Перспективы совершенствования промышленных аккумуляторных батарей

Опубликовано: 4 марта 2011 г. в 15:14, 1753 просмотраКомментировать

ЕМЕЛЬЯНОВ Валентин Иванович
родился в 1950 г. В 1987 году закончил с отличием Северо-Западный заочный политехнический институт (СЗПИ) по специальности «Электрические аппараты». На ЗАО «ВЗЩА» прошел путь от рабочего до директора по маркетингу, оставаясь на этой должности, и по сей день. Является соавтором изобретения по способу глубокой очистки промышленных стоков. Имеет ряд публикаций в основном о проблемах инновационной деятельности в современных условиях.

К промышленным аккумуляторам и батареям относят источники питания, используемые в стационарных системах бесперебойного и аварийного электроснабжения энергетики, телекоммуникаций, специальной связи и сигнализации, предприятий различных отраслей промышленности, жилых и общественных объектов. Аккумуляторные батареи (АКБ), используемые в составе таких транспортных средств, как железнодорожные вагоны, локомотивы и электропоезда, поезда метрополитена, трамваи, троллейбусы, морские и речные суда, так же относят к группе промышленных. В составе промышленных батарей принято выделять в отдельную подгруппу «тяговые» АКБ, устанавливаемые на электрические погрузчики и тележки, электрический складской и внутризаводской транспорт, рудничные (шахтные) электровозы. Крайне редко к промышленным АКБ относят аккумуляторы и батареи авиационного, космического, подводного и ряда других применений; чаще их выделяют в отдельные группы. АКБ, не относящиеся к промышленным, выделяют в отдельные группы: все типы стартерных автомобильных батарей, а также малогабаритные, портативные (или носимые) аккумуляторы и батареи.

Значимость промышленных аккумуляторов и батарей, как составной части перечисленных выше систем и транспортных средств очевидна: зачастую, без АКБ они не смогут функционировать. В большинстве случаев от правильного выбора батарей зависит уровень эксплуатационных свойств и параметров назначения изделий, в которых они установлены.

Нельзя не отметить, что производство современных промышленных АКБ отличается высоким техническим уровнем.

О рынке и потребителях

Доля промышленных АКБ в продажах на мировом рынке химических источников тока, включающем неперезаряжаемые или первичные элементы и батареи, составляет около 17% [1]. Если отдельно рассматривать сектор рынка перезаряжаемых или аккумуляторных батарей, то здесь доля промышленных АКБ оценивается более чем 25%. В настоящее время, по оценке различных экспертов, от 80 до 90% промышленных батарей свинцово-кислотные. Почти все остальное занимают батареи на основе аккумуляторов со щелочным электролитом никель-кадмиевой электрохимической системы. Применяемость как промышленных аккумуляторов относительно новых электрохимических систем никель-металлогидридных, где так же применяется щелочной электролит, так и литий-ионных (электролит органический) достаточно мала. Расширение объемов применения в качестве промышленных АКБ новых электрохимических систем большинство экспертов [1; 2] связывают с созданием новых сегментов рынка, например электромобили.

Ситуация на российском и ряда стран СНГ рынке промышленных батарей отличается большей долей (в отдельных сегментах до 50% и более) применения щелочных АКБ. В России до настоящего времени в секторах вторичного рынка (поставка для замены в технике находящейся в эксплуатации) тяговых батарей и АКБ для пассажирских железнодорожных вагонов сохраняется значимый спрос на щелочные никель-железные аккумуляторы. На первичном же рынке (поставка для комплектации новой техники) в ближайшее время прогнозируется полный переход на тяговые свинцо-во-кислотные АКБ отечественных электрических погрузчиков и тележек, электрического складского и внутризаводского транспорта, а также увеличение доли (до 25–30%) свинцово-кислотных аккумуляторов, в устанавливаемых на пассажирские вагоны. Существенные структурные изменения спроса в других традиционных секторах применения промышленных АКБ, по мнению экспертов, маловероятны. Переход на применение новых аккумуляторов в действующей технике зачастую требует существенной и дорогостоящей ее реконструкции и, как правило, замены зарядных устройств. Даже замена никель-кадмиевых аккумуляторов на близкие по своим электрическим параметрам (зарядному и разрядному напряжению) никель-металлогидридные вызывает значительные затруднения [3].

Бурно развиваются в России сети мобильной телефонной связи. В связи с этим растет потребность в источниках бесперебойного питания, в которых используются современные герметичные свинцово-кислотные батареи и формируется вторичный рынок для промышленных батарей этого типа.

Регулярных поставок в Россию никель-металлогидридных и литий-ионных электрохимических систем, в описанные выше традиционные зоны использования промышленных АКБ с емкостью более 100 Ач источников, не зафиксировано. Имеют место поставки новых батарей небольшой емкости (менее 50 Ач) в относительно новый и растущий рыночный сегмент источников бесперебойного питания (ИБП) малой мощности. Такие ИБП используются в системах охранной сигнализации и специальной связи, технологического контроля и тому подобных устройствах. В этом сегменте литий-ионные АКБ находят применение, конкурируя с герметичными свинцово-кислотными, никель-металлогидридными и герметичными никель-кадмиевыми батареями.

Если учесть в качестве промышленных АКБ портативные батареи, устанавливаемые и используемые в электрическом инструменте, и аккумуляторные фонари (шахтные головные светильники, светосигнальные фонари железнодорожников и т.п.), то представленность аккумуляторов новых систем существенно увеличится.

Таким образом, еще раз находится подтверждение тому, что выход на рынок с новыми батареями возможен только через разработку новой техники, в которой применяются АКБ.

Что же, потребитель всегда прав и примет новинку лишь в том случае, если она наилучшим образом удовлетворяет его запросы.

Основные факторы, влияющие на выбор батарей потребителем (с учетом их приоритета), приведены на рисунке 1.

При выборе батарей или согласовании требований к ним в отдельных случаях, в зависимости от реальных условий эксплуатации, учитываются следующие параметры:

  • стойкость к воздействию внешних механических факторов или механическая прочность;
  • способность к быстрому заряду, когда заряд проводится большими токами, но за меньшее время;
  • мощность, то есть способность к разряду большими токами.

Иногда потребитель настаивает, чтобы батарея поставлялась в несобранном виде, как комплект аккумуляторов, соединительных и запасных элементов, а иногда наоборот заинтересован в поставке полностью собранной АКБ.

В большинстве случаев на первом месте у потребителя стоит сегодня первоначальная стоимость или цена АКБ. Этим, наряду с другими свойствами, объясняется широкое распространение свинцово-кислотных АКБ. Но не всегда первоначальная цена имеет решающее значение. Например, относительно дорогие никель-кадмиевые АКБ, даже открытого исполнения (то есть требующие ухода), находят применение в стационарных системах при эксплуатации их в зонах с холодным или жарким тропическим климатом. А еще более дорогие литий-ионные АКБ используются там, где крайне необходим малый объем и вес батареи.

У отдельных потребителей промышленных АКБ отмечается стремление иметь батареи, требующие меньшего объема работ по уходу за ними при эксплуатации, в то же время придавая большее значение показателю «необслуживаемости». Так, при общении с поставщиками систем аварийного энергоснабжения, выявлено, что они могут увеличить закупки открытых никель-кадмиевых батарей для своей продукции при исключении требований по замене электролита во время эксплуатации АКБ и увеличения периода между регламентными работами до года и более. Отмечен [4] положительный опыт использования никель-кадмиевых аккумуляторов открытого типа в средствах навигационного оборудования, регулярное обслуживание которых затруднено (объекты маячной службы в дальневосточном и северном регионах). Департаментом пассажирских сообщений ОАО «РЖД» утверждены технические условия к перспективным батареям для систем электроснабжения пассажирских вагонов локомотивной тяги, устанавливающие, что АКБ должны быть не требующими при эксплуатации «проведения следующих операций технического обслуживания и ремонта: разборки аккумуляторов, замены внутренних составных частей аккумуляторов, контроля количества (уровня) электролита, корректировки состава электролита, замены электролита».

Об особенностях АКБ

В какой же мере технические параметры АКБ зависят от электрохимической системы, как и от других факторов?

Удельные энергетические показатели и стоимость

Основные энергетические показатели типичные для аккумуляторов различных электрохимических систем [2; 5; 6], а также сложившееся соотношение стоимости единицы накапливаемой и передаваемой энергии с учетом цен батареи различных систем и конструктивного исполнения приведены в Таблице 1.

Колебания параметров в приведенных диапазонах зависят от размеров аккумуляторов, примененных материалов и используемых конструктивно-технологических решений.

Примечание

В таблице 1 и далее конструктивные исполнения аккумуляторов названы с учетом следующих стандартных определений и характерных особенностей:

  • Открытый аккумулятор — аккумулятор, имеющий крышку с отверстием, через которое могут удаляться газообразные продукты, доливаться, заливаться и сливаться электролит (ГОСТ Р МЭК 60623-2002).
  • Герметичный аккумулятор — аккумулятор закрытый и не пропускающий газ или жидкость при работе в режимах заряда и температуре, указанных изготовителем. Аккумулятор может быть снабжен предохранительным устройством, предотвращающим опасное внутреннее давление. Аккумулятор не требует дополнительной заливки электролита и предназначен для работы в исходном герметичном состоянии на протяжении всего срока службы (ГОСТ Р МЭК 60622-2002). Иногда аккумуляторы снабженные клапаном называют герметизированными.
  • Литий-ионные и никель-металло-гидридные аккумуляторы могут изготавливаться исключительно как герметичные. Это связано с физико-химической природой электрохимических систем аккумуляторов и применяемых материалов.

Срок службы, ресурс

Данные о сроках службы, ресурсе и склонности к саморазряду аккумуляторов различных электрохимических систем и основных конструктивных исполнений приведены в Таблице 2.

Режим постоянного циклирования, когда АКБ подвергается постоянному разряду с отбором 80–100% емкости с последующим полным зарядом типичен для тяговых батарей.

Режим постоянного подзаряда батарей характерен для стационарных систем аварийного электроснабжения. В этом режиме использования АКБ полный разряд аккумуляторов с последующим зарядом крайне редок, но батарея постоянно подзаряжается для компенсации потери емкости от саморазряда.

Зависимость параметров от электрохимической системы также ярко выражена, как и колебания параметров, иногда в широком диапазоне, зависящие от примененных конструктивно-технологических решений. Нельзя не отметить зависимость ресурса работы аккумуляторов от глубины разряда в режиме постоянного циклирования. В частности, никель-кадмиевые открытые аккумуляторы при глубине разряда 20% имеют ресурс до 7000 циклов [2].

Безуходность, герметизация

Если обратиться к ранее описанным пожеланиям заказчиков, относящихся к сокращению работ по обслуживанию батарей, то можно заметить, что основной упор делается на исключение операций связанных с электролитом: замена и корректировка электролита, контроль уровня и качества электролита. Окончательно решить эту проблему позволяет герметизация аккумуляторов. Способы частичной или полной герметизации аккумуляторов производителям АКБ известны [5; 7; 8]. Вполне очевидно, что герметизация аккумуляторов в той или иной мере увеличит стоимость батарей. Кроме того, полная или частичная герметизация аккумулятора потребует применение «умных» зарядных устройств, обеспечивающих многоступенчатый и контролируемый режим заряда [6; 7; 8]. Отказ от таких автоматически управляемых зарядных устройств (УЗУ) и (или) контроллеров, сведет на нет все усилия и затраты изготовителя малоуходного аккумулятора или даст резкое сокращение срока эксплуатации батарей.

Задачу по укомплектованию мало-уходной аккумуляторной батареи УЗУ можно решать различными способами, например:

  1. изготовитель батареи поставляет УЗУ (и коллекторы) вместе с батареей, как отдельный элемент, или батарея поставляется собранной в одном корпусе с УЗУ;
  2. изготовитель батареи поставляет ее изготовителю изделия, а изготовитель изделия (вагона, системы аварийного электроснабжения, блока бесперебойного питания и тому подобного) устанавливает АКБ в своем изделии, имеющем необходимое УЗУ;
  3. батарея поставляется потребителю, а он сам решает вопрос приобретения УЗУ.

В любом случае, стоимость реализации функции малоуходной батареи увеличивается еще на стоимость УЗУ.

Работоспособность при различных температурах

Данные, характеризующие относительную работоспособность различных аккумуляторов от температурных условий приведены в Таблице 3.

В части, характеризующей влияние температуры на работоспособность щелочных никель кадмиевых и свинцово-кислотных аккумуляторов, необходимо учитывать следующее [2]:

  1. повышение температуры на 10°С сверх нормальной температуры эксплуатации 25°С срок службы никель-кадмиевых батарей снижается на 20%, а свинцово-кислотной на 50%. При температуре эксплуатации 50°С свинцово-кислотная батарея сокращает свой срок службы примерно в 7 раз по сравнению с эксплуатацией при нормальной температуре;
  2. при минус 20°С емкость никель-кадмиевых аккумуляторов снижается до 80% от номинальной. Свинцово-кислотные аккумуляторы при минус 20°С теряют 50% номинальной емкости;
  3. некоторые же типы никель-кадмиевых аккумуляторов сохраняют более 60% емкости при охлаждении до минус 40°С. Большинство свинцово-кислотных аккумуляторов при охлаждении до минус 40°С неработоспособно.

Безопасность

Трудно представить абсолютно безопасную аккумуляторную батарею, являющуюся по определению, накопителем энергии. Тем более, это относится к АКБ промышленного назначения, когда накапливается весьма значительная энергия. Безопасность батарей обеспечивается реализуемыми мерами, как внутреннего, так и внешнего характера, исключающими воздействие на человека и окружающую среду возможных вредных факторов (электрическое напряжение, вредные выделения и подобного), а так же исключающими возгорание и взрыв АКБ. При этом должна обеспечиваться безопасность, как при нормальном с ней обращении, так и в нештатных ситуациях. К мерам внутреннего характера относятся кон-структивные и другие реализуемые в аккумуляторах или батарее решения в процессе их изготовления. Внешние меры реализуются установкой дополнительных устройств вне батареи и выполнением определенных мероприятий у потребителя, рекомендуемых, как правило, в передаваемых изготовителем пользователю батарей руководствах по эксплуатации. По отношению к «старым» аккумуляторам, никель-кадмиевым и свинцово-кислотным решения, обеспечивающие безопасность, достаточно хорошо отработаны и опробованы.

Табалица 1.
Электрохимическая система, конструктивное исполнение аккумуляторов Удельная энергия Характерная удельная мощность Относительная стоимость единицы энергии
Вт ч/кг Вт ч/л
Литий-ионная 100-260 190-490 умеренная 2,5-4
Никель-металлогидридная 40-100 180-350 от умеренной до высокой 1,6-2,4
Никель-кадмиевая, герметичный 20-55 90-200 высокая 1,5-2
Никель-кадмиевая, открытый 1
Свинцово-кислотная, герметичный 20-50 50-150 от умеренной до высокой 0,8-1,8
Свинцово-кислотная, открытый 0,4-1,5
Табалица 2.
Электрохимическая система, конструктивное исполнение аккумуляторов Ресурс в стандартном* режиме постоянного циклирования, циклы Срок службы в режиме постоянного подзаряда, годы Потеря емкости при хранении в заряженном состоянии,% / месяц
Литий-ионная 500-1000 до 5 5-25
Никель-металлогидридная 400-700 до 5 15-25
Никель-кадмиевая, герметичный 700-800 до 20 до 10
Никель-кадмиевая, открытый 1000-2500 до 25 10-15
Свинцово-кислотная, герметичный 500 3-10 10-15
Свинцово-кислотная, открытый 500-2000 10-25 15-20

Примечание:
* При стандартном режиме циклирования, рекомендуемом для стендовых ресурсных испытаний, принято разряжать аккумуляторы с отбором 80% номинальной емкости.

Табалица 3.
Электрохимическая система, конструктивное исполнение Диапазон рабочих температур, рекомендуемыйизготовителями, Относительная работоспособность при низкой температуре* Относительная работоспособность при высокой температуре*
Литий-ионная -10 — +50 неработоспособен или низкая умеренная
Никель-металлогидридная -20 — +40 низкая низкая
Никель-кадмиевая, герметичный -40 — +45 умеренная умеренная
Никель-кадмиевая, открытый -50 — +60 высокая высокая
Свинцово-кислотная, герметичный -20 — +40 неработоспособен низкая
Свинцово-кислотная, открытый -20 — +50 неработоспособен низкая или умеренная

Примечание:
* За работоспособность принимается способность отдавать емкость при указанной в скобках температуре окружающей среды.

Что касается аккумуляторов «новых» систем, особенно литий-ионных АКБ, разработки и поиски наиболее эффективных мер обеспечения безопасности продолжаются [1; 9]. Одним из эффективных решений обеспечения безопасности литий-ионных батарей большой мощности является применение систем контроля и управления (СКУ) батареями.

СКУ контролирует в батарее, в том числе поаккумуляторно, напряжение, токи, температуру и, при необходимости, иные параметры. СКУ обеспечивает защиту от неправильных действий, оптимальный режим заряда (в сочетании с упомянутым выше автоматически управляемым зарядным устройством), исключает глубокий разряд, выполняя необходимые коммутации внутренних соединений в батарее и внешние переключения.

Утилизация

Технологии утилизации свинцово-кислотных батарей с возвратом свинца вновь в аккумуляторное производство широко используются во всем мире, включая Россию. Утилизация щелочных никель-кадмиевых аккумуляторов так же известна в России. Правда, уровень этой технологии у нас низкий, экологически она более проблематична и не позволяет вернуть в производство никельсо-держащие материалы с высоким качеством.

Об утилизации в России никель-металлогидридных и литий-ионных аккумуляторов данных нет, как нет и их производства. Надо полагать, по мере насыщения рынка АКБ «новыми» системи вопрос их утилизации будет решаться.

Механическая стойкость

Стойкость АКБ к воздействию внешних механических факторов определяется преимущественно конструкцией изделий и технологическими приемами изготовления. В настоящее время производители батарей могут обеспечить соответствие изделия требованиям условий эксплуатации по механической прочности.

Следует отметить, что используемые в настоящее время в серийном производстве никель-кадмиевых аккумуляторов конструктивно-технологические решения обеспечивают их относительно лучшую стойкость к воздействию внешних механических факторов. Свинцово-кислотные аккумуляторы имеют специальные исполнения рассчитанные на различные механические воздействия. Например: «тяговые» аккумуляторы и батареи, а также АКБ для стационарной установки в сейсмоопасных районах.

Время заряда

В условиях интенсивной эксплуатации батарей может приобретать важное значение такой показатель как скорость заряда. Маловероятно, что задача сокращения времени заряда АКБ будет решена для «старых» изделий. В некоторых литий-ионных портативных аккумуляторах достигнуты результаты, когда заряд занимает время от часа до нескольких минут [1]. Имеется прогресс в сокращении время заряда у портативных никель-металлогидридных аккумуляторов.

О поисках совершенства. Выводы

Обратимся к рисунку 2, на котором приведено сравнение рассмотренных выше технических и эксплуатационных характеристик батарей. Вполне очевидно, что нет одной электрохимической системы или конструктивного исполнения, абсолютно превосходящего другие по всем оцениваемым параметрам.

Анализ данных, приведенных в таблицах и на рисунках 2 и 3, подсказывает и направления, по которым целесообразно работать по улучшению характеристик групп аккумуляторов определенной системы и исполнения.

Трудно ожидать прорывного результата по повышению параметров, в большой мере зависящих от электрохимической системы, то есть, от физической и химической природы, например, таких как удельная энергия. Особенно для относительно «старых» систем — свинцово-кислотной и никель-кадмиевой, хотя теоретически и там есть резервы.

Разработки, направленные на снижение объема работ по обслуживанию открытых никель-кадмиевых аккумуляторов, которыми интенсивно занимаются сегодня российские производители промышленных АКБ, помогут не только удержать их позиции на рынке, но дадут возможности расширить применение батарей этой системы.

Есть перспективы по улучшению потребительских свойств и свинцово-кислотных батарей и без того превалирующих сегодня на рынке промышленных АКБ.

Поиски и разработки, направленные на снижение стоимости относительно дорогих групп АКБ, безусловно, будут продолжаться. Снижение уровня цен на литий-ионные аккумуляторы в сочетании с решениями, позволяющими предложить безопасные и большой емкости АКБ на основе аккумуляторов этой электрохимической системы, создадут условия для расширения их применения как АКБ промышленного назначения.

Уже сегодня на рынке малогабаритных аккумуляторов и батарей предлагаются специальные серии ни-кель-металлогидридных аккумуляторов для применения в условиях тропического или холодного климата. Не исчерпаны возможности улучшения других характеристик аккумуляторов этой системы, в связи с этим окончательно исключать ее применение в перспективе не следует.

Применение при решении задач повышения безопасности, сокращения затрат на обслуживание и повышения срока службы батарей «умных» зарядных устройств и систем контроля управления батареями, будет способствовать изменению самого образа АКБ. Аккумуляторная батарея все больше станет походить на некий «черный ящик» имеющий несколько контактных выводов, когда потребителю останется только и забот что установить и подключить его. Во всяком случае, неизбежно расширение объемов комплектной поставки АКБ, когда с аккумуляторами будут поставляться зарядные устройства, а также блоки контроля и управления батареями.

Полагаю, не следует ожидать, что на рынке промышленных АКБ будет безраздельно представлена какая либо одна электрохимическая система. Более чем столетняя история промышленного производства и широкого использования химических источников тока тому подтверждение [2; 5]. Еще долго выражение, приведенное в известной монографии о химических источниках тока [5] будет верным: «хороший источник тока с приемлемыми показателями является хорошо сбалансированным компромиссом». Создание универсального или идеального аккумулятора остается неразрешимой задачей.

Только тесное сотрудничество с пользователями и заказчиками батарей и достижение взаимного понимания позволит изготовителю и поставщику аккумуляторных батарей наилучшим образом удовлетворять запросы потребителей и иметь успех на рынке.

Список использованной литературы

[1] Орлов С. Б. Развитие рынков источников тока новых электрохимических систем // Компоненты и технологии. 2007, № 4, № 5.

[2] Химические источники тока: Справочник / Под редакцией Н. В. Коровина и А. М. Скундина. — М.: Издательство МЭИ, 2003.

[3] Емельянов В. И. О замене никель-кадмиевых аккумуляторов ни-кель-металлогидридными. Научно-практическая конференция международной ассоциации производителей химических источников тока «ИНТЕРБАТ». Сб. материалов. Москва. 2003.

[4] Орлов С. Б., Суслов В. М., Арапов Е. В., Худыкин А. М. Использование химических источников тока в средствах навигационного оборудования. Конференция «Автономная энергетика: прошлое, настоящее и будущее». Сб. материалов. Москва. 2009.

[5] Багоцкий В. С., Скундин А. М. Химические источники тока. — М.: Энергоиздат, 1981.

[6] Таганова А. А., Семенов А. Е. Свинцовые аккумуляторные батареи: стационарные, тяговые, для портативной аппаратуры: Справочник. — СПб.: ХИМИЗДАТ, 2004.

[7] Теньковцев В. В., Центер Б. И. Основы теории и эксплуатации герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов. — Ленинград: Энергоиздат. Ленинград. отд-ние. 1985.

[8] Таганова А. А., Бубнов Ю. И., Орлов С. Б. Герметичные химические источники тока. Элементы и аккумуляторы. Оборудование для испытаний и эксплуатации. — СПб.: ХИМИЗ-ДАТ, 2005.

[9] Профатилова И. А., Тарнопольс-кий В. А. Проблемы безопасности литий-ионных аккумуляторов. Конференция «Автономная энергетика: прошлое, настоящее и будущее». Сб. материалов. Москва. 2009.

В. И. ЕМЕЛЬЯНОВ
директор по маркетингу ЗАО «ВЗЩА»

Рекомендуем почитать

Комментировать

    Еще никто не оставил комментариев.

Для того чтобы оставлять комментарии Вам необходимо зарегистрироваться либо авторизоваться на сайте.