Тяговые аккумуляторы

Инвалидные коляски, скутеры и гольф-кары в основном используют свинцово-кислотные аккумуляторы. Несмотря на их тяжесть, свинцово-кислотные аккумуляторы работают достаточно хорошо, и предпринимаются лишь умеренные попытки перейти на другие системы. Литий-ионные аккумуляторы станут естественной альтернативой во многих случаях.

Хотя литий-ионные аккумуляторы дороже свинцово-кислотных, стоимость цикла может быть ниже благодаря более длительному сроку службы. Еще одним преимуществом литий-ионных аккумуляторов перед свинцово-никелевыми являются низкие затраты на обслуживание. Литий-ионные аккумуляторы можно оставлять в любом состоянии заряда без негативных побочных эффектов. В отличие от них, никель-кадмиевые и никель-металлогидридные аккумуляторы требуют периодического полного разряда для предотвращения «эффекта памяти», а свинцово-кислотные аккумуляторы нуждаются в насыщенном заряде для предотвращения сульфатации.

Большинство инвалидных колясок и гольф-каров до сих пор работают на свинцово-кислотных аккумуляторах, как и вилочные погрузчики. Для вилочных погрузчиков большой вес не является проблемой, но длительное время зарядки является недостатком для складов, работающих круглосуточно. Некоторые вилочные погрузчики оснащены топливными элементами, которые заряжают аккумулятор во время использования транспортного средства. Аккумулятор можно уменьшить, но не исключить, поскольку топливный элемент имеет плохую подачу энергии и медленно разгоняется при необходимости; аккумулятор остается основным источником питания.

Чем тяжелее колесное транспортное средство, тем менее пригодным становится аккумулятор. Это не мешает инженерам рассматривать большие аккумуляторные системы для замены загрязняющих двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Одним из таких применений является система автоматически управляемых транспортных средств (AGV) в судовых портах. AGV работают 24 часа в сутки, и транспортные средства не могут быть пришвартованы для длительных интервалов зарядки. Литий-ионные аккумуляторы частично решают эту проблему, заменяя очень большой 10-тонный свинцово-кислотный аккумулятор емкостью 300 кВт·ч более легким аккумулятором, который можно заряжать быстрее. Но очень большие аккумуляторы имеют ограничения из-за веса, времени зарядки и инфраструктуры, и топливный элемент может решить проблему больших тяговых систем.

Батарейные мониторы

Отслеживай основные показатели аккумуляторов и будь в курсе состояния твоего АКБ

Батарейный монитор Victron BMV-700

Монитор подходит для AGM, GEL, а также литиевых батарей LiFePO4, и измеряет напряжение, ток, потреблённую ёмкость, время до разряда, а также может опционально отображать температуру батареи.

Купить

Батарейный монитор Victron SmartShunt 500A

Это интеллектуальный шунт с функциями полноценного батарейного монитора, который подключается к вашему смартфону или GX-устройству через встроенный Bluetooth или VE.Direct порт.

Купить

Батарейный монитор Victron SmartShunt 500A IP65

Улучшенная версия популярного SmartShunt, разработанная для использования во влажных, пыльных или морских условиях, с полной защитой корпуса по стандарту IP65.

Купить

Посмотреть больше

Однако, пока не существует экономического решения для использования аккумуляторов для больших тяговых систем, и полностью избежать сжигания ископаемого топлива невозможно. Хотя современный литий-ионный аккумулятор обеспечивает около 150 Вт·ч/кг энергии, чистая теплотворная способность (ЧТС) ископаемого топлива превышает 12 000 Вт·ч/кг. Даже при низком КПД двигателя внутреннего сгорания, составляющем 25%, энергия, вырабатываемая аккумулятором, незначительна по сравнению с ископаемым топливом. Кроме того, двигатель внутреннего сгорания может работать в условиях экстремального холода и жары, что является задачей, с которой аккумулятор не справляется.

Аккумуляторы для авиации

Обязанность аккумуляторов на борту самолета заключается в питании навигационных и аварийных систем, когда вспомогательная силовая установка (ВСУ) выключена или во время чрезвычайной ситуации в полете. Аккумулятор обеспечивает питание для торможения, работы на земле и запуска ВСУ. В случае отказа двигателя аккумуляторы должны обеспечивать энергию от 30 минут до 3 часов. Каждый самолет также должен иметь достаточный заряд аккумулятора для обеспечения безопасной посадки. Во время полета электроэнергия поставляется генераторами, и, подобно автомобилю, бортовой аккумулятор можно отключить при необходимости.

Большинство коммерческих реактивных лайнеров используют залитые никель-кадмиевые аккумуляторы. Запуск большого самолета начинается с запуска ВСУ, небольшого турбинного двигателя, расположенного в хвостовой части самолета. Это занимает значительно больше времени и требует больше энергии, чем запуск поршневого двигателя аналогичного размера. Скорость запуска ВСУ должна быть достаточно высокой, чтобы достичь сжатия для самовоспламенения. Запуск занимает около 15 секунд и потребляет 15 кВт энергии. После запуска воздушный компрессор или гидравлический насос запускает большие реактивные двигатели один за другим.

Аккумуляторы NiCd

Надежные никель-кадмиевые аккумуляторы для резервного питания и построения крупных энергетических систем

EBH10 / KHP10 1,2В 10Ач – NiCd аккумулятор никель-кадмиевый

Надежная работа при высоких разрядных токах. Устойчивость к перезаряду, глубокому разряду и ударам

Купить

SEBM20 / KMP20 1,2В 20Ач – NiCd аккумулятор никель-кадмиевый

Герметичный корпус с клапаном — обслуживание 1 раз в 3–5 лет. Надежная конструкция с сроком службы более 20 лет

Купить

EBM700 / KMP700 1,2В 700Ач – NiCd аккумулятор никель-кадмиевый

Серия аккумуляторов EBM/KMP оптимизирована для работы при разрядах от 30 минут до 2 часов, но может применяться и при более длительных нагрузках

Купить

Посмотреть больше

Меньшие самолеты часто имеют герметичные свинцово-кислотные аккумуляторы. Хотя они тяжелее никель-кадмиевых, свинцово-кислотные требуют меньше обслуживания. Авиационные аккумуляторы на 12 и 24 В имеют номинальные значения IPP (пиковая токовая мощность)* и IPR (номинальная токовая мощность)**, а не CCA (ток холодной прокрутки), как это принято в автомобильной промышленности. IPP и IPR – это стандарт Международной электротехнической комиссии (IEC 60952-1) для авиационных аккумуляторов и стандарт FAA TSO-C173, позволяющий аккумулятору запускать каждый двигатель в течение 25–40 секунд при высоком токе.

Современные реактивные истребители используют литий-ионные аккумуляторы, как и Boeing 787 Dreamliner. Airbus 350 предлагает вариант любого из этих химических элементов. Поскольку бортовые функции авиалайнера переходят от гидравлических к электрическим, требуются более крупные аккумуляторы. Литий-ионные аккумуляторы с более высокой энергоемкостью лучше удовлетворяют эту потребность, чем никель-кадмиевые и свинцово-кислотные. Однако неожиданный выход из строя литий-ионных аккумуляторов с серьезными последствиями может заставить производителей самолетов вернуться к никель-кадмиевым аккумуляторам. Все аккумуляторы подвержены поломкам, также сообщается о тепловых отказах никель-кадмиевых аккумуляторов, но с ними можно лучше справиться, чем с литий-ионными.

Никель-кадмиевые аккумуляторы обеспечивают долговечность и надежную работу, но требуют тщательного обслуживания, которое включает тренировку аккумулятора для устранения «эффекта памяти». Обслуживание основного аккумулятора заключается в полном разряде и замыкании каждого элемента в течение 24 часов с помощью перемычки. Емкость аккумулятора также проверяется с помощью анализатора аккумуляторов. Меньшие никель-кадмиевые аккумуляторы имеют другие требования к обслуживанию.

Хотя самолеты имеют на борту много разных аккумуляторов, их единственное назначение — запускать двигатель и обеспечивать резервное питание, когда двигатели выключены. Большие самолеты будут продолжать летать на ископаемом топливе, поскольку аккумуляторы пока непрактичны для движения. Небольшие самолеты с аккумуляторным питанием испытываются для обучения пилотов и для коротких перелетов, но это лишь экспериментальные проекты. Вес и надежность стареющего аккумулятора остаются основными проблемами.

• Коммерческие лайнеры: Преимущественно используют залитые никель-кадмиевые (NiCd) аккумуляторы из-за их надежности.
• Меньшие самолеты: Часто оснащены герметичными свинцово-кислотными аккумуляторами.
• Современные истребители (Boeing 787): Используют литий-ионные (Li-ion) из-за более высокой энергоемкости.
• Обслуживание NiCd: Требуют регулярного обслуживания для устранения «эффекта памяти».

Аккумуляторы для аэрокосмической отрасли

Ранние спутники использовали никель-кадмиевые аккумуляторы, и это привело к открытию феномена «эффекта памяти». Аккумулятор разряжался по определенному графику, но когда требовалось больше энергии, он мог «запоминать». Напряжение падало, будто протестуя против нежелательной перезарядки.

Никель-кадмиевый аккумулятор был заменен никель-водородным как аккумулятор с исключительно длительным сроком службы. Предприниматели пытались представить этот удивительный аккумулятор для коммерческого использования, но высокая цена и большой размер испортили его восприятие на рынке. Каждый элемент стоит около 1000 долларов и имеет вид небольшого парового двигателя со стальным резервуаром под давлением.

Литий-ионный аккумулятор – это выбор для спутников. Он легкий, легко заряжается, долговечен и хорошо циклируется. Литий-ионный аккумулятор может работать в любой системе на кристалле в течение длительного времени без побочных эффектов; он имеет низкий саморазряд и практически не требует обслуживания.

Аккумуляторы LiFePO4

Надежные литий-железо-фосфатные аккумуляторы для солнечных и резервных систем.

LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 (12В, 50Ач)

Компактный аккумулятор с встроенным BMS для безопасной работы в солнечных и резервных системах.

Купить

 LiFePO4 Victron Lithium SuperPack 12.8В 100Аг

Современная литий-железо-фосфатная батарея (LiFePO4) со встроенным BMS и защитой от перегрузки

Купить

LiFePO4 Victron Smart Battery 12.8V/100Ah 

Высококачественный источник энергии с длительным сроком службы, высокой безопасностью и совместимостью с экосистемой Victron Energy

Купить

Посмотреть больше

Марсоход Curiosity использует специально разработанные литий-никель-оксидные элементы (LiNiCo) в схеме 8S2P (восемь элементов последовательно и два параллельно), которые заряжаются и разряжаются лишь частично для увеличения срока службы. В таком режиме срок службы составляет четыре года и примерно 700 солов. (Термин «сол» используется планетарными астрономами для обозначения продолжительности солнечного дня на Марсе.) Элементы емкостью 43 А·ч, два из которых соединены параллельно, имеют максимальный коэффициент разряда C 0,55 C.

NASA хочет, чтобы литий-ионные аккумуляторы работали 7 лет и выдерживали 37 000 циклов разрядки с глубиной разряда (DoD) от 40 до 60 процентов. Лаборатории NASA показывают, что окончание срока службы связано с ростом слоя SEI на аноде, потерей материала катода, потерей проводящего пути, покрытием металлическим литием и окислением электролита. Крупные литий-ионные элементы емкостью 140 Ач разрабатываются и обещают прослужить до 18 лет

Стационарные и сетевые аккумуляторы (ESS)

С ростом выбора аккумуляторов для систем накопления энергии (СНЭ), выбор не должен основываться только на цене. Стоимость за кВт⋅ч мало что говорит без рассмотрения общей стоимости владения, которая включает стоимость цикла, срок службы и, возможно, замену.

Свинцово-кислотные аккумуляторы хорошо подходят для задач, требующих лишь эпизодических разрядов. Проточные аккумуляторы и натрий-серные аккумуляторы хорошо работают для больших систем, требующих регламентированных разрядов, тогда как литий-ионные рекомендуются для малых и средних систем, обеспечивающих короткий разряд с возможностью быстрой зарядки несколько раз в день.

Традиционно стационарные аккумуляторы были свинцово-кислотными. Размер и вес имеют меньшее значение, а ограниченное количество циклов не создает проблемы, когда аккумуляторы редко разряжаются. Большие стационарные аккумуляторы в основном залитые и требуют регулярной проверки уровня электролита. Это обслуживание можно уменьшить с помощью автоматической системы полива.

Свинцово-кислотные аккумуляторы с клапанным регулированием (VRLA) – это версия свинцово-кислотных аккумуляторов с залитым двигателем, не требующая особого обслуживания. Говорят, что VRLA можно установить и забыть о нем, но часто это доходит до крайностей, когда аккумуляторами пренебрегают. Техническое обслуживание включает проверку напряжения, внутреннего сопротивления и иногда уровней емкости.

Для применений, требующих воздействия высоких и низких температур, а также глубокого цикла разрядки/разрядки, часто используются залитые никель-кадмиевые аккумуляторы. Эти аккумуляторы прочнее, чем свинцово-кислотные, но примерно в четыре раза дороже. Залитые никель-кадмиевые аккумуляторы не спекаются и менее подвержены эффекту памяти, чем спеченные версии, которые являются герметичными, но все же требуют некоторого обслуживания. NiCd – единственный аккумулятор, который можно быстро зарядить с минимальной нагрузкой.

Многие стационарные аккумуляторы также работают на литий-ионных. Литий-ионные имеют много преимуществ, но они не работают так хорошо, как никель-кадмиевые и свинцово-кислотные при низких температурах. Еще один аккумулятор, который возвращается для стационарного использования, – это никель-железный. Изобретатель Томас Эдисон пропагандировал NiFe для электромобилей, но в конечном итоге он уступил свинцово-кислотным из-за высокой стоимости и высокого саморазряда. Усовершенствования устранили некоторые недостатки, и превосходная долговечность этого аккумулятора снова вызывает интерес.

Сравнение стоимости для сетевых систем

Таблица 1: Цены являются приблизительными. Литий-ионные имеют более высокую начальную стоимость, но более низкую стоимость цикла.

Система управления аккумулятором (BMS) поддерживает уровень заряда примерно на 50%, чтобы поглощать и отдавать энергию по мере необходимости, стабилизируя напряжение в сети менее чем за секунду.

Системы накопления энергии (сетевые аккумуляторы)

Возобновляемые источники энергии, такие как ветер и солнце, не обеспечивают стабильного потока энергии и не всегда отвечают спросу пользователей. Для обеспечения бесперебойного обслуживания необходимы большие системы накопления энергии (СНЭ), называемые системами выравнивания нагрузки или сетевыми аккумуляторами.

ESS имеет значительный потенциал роста, переходя от угля и нефти к возобновляемым ресурсам. По оценкам, только в Южной Африке мощность установок ESS достигнет 1500 МВт·ч к 2021 году. Рассматриваются такие химические вещества, как проточные аккумуляторы, литий-ионные, свинцово-кислотные и цинк-бромные. Цинк-бром – это тип гибридного проточного аккумулятора, который можно рассматривать как гальваническое устройство. Во время зарядки цинк гальванически осаждается на проводящих электродах, образуя бром; процесс происходит обратно при разряде. Еще одним ведущим аккумулятором ESS является высокотемпературный натрий-серный аккумулятор.

Хранение энергии для обеспечения пиковой мощности не является чем-то новым. Гидроэлектростанции используют избыток электроэнергии для перекачивания воды обратно в резервуар ночью для использования на следующий день. С коэффициентом полезного действия 70–85 процентов, гидроэнергетикой легче управлять, чем настраивать генераторы в соответствии с конкретными потребностями в мощности. Для накопления энергии также используется закачка сжатого воздуха в большие подземные полости и подводные аэростаты.

Маховики также служат накопителями энергии. Большие электродвигатели разгоняют маховики весом в одну тонну, когда доступна избыточная энергия для покрытия кратковременного дефицита энергии. Высокоскоростные маховики вращаются со скоростью более 30 000 об/мин на магнитных подшипниках в вакуумной камере. Электродвигатели/генераторы с постоянными магнитами заряжают и разряжают кинетическую энергию по мере необходимости.

Современные маховики заменяют сталь углеродными волокнами, чтобы выдерживать более высокие вращения до 60 000 об/мин. Энергия увеличивается пропорционально квадрату скорости, обеспечивая в четыре раза большую мощность при меньшем весе. В случае выхода из строя маховика корпус предотвращает вылет осколков.

Использование маховиков для накопления кинетической энергии не ново. В 1940-х и 1950-х годах городские автобусы в Швейцарии были оснащены маховиками. Электродвигатель раскручивал 3-тонный маховик до 3000 об/мин за 3 минуты. Превращаясь в генератор, двигатель затем преобразовывал энергию обратно в электричество. Каждый заряд обеспечивал 6 км (3,75 мили) хода по ровной дороге. Автобус был экологически чистым, но гироскоп мешал изменению направления на извилистой дороге.

Выравнивание нагрузки тяготеет к литий-ионным аккумуляторам из-за их малой площади, низких затрат на обслуживание и длительного срока службы. Литий-ионные аккумуляторы не страдают от сульфатации, как свинцово-кислотные, если их периодически не полностью заряжать. Это может быть существенным недостатком в установках, когда спрос превышает предложение. Литий-ионные аккумуляторы также имеют преимущество в том, что они легкие и полупортативные для установок в отдаленных местах. Недостатками литий-ионных аккумуляторов являются их высокая цена и низкая производительность при низких температурах. Еще одним недостатком является невозможность зарядки ниже нуля.

Цена на литий-ионные аккумуляторы снизилась, и в таблице 1 приведено сравнение стоимости со свинцово-кислотными аккумуляторами для применения в сетевых системах хранения энергии. Хотя начальная цена на литий-ионные выше, чем на свинцово-кислотные, стоимость цикла разрядки/разрядки ниже в применениях с глубоким циклом зарядки/разрядки. Говорят, что литий-ионные аккумуляторы завоевывают долю рынка, но свинцово-кислотные аккумуляторы сохранят свои позиции.

Таблица 1: Сравнение стоимости свинцово-кислотных и литий-ионных аккумуляторов для возобновляемой энергии 

Литий-ионные аккумуляторы имеют более высокую начальную стоимость, но более низкую стоимость цикла. Цены являются приблизительными.
Мощность большой промышленной ветровой турбины составляет 1 мегаватт (МВт) и более; мощность самых больших агрегатов выросла до 10 МВт. Несколько турбин образуют ветровую электростанцию, которая производит 30–300 МВт. Чтобы понять один мегаватт, 1 МВт обеспечивает электроэнергией 50 домов или супермаркет Walmart.

Не все системы возобновляемой энергии включают аккумуляторы для выравнивания нагрузки. Аккумуляторы просто становятся слишком большими, и инвестиции не всегда оправдываются. Если ветровая электростанция мощностью 30 МВт поддерживается аккумуляторами, она использует аккумуляторную батарею мощностью около 15 МВт. Это эквивалентно 20 000 стартерных аккумуляторов или 176 электромобилям Tesla S 85 с аккумулятором емкостью 85 кВт·ч каждый. Стоимость хранения энергии в аккумуляторе высока, и некоторые говорят, что это удваивает стоимость прямой поставки.

Система управления аккумулятором (BMS) поддерживает уровень заряда аккумулятора примерно на 50 процентах, чтобы поглощать энергию во время порывов ветра и обеспечивать высокие нагрузки. Современные BMS могут переключаться с режима заряда на разряд менее чем за секунду. Это помогает стабилизировать напряжение на линиях электропередачи, также известное как регулирование частоты.

BMS для литиевых АКБ

Защищает батареи от перезаряда, глубокого разряда, перегрева и сверхвысокого тока

Victron VE.Bus BMS V2 – система управления литиевыми аккумуляторами LiFePO4 Smart

Умная система управления батареями LiFePO4 Smart от Victron

Купить

SmallBMS – BMS для LiFePO4 Smart аккумуляторов Victron

 Компактная система управления батареями Victron Lithium Smart (LiFePO4), обеспечивающая базовую защиту аккумуляторов от глубокого разряда, чрезмерного заряда и перегрева.

Купить

Smart BMS CL 12/100 – интеллектуальная защита LiFePO4 батарей в 12В системах от Victron Energy

Совмещает ограничение тока от генератора, Bluetooth-мониторинг, аварийные выходы и модульное взаимодействие с другими устройствами Victron – всё в одном устройстве!

Купить

Посмотреть больше