До 2000 циклов «заряд-разряд»: литий-железофосфатные аккумуляторы EEMB

Евгений Звонарев (КОМПЭЛ)

Аккумуляторы с длительным сроком эксплуатации и высоким уровнем безопасности. Допускают высокий ток заряда и высокую скорость разряда. Применимы для электроинструмента, электромобилей, резервных источников питания, базовых станций мобильной связи. Все это – новые литий-железофосфатные аккумуляторы EEMB.

Cовременная электроника предъявляет все более высокие требования к мощности и емкости автономных источников тока. В то время как параметры никель-кадмиевых и никель-металлогидридных аккумуляторов вплотную приблизились к своему теоретическому пределу, технологии литий-ионных источников энергии находятся только в начале своего развития.

Литий-железофосфатные аккумуляторы (Lithium Iron Phosphate = Li-FePO4) - это один из новых видов литиевых аккумуляторов с номинальным напряжением 3,2...3,3 В на элемент. Отсутствие токсичности, безопасность эксплуатации, высокая эффективность, длительный срок службы при высокой удельной мощности позволяют широко использовать эти аккумуляторы в электрических транспортных средствах, базовых телекоммуникационных станциях, системах обеспечения энергией дома.

Основные особенности и характеристики аккумуляторов Li-FePO4:

• длительный срок эксплуатации- более 2000 циклов «заряд-разряд» (при заряде и разряде током в 1С после 2000 циклов остается примерно 80% емкости от первоначального значения);
• высокий уровень безопасности: отсутствие пожара и взрыва при заряде или коротком замыкании;
• допускают высокий ток заряда, что резко уменьшает необходимое время заряда аккумулятора;
• допускают высокую скорость разряда током до 10С;
• производство литий-железофос­фат­ных аккумуляторов не отравляет окружающую среду, так как все сырье является экологически чистым;
• элементы можно включать параллельно для увеличения емкости батареи и последовательно для увеличения напряжения;
• диапазон рабочих температур: от -10 до 60°;
• широкие перспективы развития на будущее.

Основной вклад в развитие этой технологии внесла компания A123 Systems (США). Компания EEMB покупает по лицензии материалы для производства LiFePO4 аккумуляторов, что гарантирует высокое качество выпускаемых аккумуляторов.

На рис. 1 показано сравнение энергетической плотности аккумуляторов разных типов.

Рис. 1. Сравнение энергетической плотности аккумуляторов разных электрохимических систем

Рассматриваемые в статье литий-железофосфатные аккумуляторы немного уступают по плотности энергии литий-полимерным, но благодаря особенностям, перечисленным выше, эти аккумуляторы находят оптимальное применение в электрическом транспорте. Допустимость большого количества циклов «заряд-разряд» до 2000 при снижении емкости до 80% обеспечивает этим аккумуляторам неоспоримые преимущества по сравнению с предшественниками более ранних технологий электрохимических систем. На рис. 2 показана типовая зависимость снижения емкости аккумуляторов Li-FePO4 до гарантированной остаточной емкости 90% при 1000 циклах «заряд-разряд» током 1С. Указываемые в документации количества циклов «заряд-разряд» не означают, что при достижении этого числа аккумуляторы ждет летальный исход. Это лишь означает снижение их емкости всего на 10-20%.

Рис. 2. Зависимость емкости аккумуляторов Li-FePO4 от количества циклов «заряд-разряд»

На рис. 3 показаны кривые заряда током 0,5С и разряда током 0,2С. Номинальным напряжением для аккумуляторов Li-FePO4 считается уровень 3,2...3,3 В. Максимально допустимое напряжение полного заряда составляет 3,7 В. К сожалению, из-за этого Li-FePO4 источники энергии нельзя заряжать устройствами для литий-ионных аккумуляторов. Практически во время всего процесса разряда литий-железофосфатные аккумуляторы обеспечивают номинальное значение напряжения 3,2...3,3 В, что, несомненно, можно отнести к достоинствам этого типа источников тока.

Рис. 3. Графики заряда-разряда аккумулятора Li-FePO4 (один элемент)

В таблице 1 показаны основные параметры одноэлементных литий-железофосфатных аккумуляторов компании EEMB. Номинальная емкость этого типа аккумуляторов находится в пределах от 600 мАч (вес 15 г) до 36000 мАч (вес 900 г). Одноэлементные Li-FePO4 аккумуляторы чаще всего применяются в приборах с автономным питанием. Эти аккумуляторы допускают разряд очень высоким током до 10С. После 2000 циклов «заряд-разряд» током 1С остаточная емкость составляет около 80%.

Таблица 1. Одноэлементные LiFePO4 аккумуляторы EEMB Наименование Номинальное
напряжение, В Номинальная емкость, мАч Толщина, мм Ширина, мм Высота, мм Вес, г LP603449F 3,2 600 6,0 34 49 15 LP385590F 1250 3,8 5,5 90 32 LP45100135F 4000 4,5 100 135 100 LP60100135F 5500 6,0 100 135 138 LP70103122F 6700 7,0 103 122 168 LP75103122F 7000 7,5 103 122 175 LP8867220F 9000 8,5 67 220 225 LP60255205F 22000 6,0 255 205 550 LP90255205F 36000 9,0 255 205 900

В таблице 2 приведены параметры литий-железофосфатных аккумуляторов серии "GOLF CART". Эти автономные источники энергии предназначены для электротранспорта малой мощности. Емкость аккумуляторов этого типа находится в пределах от 10 до 60 Ач при весе от 0,5 до 12,0 кг. Все они собираются из одинаковых одноэлементных аккумуляторов с габаритными размерами 9,1х67,5х222 мм. Li-FEPO4 аккумуляторы допускают параллельное и последовательное соединение ячеек. Благодаря этому можно легко изменять емкость и напряжение аккумуляторов. В таблице 2 последовательное соединение аккумуляторов обозначается буквой "S" (S = Serial = последовательный), а параллельное соединение элементов сборки - буквой "P" (P = Parallel = параллельный). Окончания наименований аккумуляторов этой серии указывают, каким образом одноэлементные ячейки соединены в конкретной сборке. Часто номинальные напряжения аккумуляторов Li-FEPO4 указываются округленными значениями. Например, для аккумуляторов с номинальными напряжениями 6.4; 9,6; 12,8 и 25,6 В указываются стандартные напряжения 6; 9; 12 и 24 В.

Таблица 2. Li-FePO4 аккумуляторы серии «GOLF CART»

Наименование Тип сборки аккумуляторной батареи* Номинальное
напряжение, В Номинальная емкость, Ач Габаритные размеры одного элемента сборки, мм Вес всей
сборки, кг LP8867220F-2S 2S 6,4 (6) 10 9,1 x 67,5 x 222 0,5 LP8867220F-2S 2P3S 9,6 (9) 20 1,5 LP8867220F-3P3S 3P3S 9,6 (9) 30 2,5 LP8867220F-3P4S 3P4S 12,8 (12) 30 3.0 LP8867220F-4P3S 4P3S 9,6 (9) 40 3,0 LP8867220F-4P4S 4P4S 12,8 (12) 40 4,0 LP8867220F-5P4S 5P4S 12,8 (12) 50 5,0 LP8867220F-8S 8S 25,6 (24) 10 2,0 LP8867220F-3P8S 3P8S 25,6 (24) 30 6,0 LP8867220F-6P8S 6P8S 25,6 (24) 60 12,0 * Пример: 3P4S – 3 параллельно включенных сборки (каждая сборка состоит из 4 последовательно включенных аккумуляторов),
P – Parallel = параллельное включение, S – Serial = последовательное включение.

В таблицу 3 сведены параметры литий-железофосфатных аккумуляторов для электрических скутеров и электроинструментов. Аккумуляторы этой серии обладают емкостью от 1,4 до 8,4 Ач при весе от 150 г до 2,1 кг. Небольшие размеры, высокий допустимый ток разряда, большой срок службы, высокая плотность энергии, отсутствие эффекта памяти обеспечивают популярность этих аккумуляторов в подходящих по мощности приборах, где необходимо автономно питать электродвигатели. Номинальные напряжения этих источников энергии от 9,6 до 22,4 В.

Таблица 3. Параметры аккумуляторных батарей серии «E-scooter» Наименование Тип сборки аккумуляторной батареи Номинальное напряжение, В Номинальная емкость, мАч Допустимый ток длительного разряда Габаритные размеры одного элемента сборки, мм Вес всей сборки, г LIP18650-3S 3S 9,6 1400 2C 18,2 х 64,5 150 LIP18650-4S 4S 12,8 1400 2C 200 LIP18650-5S 5S 16,0 1400 2C 250 LIP18650-6S 6S 19,2 1400 2C 300 LIP18650-7S 7S 22,4 1400 2C 350 LIP18650-2P3S 2P3S 9,6 2800 2C 300 LIP18650-3P4S 3P4S 12,8 4200 2C 600 LIP18650-4P5S 4P5S 16,0 5600 2C 1000 LIP18650-5P6S 5P6S 19,2 7000 2C 1500 LIP18650-6P7S 6P7S 22,4 8400 2C 2100

Аккумуляторы Li-FePO4 серии E-bike, параметры которых сведены в таблице 4, предназначены электродвигателей, вращающих колеса велосипедов. Без сомнения, наши разработчики найдут и другие применения для этих аккумуляторов. Эти химические источники тока также выпускаются в сборках, где одиночные элементы соединены последовательно или параллельно-последовательно. Округленные значения номинальных напряжений сборок серии E-bike составляют 24 или 36 В при номинальной емкости 10...30 Ач и весе от 2,5 до 10 кг. Габаритные размеры одного элемента сборки этой серии 9,1х67,5х222 мм.

Таблица 4. Параметры аккумуляторных батарей серии «E-bike» Наименование Тип сборки аккумуляторной батареи Номинальное
напряжение, В Номинальная
емкость, Ач Габаритные размеры одного элемента сборки, мм Вес всей
сборки, кг LP8867220F-8S 8S 24 10 9,1 x 67,5 x 222 2,5 LP8867220F-2P8S 2P8S 24 20 4,5 LP8867220F-3P8S 3P8S 24 30 7,0 LP8867220F-4P8S 4P8S 24 40 9,0 LP8867220F-12S 12S 36 10 3,5 LP8867220F-2P12S 2P12S 36 20 7,0 LP8867220F-3P12S 3P12S 36 30 10,0

В таблицу 5 сведены параметры литий-железофосфатных аккумуляторов еще более мощной серии E-motorcycle для электрических мотоциклов. Номинальное напряжение всех аккумуляторов этой серии составляет 48 В. Минимальное значение номинальной емкости этой серии равно 9 Ач при весе 4 кг. Максимальное значение емкости 90 Ач при весе 40 кг. Размеры одного элемента - 7,5х67х220 мм. Все аккумуляторы этой серии состоят из 16 последовательно включенных сборок. Каждая сборка - это несколько параллельно включенных одиночных элементов (исключение составляет аккумулятор LP7567220F-16S, состоящий всего из одной сборки).

Таблица 5. Параметры аккумуляторных батарей серии «E-motorcycle»

Наименование Тип сборки аккумуляторной батареи Номинальное напряжение, В Номинальная
емкость, Ач Габаритные размеры одного элемента сборки, мм Вес всей сборки, кг LP7567220F-16S 16S 48 9 7,5 x 67 x 220 4 LP7567220F-2P16S 2P16S 18 8 LP7567220F-3P16S 3P16S 27 12 LP7567220F-4P16S 4P16S 36 16 LP7567220F-5P16S 5P16S 45 20 LP7567220F-6P16S 6P16S 54 24 LP7567220F-7P16S 7P16S 63 28 LP7567220F-8P16S 8P16S 72 32 LP7567220F-9P16S 9P16S 81 36 LP7567220F-10P16S 10P16S 90 40

В таблицах 6 и 7 приведены параметры литий-железофосфатных аккумуляторов для источников питания на солнечных батареях и для обеспечения резервного питания аппаратуры базовых станций мобильной связи. Аккумуляторы серии Energy Storage (таблица 6) выпускаются с номинальными напряжениями 12 и 24 В. Диапазон номинальных емкостей лежит в пределах от 12 до 20 Ач при весе от 1,5 до 4,5 кг.

Таблица 6. Параметры аккумуляторных батарей серии «Energy Storage» Наименование Напряжение батареи, В Емкость, Ач Вес, кг EEMB-2A 12 12 1,5 EEMB-2B 12 20 2,5 EEMB-2C 12 28 3,2 EEMB-2D 24 20 4,5

Таблица 7. Параметры аккумуляторов Li-FePO4 для базовых станций мобильной связи

Наименование Напряжение батареи, В Емкость, Ач Вес, кг EEMB-1A 12 50 6 EEMB-1B 24 100 22 EEMB-1C 48 100 40 EEMB-1D 48 200 78

Основные параметры аккумуляторов Li-FePO4 серии «Mobile Telecommunication Base Station Battery» для резервного питания телекоммуникационного оборудования сведены в таблицу 7. Эти автономные источники тока имеют самую большую емкость среди всех серий литий-железофосфатных аккумуляторов, выпускаемых компанией EEMB. Диапазон номинальных емкостей этой серии - от 50 до 200 Ач при весе от 6 до 78 кг. Номинальные напряжения этой серии - 12, 24 и 48 В.

Для создания зарядных устройств можно применить специализированные контроллеры заряда литий-железофосфатных аккумуляторов компании Texas Instruments (http://www.ti.com/). TI предлагает также решения для заряда аккумуляторов LiFePO4 на основе контроллеров для литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов, где изменены уровни напряжений, до которых необходимо заряжать литий-железофосфатные аккумуляторы. Напечатав в окне поиска на сайте http://www.ti.com/ ключевое слово LiFePO4, можно найти руководства по применению для создания зарядных устройств литий-железофосфатных аккумуляторов.

Дополнительную информацию о рассмотренной в статье продукции компании EEMB можно найти на сайте производителя http://www.eemb.com/.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка - e-mail: ac-dc-ac.vesti@compel.ru