До 2000 циклов «заряд-разряд»: 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: [email protected]
