Преимущества LIFePO4 аккумуляторов для ИБП. Литий железо-фосфатные аккумуляторы для источников бесперебойного питания.

• Значение аккумуляторов для работы ИБП
• Что такое LIFePO4 аккумуляторы?
• Преимущества LIFePO4 аккумуляторов для ИБП
• Применение LIFePO4 аккумуляторов в ИБП
• Как выбрать LIFePO4 аккумулятор для ИБП?

LIFePO4 аккумуляторы для ИБП

Как в коммерческом секторе, так и в быту есть техника, для которой необходимо обеспечить беспрерывное питание, даже при наличии перебоев в поставках электроэнергии.

Яркий пример: дата-центры, которые предоставляют сайтам возможность работать бесперебойно, а также получать доступ к интернет-банкингу, онлайн-сервисам. В качестве резервного источника питания, если по какой-либо причине нет электричества, в них используются ИБП.

Раньше в них преимущественно устанавливали свинцово-кислотные АКБ. Но на данный момент и более рациональным, и выгодным выбором являются литиевые батареи (LiFePO4). Какие их основные преимущества? Почему LiFePO4 для ИБП — это лучший вариант для применения?

Значение аккумуляторов для работы ИБП (источников бесперебойного питания)

Главные качества, которыми должен обладать аккумулятор ИБП:

1. Высокая емкость. От этого зависит, как долго может обеспечиваться работа оборудования в штатном (базовом режиме) при отключении электропитания.
2. Долговечность. Чем больше количество циклов заряда батарея способна выдержать без уменьшения своей начальной емкости — тем выгодней.
3. Скорость зарядки. Чем выше максимальная сила тока — тем быстрее батарея зарядится при наличии электропитания.

По всем указанным критериям LiFePO4 — выигрывает во всех остальных типах аккумуляторных батарей. И это актуально для всех сфер, где они применяются. А это:

• IT (резервное питание серверов, прочего оборудования);
• медицина, для экстренного питания медицинских устройств, оборудования;
• в быту (например, питание электрических котлов, насосов).

ИБП выполняют не только резервную роль, но еще и стабилизируют, выравнивают напряжение, защищая дорогостоящее оборудование от возможного повреждения при скачках или критических падениях напряжения в электросети. Поэтому использование ИБП значительно продлевает эксплуатационный ресурс техники. Так что их покупка и использование — полностью обоснованы.

Обзор текущих технологий и место LIFePO4 в этой сфере

В источниках бесперебойного питания используются преимущественно следующие типы аккумуляторных батарей:

1. Свинцово-кислотные. Самые доступные в плане стоимости. Но обладают малой удельной емкостью, а также скудным эксплуатационным ресурсом. В среднем, теряют около 20% от своей первоначальной емкости после 100 циклов заряда/разряда. И их запрещено использовать в помещениях, так как при зарядке они выделяют опасные для окружающей среды и человека газы. Такие батареи требуют регулярного технического обслуживания.
2. Гелевые. Являются модификацией свинцово-кислотных. У них «начинка» и принцип действия очень схожий. Но вместо жидкого электролита применяется гелеобразный. Это нивелирует выделение газов при зарядке, повышает эксплуатационный ресурс. Но в плане технических характеристик они все равно значительно уступают LiFePO4.
3. LiFePO4. Являются самой современной разновидностью АКБ для источников бесперебойного питания. Абсолютно безопасны, не взрывоопасны, быстро заряжаются, большая допустимая сила тока при разряде (вплоть до 10С на каждую «банку»). И самое главное: огромный эксплуатационный ресурс, долговечность. В режиме буферного использования (как раз для ИБП) функционируют, в среднем, 10 – 12 лет. Без уменьшения начальной емкости обеспечивают около 3000 – 4000 циклов заряда/разряда.

LiFePO4 аккумуляторные батареи на сегодня — одни из самых дорогих. Но их цена вполне оправдана. Ведь один комплект таких АКБ заменяет около 12 – 15 комплектов обычных свинцово-кислотных батарей. При этом стоят LiFePO4 всего в 3 – 5 раз дороже. То есть, хоть цена на них выше, но по итогу — покупатель значительно экономит.

Почему выбор аккумулятора критически важен для стабильного питания

Организация стабильного резервного электропитания — дорогостоящее «удовольствие». И для потребителя самое главное в этом плане — экономия. LiFePO4 в этом плане — самый рациональный выбор.

Также от качества аккумуляторов напрямую зависит и эксплуатационный ресурс техники. Ведь LiFePO4 АКБ, в отличие от свинцово-кислотных и гелевых, при разрядке обеспечивают стабильное напряжение без значительных перепадов при отдаче всей доступной им емкости.

Что такое LIFePO4 аккумуляторы?

Аккумулятор LiFePO4 — это самый современный коммерческий тип аккумуляторных батарей. Который может использоваться и как резервный, и как основной источник питания. Сама технология была представлена ещё в 1996 году. Но активно применяться на практике такие АКБ стали лишь после 2002 года, когда был разработан сравнительно недорогой метод их производства.

Расшифровка и особенности технологии (литий-железо-фосфат)

LiFePO4 расшифровывается как «литий-железо-фосфат». Заряд в нём переносят ионы лития, как в традиционных литий-ионных аккумуляторах (используются в смартфонах, ноутбуках, аккумуляторных фонарях). А вот катод в таких АКБ изготавливается из феррофосфата. Анод — графитовый, с медной подложкой.

Сама технология появилась благодаря стремлению к удешевлению производства литий-ионных аккумуляторов. При разработке были поставлены цели наделить новый тип АКБ следующими свойствами:

• большая экологичность для окружающей среды в сравнении с теми АКБ, которые сейчас используются на практике;
• более низкая стоимость (удельная, то есть из расчета на имеющийся эксплуатационный ресурс);
• лучше безопасность (пожаробезопасность, возможность использовать в закрытых помещениях с естественной вентиляцией).

Наибольшее практическое применение LiFePO4 аккумуляторы сейчас получили в качестве резервных источников питания для солнечных электростанций (для накопления генерируемой электроэнергии), а также в качестве основных АКБ в электромобилях.

По состоянию на конец 2022 года, их доля на рынке электрокаров составляет около 31%. Но аналитики ожидают, что эта цифра в дальнейшем будет расти в геометрической прогрессии и LiFePO4 аккумуляторы полностью вытеснят литий-ионные и свинцово-кислотные в системах резервного электропитания.

Принцип работы

Базовый алгоритм работы LiFePO4 аккумуляторов следующий:

1. При зарядке положительно заряженные ионы лития из положительного электрода мигрируют к негативному, проходя через полимерную диафрагму.
2. При разрядке происходит обратное: миграция положительно заряженных ионов к положительному электроду.
3. Все это сопровождается миграцией солей железо-фосфата.

Самое главное — это сохранение потенциала емкости при последовательном течении указанной химической реакции. Именно благодаря этому и обеспечивается свыше 3000 циклов заряда/разряда без снижения первоначального объема хранимого заряда в аккумуляторе.

Сравнение характеристик аккумуляторов LIFePO4 и свинцово-кислотных

Преимущества LIFePO4 аккумуляторов для ИБП

LiFePO4 аккумуляторы обладают целым рядом преимуществ перед другими типами АКБ, в частности:

• долговечность;
• высокая удельная энергоэффективность;
• компактность и легкость;
• безопасность;
• экологичность;
• быстрая зарядка.

Долговечность

Срок службы LiFePO4 АКБ составляет примерно:

1. В так называемом «буферном режиме» могут прослужить и свыше 12 лет. Для сравнения, средний период службы свинцово-кислотных АКБ — всего 2 – 4 года в буферном режиме.
2. Свыше 3000 циклов без снижения начальной емкости. Общий эксплуатационный ресурс — вплоть до 5000 циклов. Для сравнения, свинцово-кислотные АКБ уже после 100 циклов начинают активно деградировать, терять емкость. А общий их ресурс — в районе 300 циклов.

Поэтому, хоть LiFePO4 АКБ и стоят заметно дороже, их покупка — рациональна. И по итогу покупатель экономит, отдавая предпочтение LiFePO4 батареям.
C помощью LiFePO4 ИБП можно обеспечить бесперебойное питание даже того оборудования, которому требуется питание свыше 100 кВт.

Высокая удельная энергоэффективность

Если взять свинцово-кислотную и LiFePO4 батарею одинакового размера и объема, то у LiFePO4 будет:

1. Значительно меньший вес.
2. Значительно большая емкость накапливаемого электричества.

Удельная емкость свинцово-кислотных АКБ составляет около 40 Вт*ч на каждый килограмм. В LiFePO4 — от 90 до 160 Вт*ч, в зависимости от используемой технологии производства, типа полимерной диафрагмы. Соответственно, ИБП на основе LiFePO4-аккумуляторов — компактнее, хотя и «вмещают» в себе значительно большую емкость накапливаемого электричества.

Компактность и легкость

Компактность и легкость — важные факторы для ИБП. Особенно если речь идет об организации резервной системы электропитания в дата-центрах. Где важно сэкономить буквально каждый квадратный метр доступной площади. А благодаря меньшему весу — АКБ проще заменять.

Безопасность

LiFePO4 аккумуляторы в процессе эксплуатации практически не нагреваются, даже если эксплуатируются совместно с высокомощным оборудованием. При соблюдении рекомендуемых технических параметров, средняя температура нагрева в них не превышает 30 – 35 градусов по Цельсию.
Также LiFePO4 АКБ являются пожаробезопасными, в отличие от литий-ионных и литий-полимерных. Даже при механическом их повреждении с коротким замыканием вероятность их возгорания — практически нулевая.

И LiFePO4 АКБ в процессе работы не выделяют никаких газов в окружающую среду, в них не образовывается производный газ или какие-либо жидкости. Выпускаются аккумуляторы данного типа в полностью герметичных ячейках. Это позволяет их использовать в помещениях даже без принудительной вентиляции. Никакого риска ни для окружения, ни для человека это не несет.

Экологичность

Сам процесс производства и последующей утилизации LiFePO4 АКБ — максимально экологичен (в сравнении с другими разновидностями АКБ). В их составе также отсутствуют какие-либо токсичные химические соединения. Это делает их отличным выбором для использования в ИБП для тех компаний, которые заботятся об окружающей среде. Из всех разновидностей аккумуляторных батарей, именно LiFePO4 сейчас признаны как самые экологичные.

Быстрая зарядка

Еще весомый аргумент в пользу LiFePO4 — это поддержка быстрой зарядки. Большинство моделей АКБ такого типа допускается заряжать токами уровня 0,3 – 0,5C. Это означает, что весь процесс зарядки аккумулятора любой емкости займет примерно 2 – 3,5 часа от 0 до 100%. И это никак не скажется на их эксплуатационном ресурсе, долговечности, итоговой емкости.

Единственный нюанс: для более правильного контроля зарядного процесса АКБ данного типа оснащают специальным контроллером (BMS-плата). В большинстве аккумуляторов — он уже интегрирован. Контроллер отвечает за правильное распределение напряжения между ячейками, за их балансировку, а также за защиту от перезаряда или снижения уровня напряжения до критического уровня (при котором деградация ячеек значительно ускоряется).
Для сравнения, традиционная зарядка свинцово-кислотной батареи занимает, в среднем, от 12 до 36 часов, в зависимости от емкости, типа электролита.

Применение LIFePO4 аккумуляторов в ИБП

Самые распространенные варианты применения LiFePO4 аккумуляторов в ИБП:

1. Для серверов, дата-центров. Это компании, которые обеспечивают бесперебойный доступ к сайтам, онлайн-сервисам, прочим IT-услугам, где даже кратковременный простой может оказаться критическим для бизнеса, для городской инфраструктуры.
2. Для медицинского оборудования. Это и автономные системы освещения, и аппараты искусственной вентиляции легких, устройства для проведения диализа и так далее.
3. Бытовые, коммерческие системы. Например, газовые котлы с помпой, глубинные и канализационные насосы, аварийное питание платежных терминалов в магазинах и прочее.

LiFePO4 АКБ идеально подходят для всех перечисленных вариантов. Обеспечат стабильную и долговременную работу, быстрое восстановление емкости при подаче электропитания по основной линии.

Бренды ИБП

Eaton	Delta Electronics	Riello
Powercom	HIDEN	APC
CyberPower

Как выбрать LIFePO4 аккумулятор для ИБП

Чтобы LiFePO4 аккумулятор в составе ИБП работал слаженно, долго и мог израсходовать весь свой эксплуатационный ресурс, при его выборе необходимо учитывать следующие параметры:

• емкость;
• мощность;
• напряжение (диапазон от заряженного до разряженного состояния);
• совместимость с существующим оборудованием.

Также следует учитывать габариты батареи. Потому что в ИБП под АКБ предусмотрены ниши определенного размера с фиксаторами. Установить аккумуляторы большего размера и емкости в них физически не получится. Хотя существуют ИБП, которые поддерживают подключение внешних резервных АКБ. Тогда как сам ИБП выступает ещё в качестве стабилизатора и зарядной станции.

Основные параметры: емкость, мощность, напряжение

Емкость подбирается исходя из требуемого времени обеспечения резервного питания. Общий алгоритм расчета следующий:

1. Сначала нужно измерить, какую мощность питания потребляет используемое оборудование. Например, для среднестатистического сервера требуется около 400 Вт*ч.
2. Какое время обеспечения резервным питанием необходимо обеспечить. Например, если 2 часа после отключения электропитания, то итоговая потребность для того же сервера составит 400*2=800 Вт*ч.

К полученному числу необходимо добавить 20 – 30% дополнительной емкости. Это затраты на преобразование напряжения, на обеспечение работы самого ИБП.
Удельная же емкость АКБ рассчитывается по формуле: напряжение умножить на емкость. Например, АКБ на 12В с емкостью 100А*ч при эталонных условиях обеспечит 12*100=1200 Вт*ч. Примерно столько и потребуется для сервера, приведенного в качестве примера.

Дополнительно каждая LiFePO4 АКБ в технических параметрах имеет заявленную мощность работы. Это ток, который батарея может отдавать на протяжении длительного периода времени. Не следует путать это значение с пиковой мощностью!

И также необходимо учитывать рабочее напряжение. В ИБП самые распространенные варианты АКБ: на 12, 24, 48, 60 Вольт. Использование батарей с более низким или высоким напряжением — категорически запрещено и небезопасно, в первую очередь — для самого оборудования.

Следует обратить внимание на поддержку дополнительных функций. Например, наличие платы BMS, которая контролирует процесс заряда, иногда не требуется. Потому что функционал контроллера берет на себя сам ИБП и используемый блок питания. А еще существуют универсальные ИБП. Имеется ввиду, что они поддерживают широкий диапазон входящего напряжения.

И совместимы сразу с несколькими типами АКБ в плане того, что допускается напряжение и 12, и 24 Вольта (или другие). Если есть сомнения в том, какой тип и характеристики батарей нужно применять, то лучше связаться с представителем производителя ИБП. Они предоставят всю необходимую информацию.

Совместимость с существующим оборудованием

Также при выборе АКБ необходимо учитывать совместимость с существующим оборудованием. Например, некоторые вариации ИБП поддерживают обмен информацией с контроллером, установленным в батареях определенных производителей. Это позволит более точно контролировать уровень заряда, напряжение, оставшийся эксплуатационный ресурс.

Оптимальный вариант: приобретать те LiFePO4 АКБ, которые к применению рекомендует сам производитель ИБП. Более детальную информацию на этот счет можно получить в технической документации.

LiFePO4 — лучший тип аккумуляторов для использования в ИБП благодаря своей долговечности, и компактному весу, объему. Практика показывает, что они подходят для многих сценариев и условий использования. Они не требуют какого-либо обслуживания, не наносят вреда окружающей среде, абсолютно безопасны, не взрывоопасны. Сочетание всех этих качеств и делает их лучшим вариантом для применения в ИБП.