CC BY
257
УДК 681.58, 621.355
ОПЫТ СОЗДАНИЯ БАТАРЕЙ НА БАЗЕ ЛИТИЙ-ИОННЫХ АККУМУЛЯТОРОВ БОЛЬШОЙ ЁМКОСТИ
А. И. Груздев
ОАО «Авиационная электроника и коммуникационные системы», Москва, Россия
E-mail: [email protected] Поступила в редакцию 23.06.11 г.
Рассмотрено современное состояние разработок и области применения литий-ионных аккумуляторов. Показана их конкурентоспособность по сравнению с щелочными и кислотными аккумуляторами. Проанализированы системные подходы и схемотехнические решения, используемые при проектировании аккумуляторных батарей (АБ) большой ёмкости с микропроцессорными системами контроля и управления (СКУ). Рассмотрены основные задачи и функции, выполняемые СКУ На конкретных примерах обосновано их построение по модульному принципу с 2-3 уровнями управления. Проведен сравнительный анализ вариантов реализации аппаратного нивелирования напряжений в АБ.
Ключевые слова: аккумуляторная батарея, литий-ионный аккумулятор, система контроля и защиты, устройство нивелирования напряжений, байпасное устройство.
This paper describes the state-of-the-art and areas of application for lithium-ion batteries. Their competitiveness in comparison with conventional alkaline and acid based batteries is shown. System approaches and circuit configurations used for designing high-capacity energy storage batteries with microprocessor battery managemrnt systems (BMS) are considered, including the main functions of BMS. Based on the given examples, the modular design approach of batteries with 2-3 levels of control has been proved. A comparative analysis of different hardware schemes for voltage leveling in storage batteries is carried out.
Key words: the storage battery, the lithium-ion storage cell, the battery management system, the leveling device, the by-pass
За последнее десятилетие в связи с бурным развитием технологий производства литий-ионных аккумуляторов (ЛИА) значительно расширилась их номенклатура, в том числе аккумуляторов ёмкостью десятки и сотни ампер-часов. Это связано с применением в ЛИА новых электродных материалов вместо традиционных анодных материалов на основе углерода и катодных материалов на базе литированных оксидов Со, Мп, №, а также совершенствованием конструкции и технологии изготовления ЛИА, позволившими обеспечить высокий уровень безопасности даже при их работе в нештатных режимах эксплуатации [1].
Переход на электроды, использующие модифицированные наноразмерные материалы (прежде всего литированный оксид титана и литированный фосфат железа), позволил увеличить ресурс работы ЛИА при глубоких (70-80 %) разрядах до 3000-5000 циклов, а разрядные токи - до 10-20 С и выше. При этом удельная энергия ЛИА с нанотитанатными анодами достигает 80 Вт-ч/кг, а с нанофосфатными катодами - 140 Вт-ч/кг. Новые электроды, наряду с модифицированными электролитами, позволяют эффективно (на 50-80%) разряжать ЛИА при температурах до минус 40°С и ниже. Кроме того, за последние несколько лет благодаря интенсивному росту объёмов производства высокоёмких ЛИА в Китае произошло резкое (в несколько раз) снижение стоимости ЛИА: многие производители предлагают свои ЛИА энергетических серий по цене от 0.5 до 1 $/Вт-ч.
В связи с вышесказанным области применение батарей ЛИА непрерывно расширяются: кроме практически 100%-ного применения в портативных бытовых устройствах связи, фото- и видеотехники они активно вытесняют из традиционных областей мобильных и стационарных применений не только относительно дорогие щелочные (никель-кадмиевые, никель-металлогидридные и др.) аккумуляторы, но и свинцово-кислотные аккумуляторы (СКА) большой ёмкости.
Наиболее активно ЛИА внедряются в объекты специальной и военной техники: космические аппараты, ракетные комплексы, пилотируемую и беспилотную авиацию, необитаемые и обитаемые подводные аппараты, медицинскую технику и др. По мере сближения стоимости герметизированных свинцово-кислотныхилитий-ионныхаккумуляторов последние становятся все более перспективными для различных стационарных применений, в том числе в системах бесперебойного электропитания и солнечно-ветровых энергоустановках. Это связано с тем что:
1) срок службы обычных серий СКА в условиях нерегламентированного графика нагрузки и глубоких разрядов недопустимо мал - не более года;
2) специализированные серии СКА (например, серии Solar) достаточно дороги, но также уступают ЛИА по следующим параметрам:
- удельным энергетическим и мощностным характеристикам (в 3-5 раз);
© ГРУЗДЕВ А. И., 2011
- сроку службы (1.5-2 раза);
- возможности работы при повышенных (более 35-40°С) температурах;
- наличию газовыделения (водород) из электролита при высоких и деградации (сульфатации) электродов при низких потенциалах;
- максимальной величине зарядных токов (в 5-10 раз);
- повышенным требованиям к обеспечению режима заряда и, следовательно, к зарядному устрой-ству, приводящие к его удорожанию (до 1 и более $/Вт);
- КПД цикла заряд/разряд (на 20-30 %).
Высокие технические характеристики ЛИА
позволяют снизить затраты при эксплуатации относительно аккумуляторных батарей (АБ) на базе СКА. Факторы и экспертная оценка дополнительных затрат, связанных с эксплуатацией свинцово-кислотных батарей за 10 лет эксплуатации, приведены в табл. 1 [2]. Оценка проведена на основе анализа эксплуатационных затрат батарей номинальной энергоёмкостью 50 кВт-ч на базеполимер-ных ЛИА ёмкостью 240 А-ч фирмы Kokam и СКА ёмкостью 230 А-ч серии Solar фирмы Exide.
Многообразие областей применения ЛИА определяет не только большую номенклатуру производимых ёмкостей и типоразмеров аккумуляторов, но и широкие диапазоны напряжений (от семи до нескольких сотен вольт) батарей на их основе, необходимые для реализации требуемых мощност-ных, энергетических и эксплуатационных характеристик электрических накопителей. При этом конструктивное исполнение АБ определяется [3]:
1) типом корпуса ЛИА (цилиндр, призма, ламинированная фольга);
2) ее электрическими параметрами (номинальное напряжение, разрядный ток и ёмкость батареи);
3. требованиями по устойчивости к внешним воздействиям, надежности и стоимости изделия, в основном связанными с областью его применения (бытовое, транспортное, промышленное, специальная или военная техника).
При наличии опасных внешних воздействий на АБ ее конструктивное исполнение усложняется, так же как и в случае мощных батарей (особенно для гибридных автомобилей), требующих дополнительного воздушного или жидкостного охлаждения.
При проектировании для всех литий-ионных АБ общими требованиями являются обеспечение безопасности и удобства эксплуатации, а также достижение при циклическом режиме работы полного разряда всех ЛИА, а не работа по графику наиболее слабого элемента. Это достигается введением в состав АБ электронной системы контроля и управления (СКУ), осуществляющей мониторинг состояния и защиту батареи от возникновения опасных режимов работы и предоставляющего пользователю информацию об ее основных параметрах.
Учитывая высокую мощность и большой запас энергии, а также горючесть применяемого в ЛИА электролита, основной задачей всех СКУ можно считать защиту АБ при возникновении опасных режимов работы. К ним, прежде всего, относятся токовые перегрузки и короткое замыкание силовых цепей, перегрев АБ, перезаряд и переразряд ЛИА. Защита от возникновения опасных режимов работы осуществляется путем нивелирования разбаланса напряжений ЛИА и формирования управляющих сигналов для изменения режима работы внешних устройств или для отключения батареи от внешних силовых цепей с помощью коммутационной
Таблица 1
Сравнительная оценка эксплуатационных затрат стационарных АБ на базе ЛИА и СКА
Характеристика Аккумулятор Дополнительные расходы для накопителя на базе СКА (% от стоимости батареи)
СКА ЛИА
Массовая энергия, Вт-ч/кг 30 200 Упрочнение несущей конструкции (3-5%)
Объемная энергия, Вт-ч/л 90 360 Стоимость размещения в помещении (25-40 % за 10 лет)
Газовыделение H2 нет Отдельное помещение с вентиляцией (10-20 % за 10 лет)
Рабочие температуры, °С -30^40 -40^60 Кондиционирование помещения (10-20 %) или снижение ресурса при t > 35°С
Ресурс, циклов при DOD=80% 1200 2500 Замена выработавшей ресурс батареи (250-500% за 10 лет при 365 циклах/год)
Ток заряда, С 0.05-0.2 0.5-1 Необходимы сложные дорогостоящие ЗУ (5-10 %) или снижение ресурса
Ток разряда, С 0.1-0.5 1-2 Снижение Сразр относительно Сном (10-20 %)
КПД цикла заряд/разряд, % 60-80 94-96 Снижение Сразр относительно Сзар (5 - 10 %)
аппаратуры, конструктивно размещаемой как в составе АБ, так и вне ее [4].
Для защиты АБ от перезаряда и переразряда СКУ осуществляет измерение напряжения каждого ЛИА в батарее. При этом измерительные цепи всех аккумуляторов должны быть гальванически развязаны и рассчитаны на работу при напряжении, соответствующем максимальному напряжению АБ. Для большинства применений точность измерения напряжения ЛИА должна быть не хуже ±20 мВ. При формировании управляющих сигналов по уровню напряжений ЛИА необходимо учитывать падение напряжения на их внутреннем сопротивлении и температуру аккумулятора.
Поэлементный контроль температуры ЛИА необходим также для защиты АБ от перегрева. В последнее время для этих целей часто применяются датчики температуры с цифровым или аналоговым выходом, относительно простые в использовании и обеспечивающие точность измерения ± (1-2)°С. Терморезисторы или термопары продолжают использоваться для ряда специальных применений, связанных с работой АБ в экстремальных условиях или с ограничениями в использовании импортной элементной базы.
Для измерения тока в АБ наряду с шунтами используются датчики тока холловского типа, широкая номенклатура которых позволяет измерять токи в диапазоне от 10 до 1000 А с точностью порядка ± 2 %. Кроме подсчёта зарядной и разрядной ёмкостей АБ, величина тока необходима для расчёта корректирующих поправок к измеренным значениям напряжения ЛИА. Датчики тока также могут быть использованы для защиты от токовых перегрузок силовых цепей АБ наряду с плавкими вставками или самовосстанавливающими предохранителями, которые защищают АБ только от токов короткого замыкания (КЗ) и не эффективны при относительно небольших (1.5-2-кратных) токовых перегрузках.
Наиболее сложно реализуемой задачей является обеспечение работоспособности АБ при отказах (КЗ или обрыв) внутри ЛИА. Обрыв в ЛИА наиболее опасен при их последовательном соединении в АБ, короткое замыкание - при их параллельном соединении.
Защита от внутренних КЗ в основном строится на уровне ЛИА при их изготовлении:
- сепараторы, плавящиеся при превышении допустимых токов;
- самовосстанавливающиеся температурные предохранители различных типов;
- токопроходы, разрушающиеся при повышении давления внутри аккумулятора, и др.
При параллельном соединении ЛИА дополнительно для защиты от последствий внутренних КЗ последовательно с каждым из них устанавливается плавкая вставка.
Для сохранения работоспособности АБ при отказе одного из ЛИА при их последовательном соединении необходимо вывести его из силовой цепи, одновременно сохранив её целостность. Для этого используются электромеханические или электронные байпасные устройства, которые управляются СКУ Они могут устанавливаться непосредственно на борнах ЛИА для отвода через них выделяющегося в байпасном устройстве тепла (рис. 1) [5].
Я
Рис.1. Электронное байпасное устройство на рабочие токи до 100 А
Важной функцией СКУ является аппаратное выравнивание степени заряженности (нивелирование разбаланса напряжений) единичных аккумуляторов в АБ. Причиной разбаланса напряжений является различие в степени заряженности аккумуляторов, обусловленное различиями в скоростях их саморазряда. Саморазряд обусловлен как токами утечек через внешние и внутренние электрические цепи аккумуляторов, так и электрохимическими процессами, протекающими на их электродах. Следствием разбаланса напряжений является работа батареи по «худшему» (наиболее разряженному) аккумулятору, даже если он имеет наибольшую номинальную ёмкость среди всех аккумуляторов в батарее.
Аппаратные методы нивелирования разбаланса напряжений можно разделить на следующие:
1) наиболее простой в реализации пассивный метод, когда ЛИА с повышенным напряжением разряжается с помощью подключаемого параллельно ему резистора;
2) активные методы, обеспечивающие выравнивание напряжений аккумуляторов путем перераспределение энергии между ними;
3) системные методы, обеспечивающие индивидуальный (независимый) режим заряда для каждого ЛИА.
Наиболее простым, но достаточно эффективным системным методом нивелирования разбалан-
са в АБ большой и сверхбольшой ёмкости является ее заряд многоканальным зарядным устройством. Для низковольтных портативных АБ хорошо зарекомендовали себя схемотехнические решения, обеспечивающие автоматическую перекоммутацию АБ с последовательной схемы на параллельную при подключении к ней специализированного зарядного устройства (рис. 2) [6].
Рис. 2. Аккумуляторная батарея 4ICR-10 с зарядным устройством
В активных выравнивающих устройствах обычно реализуются трансформаторные схемы перераспределения энергии в АБ или используется подзаряд «отстающих» ЛИА от одного или нескольких источников постоянного тока, пита-
ние которых осуществляется с выхода АБ или от внешнего источника энергии (например, зарядного устройства). Такие устройства, обеспечивающие большие выравнивающие токи, позволяют не только нивелировать разбаланс напряжений в АБ, но и обеспечивать ее полный разряд, а не работать по графику худшего ЛИА.
На рис. 3 показан выполненный на отечественной элементной базе трансформаторный блок ТБНН-15А, позволяющий при разбалансе напряжений в 1 В обеспечить перетекающие токи между ЛИА в АБ до 15 А. При испытаниях уже на первом цикле выравнивания он позволил увеличить разрядную емкость разбалансированной АБ с 7.2 до 13.3 А-ч. В последующих (2-5) циклах, несмотря на частичную потерю ЛИА №26 своей ёмкости, он позволил разрядить АБ на 15.3 А-ч, обеспечивая при этом одновременный полный разряд всех ЛИА.
Для удобства эксплуатации АБ информация о ее состоянии может передаваться во внешнюю систему управления по стандартному цифровому каналу, выводиться на дисплей или отображаться с помощью светодиодов, используя интуитивно понятную «светофорную» цветовую символику, индицируя состояние одного из параметров АБ в трех градациях: «Норма», «Предупреждение», «Авария». При необходимости, используя один двухцветный светодиод в режимах постоянного и
Рис. 3. Внешний вид и графики, иллюстрирующие работу трансформаторного блока выравнивания напряжения ТБНН-15А [5]
прерывистого свечений, можно отображать до 10 состояний одного из параметров АБ.
На рис. 4 показан источник бесперебойного электропитания для имплантируемого электромеханического искусственного сердца на базе двух литий-ионных АБ емкостью 10 и 1.5 А-ч, степень заряженности которых индицируется двумя светодиодами, реализующими 6 градаций состояния заряда основной и резервной АБ.
Рис. 4. Источник бесперебойного электропитания на базе основной (14В/10А-ч) и резервной (14В/1,5А-ч) АБ на ЛИА фирмы Кокат
Высоковольтные высокоёмкие АБ строятся по модульному принципу исходя из требований обеспечения электробезопасности при монтаже и ремонте, а также возможности их транспортировки и монтажа с минимальным использованием подъемно-транспортных механизмов. В них используются СКУ также построенные по модульному принципу с 2-3 уровнями управления.
На рис. 5 показана аккумуляторная батарея с номинальным напряжением 115 В на базе 32-х литий-полимерных аккумуляторов фирмы Кокат емкостью 40 А-ч с двухуровневой системой контроля, выравнивания и защиты (СКВЗ) [7]. Измерение напряжения и температуры ЛИА осуществляют два модуля контроля и выравнивания (МКВ), передающих измеренные данные в блок верхнего уровня - модуль управления (МУ). По его командам они также обеспечивают нивелирование разбаланса напряжений в батарее путем подзаряда отстающих ЛИА с помощью 2-х источников тока, питающихся с выхода АБ. В модуль управления также поступает информация с модуля датчика тока, которая используется для расчета зарядной и разрядной ёмкости, а также для защиты АБ от токовых перегрузок.
Защита АБ от опасных режимов работы осуществляется путем формирования предупреждающих и аварийных сигналов (замыкание «сухих» контактов) для внешних устройств (зарядного устройства, нагрузки). Информация об основных параметрах АБ и сформированных МУ аварийных и преду-предительных сигналах выводится на 4-строчный дисплей в модуле индикации. Индицируемые на дисплее параметры изменяются в зависимости от режима работы АБ (см. рис. 5, б).
а
б
в г д
Рис. 5. Аккумуляторная батарея 32ЛИА40 (а) и блоки ее СКВЗ: модуль индикации (б), модуль управления (в), модуль контроля и выравнивания (г), модуль датчика тока (д)
Архитектура МУ позволяет: осуществлять обмен информацией с внешними устройствами по одному или нескольким стандартным цифровым интерфейсам;
поддерживать работу до 15 модулей нижнего уровня (МКВ).
Учитывая, что МКВ могут контролировать до 16 ЛИА, данная СКВЗ может быть использованы для построения АБ из 240 ЛИА.
Более простой вариант двухуровневой системы контроля и защиты (СКЗ) для высоковольтных АБ с напряжением до 700-800 В (ограничения связаны с величиной напряжения пробоя изоляции использованных источников питания) показан на рис. 6.
Модули нижнего уровня (б) контролируют напряжение и температуру от 8 до 16 ЛИА и осуществляют нивелирование разбаланса напряжений при заряде путем доразряда ЛИА на резисторы. При выходе напряжения или температуры любого ЛИА из поля соответствующего допуска они формируют предупреждающий или аварийный сигналы. Эти сигналы обрабатываются модулем верхнего уровня (в), который, в свою очередь, формирует информационные и управляющие сигналы (через «сухие» контакты) для внешних устройств. Факт формирования информационно-управляющих сигналов в обоих блоках отображается с помощью светодиодов.
При построении мощных энергоёмких накопителей на первый план выходят требования
безопасности при их монтаже, эксплуатации, техническом обслуживании и ремонте. Для резервных АБ важным требованием является длительное сохранение технических характеристик в режиме ожидания подключения к нагрузке, гарантированный переход и обеспечение заданного режима разряда по команде, время поступления которой является неопределенным. Время нахождения батареи в режиме ожидания может быть от нескольких месяцев до десяти и более лет. Высокоэнергоёмкие АБ могут быть построены по последовательно-параллельной или параллельно-последовательной схеме.
Например, разработанная архитектура резервной АБ энергоёмкостью 3 МВт-ч с назначенным сроком службы 15 лет пре-дусматривала ее построение по последовательно-параллельной схеме с разбивкой на несколько (до 48) подсистем (аккумуляторных секций), соединяемых параллельно, которые, в свою очередь, состояли из 15 последовательно соединенных аккумуляторных блоков с напряжением 25 В и ёмкостью 150-200 А-ч (рис. 7) [8].
Заданный срок эксплуатации и бесперебойность работы АБ достигаются:
путем применения комплектующих изделий и материалов с соответствующими сроками службы;
за счёт структурного резервирования в батарее;
за счёт модульного построения батареи и непрерывного мониторинга её состояния, позволяющего проводить необходимые регламе-
Рис. 6. Батарейный модуль (а) и модули СКЗ (б, в) для построения высоковольтной АБ
а
б
Рис. 7. Батарейные блоки для построения мегаваттных АБ
- Г Г 1 ■ -
: ^ г
аб
Рис. 8. Модуль измерения МИП1 (а) и модуль контроля МКП1 (б) для контроля блока из параллельно соединенных ЛИА
нтные и ремонтно-восстановительные работы на отдельных подсистемах батареи без вывода всей батареи из режима ожидания в кратчайшие сроки.
Алгоритм работы АБ предусматривает перевод с заданной периодичностью части аккумуляторных секций в режим тестирования, в котором они подключаются к одной из штатных нагрузок. В процессе тестирования производится разряд номинальным током в течение 0.5 часа. По величине напряжения на каждом ЛИА в конце разряда делается вывод о снижении их номинальной ёмкости и возможности дальнейшей эксплуатации как отдельных аккумуляторных блоков, так и секции в целом. По результатам тестирования и имеющейся информации о работе аккумуляторной секции в режиме ожидания принимается решение о проведении ремонтно-восстановительных работ на неисправных секциях. Неисправные аккумуляторные секции отключаются от выходных шин батареи. Все исправные аккумуляторные секции по окончании тестирующего разряда подключаются на заряд от внешнего зарядного устройства до напряжения 4.2 В на любом ЛИА. Дальнейший дозаряд для выравнивания напряжений на отдельных ЛИА производится с помощью внутренних устройств подзаряда из состава АБ.
При параллельном соединении ЛИА в силовой цепи каждого из них должен быть предусмотрен элемент защиты от перегрузки по току (например, плавкая вставка), защищающий аккумуляторный блок от короткого замыкания внутри отдельных ЛИА, а СКУ должна обеспечивать контроль их состояния. В ОАО «АВЭКС» для АБ мегаваттного класса разработан модуль измерения МИП1, устанавливаемый непосредственно на борны ЛИА, контролирующий его напряжение, температуру и по последовательному интерфейсу передающий информацию об этих параметрах в модуль контроля МКП, который может обслуживать до 256 модулей МИП (рис. 8) [7].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Наиболее перспективным типом электрических накопителей в настоящее время являются литий-ионные аккумуляторные батареи.
2. Сегодня они могут успешно конкурировать не только с щелочными, но и со свинцово-кислотными аккумуляторными батареями в областях их традиционного использования, причем не только по техническим, но и по ценовым параметрам.
3. В ОАО «АВЭКС» накоплен большой практический опыт создания литий-ионных аккумуляторных батарей наземного, морского и
космического применения, а также разработаны высоковольтные батареи мегаваттного класса.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Груздев А. И. // Электричество. 2008. № 10. С. 2-13.
2. Груздев А. И. // Альтернативная энергетика и экология. 2008. № 10. С. 116-124.
3. Груздев А. И. Трофименко В. И. // Физические проблемы водородной энергетики : тез. докл. VI рос. конф. СПб., 2010. С. 161-162.
4. Ганзбург. М. Ф., Груздев А. И., Кузовков А. В., Трофименко В. И. // Физические проблемы водородной энергетики : тез. докл. V рос. конф. СПб., 2009. С. 205-206.
5. Ганзбург М. Ф., Груздев А. И., Трофименко В. И. // Фундаментальные проблемы преобразования энергии в литиевых электрохимических системах : материалы XI Междунар. конф. / под ред. М. С. Плешакова. Новочеркасск, 2010. С. 289-293.
6. Груздев А. И., Куликов Н. И. // Мехатроника, автоматизация, управление. 2007. № 8. С. 41-47.
7. http://www.avecs.ru
8. Алмазов В. А., Вдовин Н. Н., Груздев А. И., Кочнев А. А. и др. // Электрохим. энергетика. 2005. Т. 5, № 2. С.120 - 122.
