СОСТОЯНИЕ, ПРОБЛЕМЫ И НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ СОВРЕМЕННЫХ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

БОРТОВЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ ЭНЕРГИИ

ON-BOARD ENERGY ACCUMULATORS

УДК 621.311, 621.355

СОСТОЯНИЕ, ПРОБЛЕМЫ И НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ СОВРЕМЕННЫХ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

А. И. Груздев

ООО «Национальная инновационная компания «Новые энергетические проекты» Пречистенка, 18, Москва,119034, Россия e-mail: gruzdev@nic-nep.ru

Проведен анализ областей применения, состояния разработок, основных проблем и направлений совершенствования накопителей электрической энергии на базе электрохимических источников тока. Обоснована перспективность использования и конкурентоспособность литий-ионных аккумуляторов с жидким и гельполимерным электролитом. Рассмотрены принципы построения и основные функции микропроцессорных систем контроля и управления электрическими накопителями. Показана целесообразность создания энергоустановок на базе глубокой интеграции электрических накопителей с первичными источниками энергии.

CURRENT STATUS, PROBLEMS AND LINES OF DEVELOPMENT OF MODERN ELECTRICAL ENERGY STORAGE DEVICES

A.I. Gruzdev

National innovation company «New energetic projects» Prechistenka, 18, Moscow, 119034, Russia e-mail: gruzdev@nic-nep.ru

The modern application fields and current technology status of electrochemical energy storage devices are analyzed and the ways to improve their performance are considered. The availability and competitiveness of Li-Ion batteries with liquid and gelpolymer electrolyte are illustrated. The architecture and main functions of microprocessor control systems for storage devices are considered. The expediency of power plant construction based on large-scale integration of energy storage devices with primary energy sources is illustrated.

Области применения и функции накопителей электрической энергии

Батареи накопителей электрической энергии (НЭЭ) являются неотъемлемой частью всех электроэнергетических установок и электрогенерирующих систем, а также самостоятельным источником электрической энергии, используемым в автономных, распределенных и централизованных электросетях, а также на транспорте.

НЭЭ широко используются:

- при запуске и останове генерирующих электроэнергию систем: электрохимических генераторов (ЭХГ), дизель-генераторов и др.;

- в качестве буферного источника энергии для обеспечения пикового потребления в энергосистемах;

- для накопления электроэнергии при ее перепроизводстве (например, в энергоустановках с солнечными батареями и ветрогенераторами) с последующим ее использованием при недостатке генерируемой мощности;

- в качестве резервных источников энергии в системах бесперебойного электропитания;

- в качестве сглаживающего фильтра в сетях переменного тока для повышения качества энергии (cos ф);

- в качестве бортового или тягового источника электрической энергии различных мобильных и транспортных средств;

- для рекуперации энергии на электроприводных транспортных средствах.

Наиболее значимые области применения НЭЭ приведены в табл. 1.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 7 (63) 2008

© Scientific Technical Centre «TATA», 2008

Таблица 1

Области применения накопителей электрической энергии

Table 1

Accumulators of electrical energy spheres of application

Характеристика НЭЭ Область применения

мощность, кВт энергоемкость, кВт-ч

0,05-5,0 0,1-10,0 Теле- и радиоаппаратура. Профессиональный электроинструмент. Гибридные автомобили, электровелосипеды, скутеры. Необитаемые подводные аппараты. Робототехника. Микроспутники. Навигационное оборудование

1,0-50 5-100 Энергоустановки с ЭХГ и на базе солнечных батарей и ветрогенераторов. Дизель-генераторные установки. Резервные и буферные источники энергии. Системы гарантированного электроснабжения. Железнодорожные и метровагоны. Электроприводной городской транспорт. Стартерный запуск в авиации. Подводные и космические аппараты

25-250 50-500 Энергоустановки с ЭХГ. Резервные и буферные источники энергии. Системы гарантированного электроснабжения. Электроприводной рельсовый транспорт. Подводные аппараты

100-1000 250-3000 Энергоустановки с ЭХГ. Резервные и буферные источники энергии. Источники бесперебойного питания и качественной энергии. Подводные аппараты

Как наиболее востребованные следует отметить:

- Буферные электрические накопители для стационарных и мобильных комбинированных энергоустановок на базе тепловых двигателей и топливных элементов, в том числе в составе систем гарантированного электроснабжения.

- Резервные источники тока всех типов для операторов мобильной связи, железной дороги, метрополитена, учреждений банковской сферы и медицины и др.

- Бортовые (вагонные) НЭЭ для железной дороги и метрополитена.

- Буферные и тяговые НЭЭ для рельсового и городского электротранспорта и специальных применений.

- Стационарные НЭЭ высокой емкости для предприятий электроэнергетических отраслей промышленности и специальных применений.

- Портативные источники тока мощностью до 5 кВт для профессионального электроинструмента, малых транспортных средств, робототехнических устройств и др.

Использование НЭЭ в составе энергоустановок на основе топливных элементов позволяет:

1) снизить удельную стоимость ее установленной мощности;

2) повысить КПД и ресурс ее работы за счет

- стабилизации режима батареи топливных элементов в рабочей точке с оптимальным КПД;

- «смягчения» возникающих в энергоустановке переходных режимов работы;

- снижения затрат на собственные нужды.

Применение накопителей энергии на электротранспорте (на электропоездах метрополитена и железных дорог, троллейбусах и трамваях) позволяет более чем двукратно снизить пиковую мощность потребления электроэнергии, экономить до 40% электроэнергии за счет накопления энергии торможения, стабилизировать напряжения контактной сети. При использовании НЭЭ в комбинированных энергоустановках на транспорте с электрическим приводом (городских автомобилях и автобусах, маневровых тепловозах и дизель-поездах) достигается 20-30% экономии топлива и многократное снижение вредных выбросов.

Стартерные конденсаторы и аккумуляторы обеспечивают надежный запуск ДВС любой мощности при температурах -50/+70° С, что позволяет сократить до минимума работу двигателей различной техники на «холостом ходу» и за счет этого экономить до 20% топлива, особенно в зимний период.

Перспективные типы электрохимических накопителей

Выбор типа НЭЭ потребителем обусловлен прежде всего его требованиями к энергетическим и мощностным характеристикам накопителей. При этом важное значение для него имеет стоимость владения, определяемая первоначальной ценой изделия, стоимостью размещения и пуско-наладочных работ, а также затратами на обслуживание, ремонт и последующую утилизацию. Также обычно потребители учитывают и косвенные материальные потери, связанные с возможным нарушением энергоснабжения,

которые иногда существенно превышают стоимость источника электроснабжения.

Также необходимо учитывать и удобство владения, определяемое техническими характеристиками накопителей, наиболее важными из которых являются:

- удельные (объемные и массовые) энергия и мощность;

- срок службы (в циклах и годах);

- надежность и безотказность работы;

- удобство эксплуатации и ремонта, в том числе трудоемкость обслуживания.

Наиболее широкое практическое применение в качестве накопителей электрической энергии нашли вторичные химические источники тока: электрохимические конденсаторы (суперконденсаторы) и химические аккумуляторы. Принципиально они отличаются тем, что для накопления энергии в электрохимическом конденсаторе используются физические явления (заряд емкости двойного слоя на границе электрод-электролит), а в основе действия аккумуляторов лежит преобразование энергии обратимой химической реакции в электрическую энергию. В отличие от электрохимических конденсаторов, работа аккумуляторов обязательно сопровождается изменением химического состава и перестройкой структуры его электродов. Протекание на электродах таких физико-химических процессов приводит к их относительно быстрой деградации. Кроме того, различие в принципе действия этих источников тока определяет и их возможности в накоплении энергии.

Значение удельной энергии для аккумуляторов различных типов находится в диапазоне 20-160 Вт-ч/кг, для электрохимических конденсаторов -0,5-8 Вт-ч/кг. Величина удельной мощности для ак-

Сравнительные характеристик Comparative characteristics

кумуляторов обычно не превышает 102-103 Вт/кг, а у электрохимических конденсаторов может достигать 104 Вт/кг (см. табл. 2) [1].

В энергосистемах, где требуется формировать высокие мощности в течение коротких промежутков времени, применяются электрохимические конденсаторы. К их основным преимуществам относится большой ресурс при циклической работе, высокие мощности заряда/разряда. Они хорошо работают в условиях как пониженных, так и повышенных температур. Основным их недостатком является высокая стоимость при более низкой плотности энергии по сравнению с аккумуляторами. Поэтому они используются там, где требуется многократное циклирова-ние или когда им нет альтернативы из-за экстремальных рабочих температур. Основной областью применения электрохимических конденсаторов в качестве НЭЭ является импульсная техника и техника синусоидальных токов.

Для применений, в которых процессы накопления, хранения и передачи энергии протекают во временном диапазоне от нескольких месяцев до десятков минут, в качестве НЭЭ используются исключительно аккумуляторы.

Сегодня, благодаря низкой стоимости, наибольшее применение нашли свинцово-кислотные аккумуляторы. Объем их производства в стоимостном выражении (порядка 24 млрд $) составляет более 50% рынка химических источников тока. Однако они имеют относительно низкие удельные энергии и мощности, надежность (характерное свойство -«внезапный отказ») и ограниченный диапазон рабочих температур.

Таблица 2

и перспективных накопителей

ТаЬ1е 2

of perspective accumulators

Тип накопителя Свинцово-кислотный Литий-ионный аккумулятор (ЛИА) Электрохимический конденсатор (ЭХК)

аккумулятор (СКА) энергетический силовой органический гибридный

электролит щелочной

Плотность энергии, Вт-ч/кг (Вт-ч/л) 20-30 (80-90) 100-180 (250-400) 100-150 (150-250) 3-8 (2,5-6) 2,7-8,5 (4,8-12,7)

Плотность мощности, кВт/кг (кВт/л) 0,3-0,5 (1,0- 1,5) 0,5 (2,5) 3-5 (4,5-7,5) 3-9 (2,5-7,4) 1,3-4,0 (1,9-7,2)

Ресурс, цикл гл. разр. 80% /гл. разр. 5% 400 50 000 2000 нет данных 2500 140000 Более 1000000 Более 600000

Срок службы при 25° С, лет 2-10 Более 10 Более 15 Более 15

Рабочая температура, °С -30/+40 -40/+60 -40/+65 -50/+70

Разбаланс напряжений в батарее Самобалансировка в буферном режиме Требуется система контроля и выравнивания напряжения Самобалансировка в буферном режиме

Цена, $Ш/Вт-ч 0,05-0,4 0,5-1,5 1,2-3 10-50 4-10

118

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 7 (63) 2008

© Scientific Technical Centre «TATA», 2008

. : :

Наивысшими удельными энергетическими и мощностными показателями в комплексе обладают ЛИА, и возможности их совершенствования далеко не исчерпаны. В частности, теоретическим термодинамическим ограничением для базовой в настоящее время литий-ионной системы Ы/ЫСо02 является величина удельной энергии 540 Вт-ч/кг, для ряда других литиевых систем это термодинамическое ограничение находится на еще более высоком уровне. По экспертным прогнозам в ближайшие годы в серийных аккумуляторах будут реализованы величины удельной энергии 200-210 Вт-ч/кг для высокоэнергоемких аккумуляторов и удельной мощности 500010000 Вт/кг для высокомощных аккумуляторов, ресурс более 2000 полных (100%) циклов заряд-разряд при продолжительности эксплуатации в составе изделий 8-10 лет. При этом цена у производителей ЛИА постоянно снижается и при переходе на новые катодные материалы в крупносерийном производстве уже сегодня для энергетических серий достигает 0,3-0,5 $/Вт-ч. Это существенно ниже стоимости герметизированных щелочных аккумуляторов, но пока в 2-3 раза превышает стоимость обычных серий свин-цово-кислотных аккумуляторов.

В последние годы благодаря непрерывному совершенствованию технических характеристик, резкому повышению безопасности эксплуатации резко возросла электрическая емкость разрабатываемых и выпускаемых ЛИА и батарей (до 1000 и более А-ч), что позволило существенно расширить области их применения. Сегодня существует устойчивая тенденция к вытеснению ими из традиционных областей применения никель-кадмиевых, никель-металлгид-ридных и свинцово-кислотных аккумуляторов. Наиболее активно ЛИА внедряются в объекты специальной и военной техники: космические аппараты, ракетные комплексы, пилотируемую и беспилотную авиацию, необитаемые и обитаемые подводные аппараты и др.

В большинстве мобильных (транспортных, бортовых, носимых) применений ЛИА по техническим и ценовым показателям успешно конкурируют со щелочными аккумуляторами всех типов. Основным их недостатком до недавнего времени являлась плохая работа при низких температурах (до минус 20° С). Однако уже появились серийные ЛИА, удовлетворительно работающие до минус 40 и даже до минус 50° С. ЛИА целенаправленно создавались и сегодня рассматриваются как основной тип накопителей для использования в городском электроприводном транспорте и ставятся практически на все новые гибридные и аккумуляторные автомобили, а также малые транспортные средства - электровелосипеды, скутеры и др.

Единственная область, где сегодня используются преимущественно свинцово-кислотные аккумуляторы, - напольный транспорт. Однако ЛИА сложно

конкурировать в этой зоне только при использовании на погрузчиках, так как этому виду техники конструктивно необходим противовес, которым обычно и служит аккумуляторная батарея. Во всех других приложениях целесообразность применения ЛИА обусловлена:

- в 5 раз меньшей массой и в 5-10 раз большей мощностью батареи;

- в 1,5-2 раза большим ресурсом по сравнению с герметизированными и безуходностью по сравнению с открытыми сериями СКА;

- полной экологической безопасностью, простотой обслуживания и ремонта;

- более высокими скоростями заряда (20 минут до 90% Сном) без каких-либо газовыделений;

- отсутствием требования периодического полного заряда до Сном при использовании быстрого заряда (у СКА начинается сульфатация электродов).

По мере сближения стоимости герметизированых свинцово-кислотных и литий-ионных аккумуляторов последние становятся все более перспективными для различных стационарных применений, в том числе в системах бесперебойного электропитания. 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

- удельным энергетическим и мощностным характеристикам (в 3-5 раз);

- сроку службы (в 1,5-2 раза);

- возможности работы при повышенных температурах (более 35-40° С);

- 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 устройству, приводящим 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 батарей на базе СКА. Факторы и экспертная оценка дополнительных затрат, связанных с эксплуатацией свинцово-кислотных батарей, за 10 лет эксплуатации приведены в табл. 3.

Затраты на размещение и эксплуатацию НЭЭ на базе СКА в течение 10 лет превышают цену комплекта аккумуляторов в 3-6 раз, тогда как для НЭЭ на базе ЛИА - в 1,2-1,5 раза.

«II

119

Сравнительная оценка1 эксплуатационных затрат НЭЭ на базе ЛИА и СКА Comparative evaluation of operational EESD expenses on the basis of LIB and LAB

Таблица 3

Table 3

Характеристика Аккумулятор Дополнительные расходы для НЭЭ на базе СКА, (в % 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 И2 нет Отдельное помещение с вентиляцией (10-20% за 10 лет)

Рабочие температуры, °С -40/+40 -40/+60 Кондиционирование помещения (10-20%) или снижение ресурса при 1 > 35° С

Ресурс, циклов при БОБ = 80% 1200 2500 Замена выработавшей ресурс батареи (250-500% за 10 лет при 365 циклах за 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 Сном (5-10%)

Оценка проведена на основе анализа эксплуатационных затрат батарей номинальной энергоемкостью 50 кВт-ч на базе полимерных ЛИА емкостью 240 А-ч фирмы Kokam и СКА емкостью 230 А-ч серии Solar фирмы Exide.

Микропроцессорные системы управления НЭЭ

Определяющее значение для обеспечения оптимизации стоимости и удобства владения батареями электрических накопителей приобретают электронные системы контроля и управления (СКУ). Ярким примером этому служат батареи литий-ионных аккумуляторов, основным недостатком которых на начальном этапе их внедрения считалась необходимость использования специализированных электронных блоков для обеспечения их безопасной эксплуатации. Сегодня электронные устройства контроля стали неотъемлемым атрибутом батарей практически всех типов (даже автомобильных стартер-ных). Использование СКУ, работающей по сложным алгоритмам и обеспечивающей контроль большого количества параметров батареи и единичных накопителей, дает возможность значительно увеличить не только надежность и безопасность, но и ресурс работы НЭЭ. При этом в случае батарей высокой емкости стоимость СКУ значительно ниже суммарной стоимости единичных накопителей, что позволяет снизить совокупную стоимость владения батареей за счет увеличения ресурса при малом росте цены изделия.

Для портативных применений СКУ батарей ЛИА до последнего времени в основном строили на базе специализированных микросхем контроля и защиты. В связи с освоением серийного производства ЛИА с новыми электродными материалами, имеющими различные «коридоры безопасных напряжений», в разработках СКУ наметилась тенденция к замене специализированных микросхем на микропроцессоры, позволяющие оперативно менять не только уставки, но и вносить изменения в сам алгоритм работы СКУ, в том числе использовать адаптивные алгоритмы с нечеткой логикой.

Повысить эффективность использования НЭЭ, а также и его ресурс можно путем предсказания состояния отдельных накопителей и батареи в целом и формирования на его основе управляющих воздействий на НЭЭ. Реализация подобных возможностей в значительной степени зависит от используемого алгоритма работы СКУ. Наилучшие результаты по предсказанию состояния НЭЭ в настоящее время получены при использовании современных самооптимизирующихся алгоритмов: фильтров Кальмана и нейронных сетей [2-4].

Фильтр Кальмана является одним из вариантов самообучающихся алгоритмов. Для работы фильтра Кальмана необходимо предположение об ошибках в

120

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 7 (63) 2008

© Scientific Technical Centre «TATA», 2008

1ШМКШ

измерении величин состояния системы в начальный момент времени и собственно данные об этом состоянии (напряжения и температура единичных накопителей, ток батареи). Наличие серьезных погрешностей в исходных данных, как правило, мало влияет на работу алгоритма - сходимость обеспечивается в любом случае. Работа системы выглядит следующим образом: на основании исходных матриц система предполагает следующее состояние системы, а затем, после получения данных, корректирует его и расчетную ошибку в его определении.

Нейронные сети можно рассматривать как расширенную версию фильтра Кальмана. При использовании нейронных сетей, однако, не требуется даже предварительных знаний о характере закономерностей, влияющих на информационные матрицы. Простейшая одноуровневая нейронная сеть может быть расширена путем использования в первом уровне набора единичных элементов (так называемых нейронов), сигналы которых являются входными сигналами для нейронов следующего уровня. Тогда функция ошибки (определяемая для оконечного слоя) может быть распространена обратно по нейронной сети для обучения внутренних и первого слоя. Таким образом, достигается высокая скорость адаптации системы к реальным параметрам батареи. Обычно в СКУ используются трехуровневые нейронные сети с линейными функциями активации во внешних слоях и сигмоидными функциями во внутреннем слое.

В общем случае СКУ должна обеспечивать [5]:

• контроль тока, напряжений и температуры накопителей;

• защиту батареи от токовых перегрузок;

• отключение или перевод в безопасное состояние отказавших единичных аккумуляторов или групп аккумуляторов;

• выработку управляющих команд для системы терморегулирования батареи;

• прием и отработку внешних управляющих команд, передачу информации о состоянии батареи;

• самотестирование работоспособности блоков, входящих в состав СКУ.

Кроме вышеперечисленных для высоковольтных стационарных и мобильных батарей СКУ должны обеспечивать выравнивание степени заряженности (нивелировать разбаланс напряжений) единичных аккумуляторов. Причиной появления разбаланса напряжений в батарее является различие в степени за-ряженности накопителей из-за разных скоростей их саморазряда. Саморазряд обусловлен как токами утечек через их внешние и внутренние электрические цепи, так и электрохимическими процессами, протекающими на электродах.

Следствием разбаланса напряжений в батарее является работа батареи по «худшему» (наиболее разряженному) аккумулятору, даже если он имеет наибольшую номинальную емкость среди всех аккумуляторов в батарее.

Среди методов выравнивания напряжения (степени заряженности) накопителей в батареях следует отметить:

• параллельный заряд накопителей;

• заряд батареи с отключением накопителей, заряженных до заданного напряжения, от зарядной цепи;

• выравнивание напряжения при заряде за счет шунтирования накопителей электронной схемой;

• подзаряд накопителей, напряжение которых меньше среднего значения по батарее.

Наиболее простым и надежным с точки зрения схемотехнического исполнения является параллельный заряд батареи. В этом случае каждый накопитель заряжается от индивидуального зарядного устройства, выходные цепи которых гальванически развязаны между собой.

Заряд батареи с отключением накопителей от зарядной цепи предусматривает наличие в силовой цепи батареи мощных ключевых элементов, обеспечивающих последовательный вывод из зарядной цепи накопителей, достигнувших максимального зарядного напряжения. Кроме нивелирования разбаланса, наличие в батарее ключевых элементов позволяет:

• при разряде отключать наиболее разряженные накопители, обеспечивая более полный разряд остальных накопителей в батарее;

• повысить надежность работы батареи, обеспечивая дистанционный вывод из ее состава накопителей, вышедших из строя.

Заряд батареи может осуществляться и без вывода накопителей зарядной цепи при их шунтировании электронной схемой. В отличие от предыдущего метода заряженные накопители остаются в зарядной цепи, но к ним параллельно с помощью управляемого ключевого элемента подключается электронная схема, обеспечивающая стабилизацию его напряжения при заряде оставшейся части батареи.

Аппаратно выравнивание напряжения в батарее за счет подзаряда обеспечивается подключением к каждому накопителю через коммутатор источника постоянного тока, питание которого осуществляется от внешнего источника энергии или от самой батареи. Управление коммутатором осуществляется микропроцессорным блоком, анализирующим текущее распределение напряжений в батарее.

Новые подходы к интеграции НЭЭ с первичными источниками энергии

В [6] предложен принцип построения электроэнергетических систем, основанный на глубокой интеграции электрических накопителей и первичных источников тока на уровне единичных элементов или модулей с использованием блоков силовой и микропроцессорной электроники. Принципиальным отличием предлагаемого схемного решения (рис. 1) от традиционного модульного построения комбинированных энергоустановок является то, что единичные первичные источники тока (например топлив-

ные элементы) ТЭ1...ТЭ6 не соединены между собой в единую электрическую цепь (гальванически развязаны) и непосредственно не связаны с нагрузкой. Каждый ТЭ через соответствующий электронный преобразователь А1...А6 и ключ К1...К6 подключен к соответствующему единичному накопителю в1.в6 и заряжает его под контролем схемы управления А7, образуя таким образом единичный энергетический модуль. Для обеспечения необходимого напряжения и мощности эти энергетические модули собираются по последовательно-параллельной схеме, используя электрическую цепь накопителей. Для индикации состояния (работоспособности) топливных элементов ТЭ1...ТЭ6 предусмотрены светодиодные индикаторы Б1.. ,Б6.

U+

X4A4^K4-fi

у ТЭ4 ы

Рис. 1. Принципиальная электрическая схема комбинированной энергоустановки Fig. 1. A principal electrical scheme of a combined power plant

В качестве первичных источников тока кроме топливных элементов могут использоваться воздушно-металлические источники тока, солнечные батареи и др. Такое построение энергоустановки позволяет существенно упростить ее конструкцию и эксплуатацию, так как каждый единичный первичный элемент гальванически развязан и работает независимо друг от друга.

Предложенный новый принцип построения энергоустановок дает возможность на базе относительно маломощных первичных источников энергии создавать мощные энергоемкие системы электропитания. Он может быть также использован для проектирования портативных источников тока на базе топливных элементов с неразделенными газовыми пространствами, однокамерных топливных элементов, единичных воздушно-металлических источников тока.

Состояние разработок современных электрохимических накопителей в России

В России, несмотря на возрастающие потребности внутреннего рынка, наблюдается существенное отставание от передовых в техническом отношении стран в разработке и производстве современных электрохимических накопителей. В частности, практически отсутствует производство стационарных и тяговых необслуживаемых аккумуляторов всех типов, а их рынок занят импортной продукцией. Хотя о ведении собственных разработок в области герметизированных СКА еще в 2004 г. заявили ОАО «Подольский аккумуляторный завод» и ОАО «Электросила» (С.Петербург) [7]. Из отечественных аккумуляторов конкуренцию импортной продукции составляют только никель-водородные батареи космического применения производства ОАО «Сатурн» (г. Краснодар).

Отечественные электрохимические конденсаторы в основном производятся на базе водных электролитов и из-за более низких рабочих напряжений в основном проигрывают импортной продукции с органическими электролитами по удельным мощностным и энергетическим характеристикам. Исключением являются щелочные гибридные ЭХК, производимые фирмой «ЭСМА» [8].

Несмотря на высокий уровень отечественных первичных литиевых источников тока (ФГУП «АЛЬТЕН», ОАО «Литий-элемент» и др.), до последнего времени литий-ионные аккумуляторы у нас серийно не производились. В начале 2006 г. о готовности производства ЛИА емкостью до 14 А-ч заявило ОАО «Аккумуляторная компания «Ригель» (С.Петербург), где был введен в эксплуатацию производственный участок производительностью порядка 300 кВт-ч/год [9]. Этот тип аккумуляторов разрабатывается также ОАО «НИАИ «Источник» (С.-Петербург), ФГУП «НИИ электроугольных изделий (г. Электроугли).

ОАО «ГИРИКОНД» (С.-Петербург) совместно с рядом организаций этого города успешно ведут НИОКР по созданию ЭХК с органическим электролитом (аналог ЭХК фирмы EPCOS), уровень - отработка лабораторной технологии производства и испытания экспериментальных и опытных образцов [10].

Рядом российских предприятий (ФГУП «ИЦ им. Келдыша», ОАО «Сатурн», ОАО «АВЭКС», ОАО «АК «Ригель» и др.) начаты НИОКР по созданию батарей на базе ЛИА для спецтехники (в том числе систем энергопитания для космических и подводных аппаратов) [11]. Основной проблемой при их создании является разработка систем контроля и управления, обеспечивающих безопасную работу и нивелирование разбаланса напряжений в батарее. Уровень большинства разработок - эскизное или техническое проектирование, испытание макетных и экспериментальных образцов НЭЭ.

Наша Компания ведет опытно-конструкторские работы по созданию параметрического ряда накопи-

122

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 7 (63) 2008

© Scientific Technical Centre «TATA», 2008

1ШМКШ

телей энергии для стационарных приложений мощностью от 5 кВт до 1 МВт. В настоящее время разработаны батарейные модули на базе полимерных литий-ионных аккумуляторов емкостью от 40 до 240 А-ч (рис. 2).

Батарейные модули и двухуровневая микропроцессорная система контроля и управления с функ-

цией выравнивания степени заряженности единичных аккумуляторов в батарее (рис. 3) позволяют комплектовать односекционные батареи с напряжением до 1000 В в диапазоне мощностей от 5 до 240 кВт и диапазоне энергоемкостей от 2 до 230 кВт-ч (рис. 4).

b c

Рис. 2. Батарейные модули: а - 120 В - 40 Ач, b - 60 В - 40 А ч, c - 60 В - 240 А ч Fig. 2. Battery modules а -120 В - 40 А-h, b - 60 В - 40 А-h, c - 60 В - 240 А-h

Рис. 3. Двухуровневая микропроцессорная система СКУ с функцией выравнивания Fig. 3. A two-level CMS microprocessor system with a leveling function

О T

а

со

I модуль аде 4оач I Модуль 1200 40Ач модуль аде 100Ач

■ Модуль 120В 100А* I Модуль 60в ¿ЧОАч

Высокоэнергетические

Высокой мощности

0 ВО 160 240

Мощность, кВт

Рис. 4. Параметрический ряд разработанных односекционных литий-ионных батарей Fig. 4. Parametrical sequence of data for the developed single-section Li-Ion batteries

Микропроцессорные СКУ не только обеспечивают высокий уровень надежности и безопасности работы, но повышают ресурс работы и удобство эксплуатации и ремонта НЭЭ. Комплектование батареи планируется производить в основном импортными аккумуляторами, одновременно развивая связи с отечественными производителями аналогичной продукции, которые начали появляться на рынке, в том числе и со своими собственными (российскими) разработками.

Заключение

1. Введение в состав электроэнергетических систем и комбинированных установок накопителей электрической энергии улучшает их технические, эксплуатационные и стоимостные характеристики.

2. Накопители электрической энергии на базе литий-ионных аккумуляторов по критерию цена / качество превосходят другие типы серийно выпускаемых электрохимических накопителей и активно их вытесняют из большинства стационарных и мобильных применений.

3. Микропроцессорные системы контроля и управления - необходимый элемент любого современного накопителя электрической энергии, обеспечивающий высокий уровень надежности, безопасности, удобства эксплуатации и ремонта, а также повышающий ресурс его работы.

4. Интеграция электрических накопителей и первичных источников тока на уровне единичных элементов или модулей с использованием блоков силовой и микропроцессорной электроники позволяет существенно упростить конструкцию и режимы экс-

а

плуатации энергоустановки, а также дает возможность на базе относительно маломощных первичных источников энергии создавать мощные энергоемкие системы электропитания.

5. Несмотря на отставание России в области производства перспективных электрохимических накопителей, большинство отечественных разработок накопителей электрической энергии и систем на их основе, использующих в основном импортные комплектующие элементы, отвечает современным требованиям, предъявляемым к электрическим накопителям нового поколения.

Список литературы

1. Груздев А.И., Туманов В.Л. Накопители электрической энергии для энергоустановок с топливными элементами. Труды II Международного симпозиума по водородной энергетике. 1-2 ноября 2007 г., г. Москва. М.: Издательский дом МЭИ. С. 77-80.

2. Salkind A.J., Fennie C., Singh P., Atwater T., Reisner D. Determination of state-of-charge and state-of-health of batteries by fuzzy logic methodology // Journal of Power Sources. 1999 (80). P. 293-300.

3. Piller S., Perrin M., Jossen A. Methods for state of charge determination and their applications // Journal of Power Sources. 2001. 96. P. 113-120.

4. Chan C.C., Lo E.W.C., Weixiang S. The available capacity computational model based on artificial neural network for lead-acid batteries in electric vehicles // Journal of Power Sources. 2000 (87). P. 201-204.

5. Груздев А.И. Концепция построения систем контроля и управления высокоэнергоемких литиевых аккумуляторных батарей // Электрохимическая энергетика. 2005. Т. 5, № 2. С. 90-93.

6. Груздев А.И., Туманов В.Л. Комбинированный источник постоянного тока. Заявка на изобретение №РСТ/Яи 2007/000170 от 11.04.07.

7. Каменев Ю.Б. Материалы 6-й международной конференции «Фундаментальные проблемы электрохимической энергетики». 5-9 сент. 2005 г., Саратов. Саратов: Изд-во СГУ. С. 535-538.

8. Менухов В. Сверхъемкие электрохимические конденсаторы. Что это такое? // Электронные компоненты и технологии. 2000. № 5. С. 59-62.

9. Вдовин Н.Н., Груздев А.И., Жданов В.В., Крас-нобрыжий А.В. Принципы построения высокоэнергетических батарей на базе литий-ионных аккумуляторов большой емкости. Материалы. VI межд. конф. «Фундаментальные проблемы электрохимической энергетики», Саратов, 5-9 сент. 2005. Саратов: Изд-во СГУ. С. 63-65.

10. Кузнецов В.П., Компан М.Е., Кравчик А.Е. Двойнослойные конденсаторы (ионисторы) на основе нанопористых углеродных материалов - перспективные накопители электроэнергии // Альтернативная энергетика и экология. 2007. № 2 (46). С. 106-109.

11. Мансуров В.С., Пришлецов А.Б., Щербинин В. П. Разработка отечественной литий-ионной аккумуляторной батареи для космических аппаратов // Новости космонавтики. 2005. № 10. С. 25-26.

EP SHANGHAI 2009 - 7-Я МЕЖДУНАРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ВЫСТАВКА ОБОРУДОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИЙ

Время проведения: 08.07.2009 - 10.07.2009 Место проведения: Китай, Шанхай Темы: Энергетика, Электроника и электроэнергетика

EP Shanghai 2009 будет проходить в Международном выставочном центре г. Шанхай совместно с 6-й Международной выставкой по электрооборудованию Electrical Shanghai.

Выставка проводится попеременно в Пекине и Шанхае. Среди спонсоров и организаторов выставки крупнейшие энергетические компании КНР и государственные организации.

Общая площадь EP Shanghai 2007 достигла 14000 кв. м. 300 компаний из 21 страны мира представили свое оборудование и услуги многочисленным посетителям, которых было зарегистрировано 26800 человек. С национальными павильонами на выставке в этом году решили принять участие Германия, Корея, США и Великобритания. Одновременно с EP Shanghai 2007 проводились конференция и ряд технических семинаров. 91% участников EP Shanghai 2007 оценили отдачу работы на выставке не только на отлично, но и даже поторопились забронировать площадь на выставке 2008 г.

Профили выставки:

• Оборудование для выработки электроэнергии на ТЭС, ГЭС и АЭС.

• Оборудование и технологии передачи и распределения электроэнергии.

• Системы электроснабжения (SCADA/DMS/EMS).

• Контрольно-испытательное оборудование и приборы.

• Инженерно-строительные услуги «под ключ».

• Нетрадиционные источники электроэнергии - ветровая, геотермальная, солнечная, приливная и т.д.

• Информационные технологии для энергетики.

• Телекоммуникационное оборудование для энергетики.

• Технологии энергосбережения и охраны окружающей среды.

• Промышленное оборудование для выработки электроэнергии (турбины, дизели и т.д.).

• Оборудование и материалы для производства электроэнергии.

-j a International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 7 (63) 2008

© Scientific Technical Centre «TATA», 2008