах, где они производятся экономичным способом с высоким уровнем качества (например, ноутбуки) и как правило, с более низкими показателями цикла непрерывного разряда/заряда.

Недостатком этой фундаментальной конструкции является снижение эффективности заряда/разряда (повышенное внутреннее сопротивление) по мере увеличения размера батареи, что связано с рисками теплового перегрева, при высокой мощность и быстром заряде. Батареи такого зависят от внешних систем охлаждения/отопления и требуют организацию систем климат-контроля, что в свою очередь поднимает вопросы обслуживания и сопутствующие капитальные затраты.

Цилиндрические элементы лучше всего использовать в системах, характеризующихся низкой потребностью в энергии (лучше всего при мощности менее 3 кВтч) и где требуется небольшая суммарная мощность.

Призматические элементы - это рулонные элементы, которые формуются в прямоугольные или квадратные элементы, такие как аккумуляторы для сотовых телефонов. Эти элементы имеют те же рабочие характеристики и ту же эффективность, что и цилиндрические элементы, но с дополнительным недостатком, заключающимся в том, что процесс формования создает нагрузку на анод и катод на скрученных концах, что приводит к неравномерному охлаждению и, следовательно, быстрому старению батареи в целом.

Толщина и форма ячеек способствует более эффективному и быстрому накоплению тепла и более медленному охлаждению при использовании в больших масштабируемых накопителях.

CENTEC определила, что ограничения цикла разряд/заряд и необходимость применения внешних систем для отвода тепла являются основными факторами, которые влияют на эффективность в крупномасштабных накопительных системах.

Когда речь идет о элементах с Z-образным профилем, то имеются ввиду элементы LI-PO, изготовленные с использованием технологии «Z-сгиба», где слои элемента складываются в форме буквы «Z» до тех пор, пока не будет достигнута требуемая энергоемкость элемента. Затем выводы элемента соединяют с ведущим анодом и катодом, что обеспечивает одноточечные соединения.

Важно, что помимо сокращения количества соединений (2 против 80, при использовании цилиндрических ячеек), данная технология позволяет использовать тепловую защиту по току для каждого элемента. Z-образная укладка превосходит все другие форм-факторы, поскольку вместо увеличения внутреннего сопротивления она фактически снижает его (за счет увеличения емкости), что приводит к повышению эффективности и снижению нагрева при заряде/разряде. В мировой практике Z-образные элементы считаются лучшим продуктом для использования в больших системах накопления энергии.

Типовой батарейный модуль CENTEC имеет мощность 6,5 кВт/ч и использует 24 элемента. В случае применения цилиндрических элементов, для достижения таких характеристик потребуется более 750 ячеек. Принимая во внимание все факторы, элементы LI-PO оказались самыми надежными и безопасными, они идеально подходят для использования в условиях замкнутого объёма.

Тот факт, что элементы LI-PO рассчитаны на разряды до 10-20 C (то есть в 10-20 раз больше емкости аккумулятора) и могут заряжаться при 2C (30 минут до полной зарядки), означает, что возможно изготовить накопитель, который обеспечит мощность, равную мощности генераторным установкам с топливным приводом (Дизельные генераторы) с возможностью применять их в замкнутых объёмах.

Основные характеристики аккумуляторов:

  • Энергетическая плотность - Элемент с более высокой энергетической плотностью даст более продолжительное время работы, чем элемент с более низкой энергетической плотностью, или то же время работы с меньшим объёмом (это влияет на размер, вес и стоимость батареи).
  • Срок службы - существует прямая связь с общими затратами, включая затраты на элементы и замену батареи.
  • Внутренний импеданс - напрямую связан с химией ячеек и качеством производства. Более низкий импеданс элемента позволяет безопасно эксплуатировать элемент при более высоких скоростях заряда / разряда.
  • Низкая стоимость - технологии с наименьшими начальными затратами не обязательно обеспечивают наилучшую экономию в течение всего срока эксплуатации.

Таблица сравнения показателей аккумуляторных элементов:

Технология

Свинцово-кислотный

Натрий никель-хлорид

LiFePO4

LI-PO

Номинальное напряжение

2.0 В

2.58 В

3.20 В

3.70 В

Максимальное напряжение

2.60 В

2.9 В

3.60 В

4.20 В

Минимальное напряжение

1.50 В

2.0 В

2.30 В

2.75 В

Плотность энергии

20 Вт*ч/кг

100 Вт*ч/кг

129 Вт*ч/кг

163 Вт*ч/кг

Плотность мощности

75 Вт*ч/л

150 Вт*ч/л

255 Вт*ч/л

320 Вт*ч/л

Жизненный цикл (80% DOD)

200

1000

>1500

>4000

Внутреннее сопротивление

>20 Ом

150 мОм

3 мОм

0.5 мОм

Начальная стоимость

$200/кВт*ч

$800/кВт*ч

$1,000/кВт*ч

$1,100/кВт*ч

Совокупная стоимость (5 лет)

$1,750/кВт*ч

$1,400/кВт*ч

$1,166/кВт*ч

$1,100/кВт*ч

Совокупная стоимость (10 лет)

$3,500/кВт*ч

$2,800/кВт*ч

$2,333/кВт*ч

$1,100/кВт*ч

Чем ниже рабочее напряжение элемента, тем больше элементов требуется для достижения необходимого напряжения батарейного блока. Например, для 320-вольтной батареи потребуется:

  • 160 свинцово-кислотных ячеек, соединённых последовательно
  • 124 натриевых элемента соединённых последовательно
  • 100 железо-фосфатных элементов последовательно.

Ячеек LI-PO потребуется всего 86. Меньшее количество ячеек означает меньшее количество соединений между элементами, а следовательно меньшее сопротивление и меньшую вероятность сбоев.

Поскольку время безотказной работы накопителя является критическим, CENTEC разработал оптимальную архитектуру для большой системы:

  • Напряжение конфигурируется за счёт последовательного соединения батарейных блоков (до 1058 В пост. Тока)
  • Энергия (ток) определяется количеством параллельных рядов.

Архитектура обеспечивает высокий уровень отказоустойчивости, позволяя осуществить замену батарейного блока (в случае отказа), в режиме «горячей замены», не отключая весь накопитель.

Система управления батареей (BMS)

Система управления батареями - это «мозг» накопителя, который обеспечивает производительность и длительный срок службы любого накопителя энергии.

BMS предназначена для мониторинга, пассивной балансировки и защиты составных аккумуляторных батарей. Она осуществляет измерение напряжений (батареи целиком и каждого элемента), температуры и тока батареи. Система выполняет балансировку ячеек и защищает их от перегрузок по току, перезаряда, глубокого разряда и перегрева. Используя активный мониторинг, система управления батареями обеспечивает сбор всех необходимых параметров, их обработку и передачу информации адресатам системы.

Термин BMS представляет программно-аппаратный комплекс и осуществляет управление следующими параметрами:

  • Рабочая температура и температура хранения
  • Рабочий элемент и напряжение блока
  • Зарядка и разрядка
  • Глубина разряда
  • Точное измерение энергии
  • Эффективная передача данных внутри или снаружи пакета
  • Параметры безопасности и сигнализации
  • Программирование рабочего цикла
  • Масштабируемость в напряжениях от 12 до 1058 В пост.
  • Масштабируемость энергии - от 2,5 кВт до нескольких МВтч
  • Удаленный мониторинг и программирование
  • Предотвращение повышенного и пониженного напряжения каждого элемента
  • Предотвращение перегрузки по току в батарейном блоке
  • Предотвращение повышенной и пониженной температуры каждого элемента

Самое важное требование к накопителям энергии - это безопасность. BMS отвечает за обеспечение того, чтобы все рабочие функции накопителя поддерживались в безопасном диапазоне. Как правило, это обеспечивается резервированием основных частей системы. Каждый сегмент системы изолирован и оснащён резервными процессорами, чтобы предотвратить непредвиденный сбой в работе BMS.

Сервис и поддержка

Время безотказной работы имеет решающее значение в любых системах, Технология CENTEC позволяет производить накопители со сроком службы до 20 лет.

Утилизация

Элементы накопителей производства CENTEC на 99% пригодны для вторичной переработки.

Заключение

В накопителях энергии большой емкости CENTEC придаёт большое значение надёжности каждого сегмента (BMS, батарейные блоки, контроллер и т.д.), так как в случае неисправности любого сегмента накопителя большой ёмкости, стоимость замены будет значительной, а срок простоя оборудования - длительным.

Приложение:

1. Таблица характеристик типовых батарейных модулей производства CENTEC.


Таблица характеристик типовых батарейных модулей производства CENTEC

Артикул А/ч Размер (мм) Вн. сопр-е (мOм) Вес (кг) Коэф. разряда C-rate (C) Энерго-плотн (Вт*ч/кг) Напряжение
Ш В Д длит макс мин ном макс
Повышенная энергоёмкость (Предназначены для применения в беспилотных летательных аппаратах)
CNT 12/50-SHE 12 88 199,1 83,16 33,6 3,06 2 4 257 32 44,4 50,4
CNT 27/50-SHE 27 105 299,2 100,3 19,2 6,84 2 4 260 32 44,4 50,4
Высокая энергоёмкость
CNT 5/50-SHE 5 118 112,2 77,88 60 2,52 5 8 151 32 44,4 50,4
CNT 5,3/50-SHE 5,3 71 105,1 103 96 1,8 2 3 192 32 44,4 50,4
CNT 8/50-SHE 8 118 112,2 95,7 43,2 2,88 2 3 185 32 44,4 50,4
CNT 9,6/50-SHE 9,6 90,2 201,3 100,3 42 3,78 2 3 165 32 44,4 50,4
CNT 16/50-SHE 16 118 229,9 103 45,6 6,12 5 8 174 32 44,4 50,4
CNT 87/50-SHE 87 295 291,5 171,6 7,8 32,04 2 3 181 32 44,4 50,4
CNT 240/50-SHE 240 508 359,7 208,6 6 86,04 2 3 186 32 44,4 50,4
Артикул А/ч Размер (мм) Вн. сопр-е (мOм) Вес (кг) Коэф. разряда C-rate (C) Энерго-плотн (Вт*ч/кг) Напряжение
Ш В Д длит макс мин ном макс
Повышенная мощность, обладают высокой мощностью и улучшенным сроком службы, повышенной надёжностью (Предназначены для применения в системах питания лазерного оборудования, подводных аппаратов, торпед, лодок и т.д., ).
CNT 3,2/50-SHP 3,2 47,3 140,8 103 60 1,44 20 40 141 32 44,4 50,4
CNT 3,6/50-SHP 3,6 47,3 141,9 116,2 36 1,8 30 50 132 32 44,4 50,4
CNT 5/50-SHP 5 47,3 156,8 154,4 36 2,34 30 50 140 32 44,4 50,4
CNT 30/50-SHP 30 218 242 130,7 12 15,66 20 30 128 32 44,4 50,4
Высокая мощность
CNT 11/50-HP 11 228 150,7 73,92 19,2 5,04 8 10 145 32 44,4 50,4
CNT 16/50-HP 16 228 150,7 103 13,2 7,2 8 15 146 32 44,4 50,4
CNT 40/50-HP 40 249 249,7 132 9,6 17,82 8 15 160 32 44,4 50,4
CNT 75/50-HP 75 295 291,5 171,6 6,6 32,04 8 15 156 32 44,4 50,4
CNT 100/50-HP 100 508 359,7 103 6,6 42,84 5 6 155 32 44,4 50,4
Артикул А/ч Размер (мм) Вн. сопр-е (мOм) Вес (кг) Коэф. разряда C-rate (C) Энерго-плотн (Вт*ч/кг) Напряжение
Ш В Д длит макс мин ном макс
Комбинированные технологии Li-Po (Предназначены для применения в аэрокосмической отрасли и для специальных применений с повышенной безопасностью и низкотемпературными характеристиками)
CNT 46/50-CT 46 249 249,7 165 9,6 22,86 12 15 135 32 44,4 50,4
CNT 70/50-CT 70 295 291,5 178,2 4,8 34,2 10 15 136 32 44,4 50,4
Способность выдерживать температуру в диапазоне от -40 до 60 градусов по Цельсию
CNT 60/32-LT 60 293 289,3 169 4,8 31,68 6 10 76 18 26,6 32,4
Позвонить