Как это ни удивительно, впервые идея использовать самый легкий щелочной металл для создания источников тока была высказана более ста лет тому назад — в 1912 году. Но реализовать эту идею удалось лишь спустя шесть десятилетий — в начале 70-х годов появились первые литиевые батарейки. Попытки разработать литиевые аккумуляторы оказались неудачными из-за проблем, связанных с обеспечением безопасности их эксплуатации. Справиться с проблемой удалось еще спустя 20 лет инженерам фирмы SONY, которые заменили активный металлический литий его ионной формой и снабдили каждую батарею электронной схемой управления BMS (Battery management System), которая контролировала режимы заряда/разряда. Спустя еще четверть века сменилось несколько поколений технологии батарей на основе лития. Усилия исследователей были направлены на снижение стоимости изделий, увеличение их удельной емкости, надежности и безопасности. Только с 2008 года стоимость батарей упала в четыре раза, а плотность хранения энергии выросла в пять раз. И возможности этой технологии еще не исчерпаны.

Из-за перспектив этой технологии, и в других отраслях, использующих аккумуляторы, также происходит сдвиг в сторону внедрения литий-ионных батарей, обусловленный их преимуществами перед традиционными свинцово-кислотными батареями с регулируемым клапаном (VRLA — valve-regulated lead-acid), в частности, в области создания источников бесперебойного питания.

Какие же преимущества имеют литий-ионные батареи по сравнению со свинцово-кислотными батареями с точки зрения создания ИБП:

  • Втрое меньший вес при аналогичной запасаемой энергии. Система литий-ионных аккумуляторов для ИБП весит на 60–80 % меньше сопоставимой свинцово-кислотной системы и, соответственно, занимает до 50–80 % меньше площади пола. Такая экономия обусловлена высокой удельной энергией, свойственной литий-ионным аккумуляторам. Конкретные энергетические показатели для литиевых аккумуляторов, доступных на сегодняшний день, находятся в диапазоне от 70 кВт*ч/кг до 260 кВт*ч/кг. Для сравнения, типовые показатели свинцово-кислотных аккумуляторов находятся в диапазоне 30 — 50 кВт*ч/кг.
  • На порядок большее число циклов заряда-разряда в зависимости от используемого химического процесса, технологии, температуры и глубины разряда. Срок службы аккумулятора определяется количеством циклов полный заряд-полный разряд, которое производится в пределах установленного температурного диапазона до того, как аккумулятор необходимо будет заменить (снижение емкости до 60–80%). Срок службы традиционного герметичного свинцово-кислотного аккумулятора составляет от 200 до 400 циклов. Типовой литий-ионный аккумулятор, используемый для устройств ИБП, может выдержать более 1000 циклов. А некоторые современные литий-ионные аккумуляторы способны выдержать до 5000 циклов.
  • Меньший саморазряд. По данным Вattery University VRLA-баттареи имеют приблизительно постоянный саморазряд 5% в месяц. У литий-ионных батарей установившийся саморазряд 1-2% в месяц. При этом в отличие от свинцово-кислотных литий-ионные батареи могут храниться даже с 30% уровнем разряда.
  • Значительно более быстрый заряд — ключевое преимущество в случае с многочисленными перебоями энергии. Зарядка литий-ионного аккумулятора до 100% займет от 30 минут до одного часа при условии, что зарядное устройство сможет обеспечить достаточный ток. Таким образом, зарядка литий-ионного аккумулятора займет на 5-10 часов меньше, чем зарядка аналогичного свинцово-кислотного аккумулятора.
  • Меньшее число (а скорее всего, и полное отсутствие) замен аккумулятора, производимое в течение срока службы ИБП (расчетное время службы), устраняет риск простоя из-за его замены, а также сокращает затраты на эксплуатационное обслуживание. К тому времени, когда аккумуляторы необходимо будет заменить, скорее всего, понадобится заменить и сам ИБП.
  • При использовании свинцово-кислотных герметичных батарей для увеличения их срока службы требуется поддерживать температуру в помещении в пределах 20-25°C. Li-ion батареи менее чувствительны к повышению температуры, так что даже при уменьшении их срока службы из-за влияния данного фактора, все равно срок их службы будет выше.

Кроме того, литий-ионные аккумуляторы не требуют технического обслуживания. Они не имеют «памяти». Входящая в состав система управления аккумулятором автоматически собирает и передает все данные, необходимые для четкого представления о его работоспособности и состоянии, что дополнительно продлевает срок службы батарей. Также благодаря наличию системы BMS можно производить в случае необходимости одиночную замену отдельных элементов.

«Мы довольно давно начали исследовать альтернативные свинцово-кислотным батареям способы хранения энергии для ИБП, — говорит Павел Пономарев, менеджер по развитию направления „Трехфазные ИБП“, подразделение IT Division компании Schneider Electric. — Были и довольно экзотичные решения на базе топливных элементов, и решения на базе супер-конденсаторов. Первый ИБП с Li-ion-аккумуляторами был предложен американскому рынку нами более 10 лет назад, он был небольшой мощности и позиционировался для защиты аудио-видео hi-end аппаратуры. Оба эти факта определяли его стоимость. С течением времени технологии Li-ion аккумуляторов совершенствовались, цены на них уменьшались и в 2011 году мы вновь вернулись к идее их использования уже для мощных ИБП, где выгода от внедрения подобного решения наиболее ощутима.

Несколько лет исследований, внедренные и успешно эксплуатируемые нашими заказчиками решения на базе ИБП с Li-ion общей мощностью более 36 МВт, дают нам уверенность в том, что мы выбрали правильный путь».

Главным фактором, сдерживающим широкое использование литий-ионных батарей является их высокая начальная стоимость. Капитальные затраты, приходящиеся на одинаковое количество энергии в два раза больше. Например, если рассмотреть два варианта построения ИБП, выдающего в автономном режиме в течение 2 мин мощность 600 кВт, и принять за единицу затрат вариант с традиционными свинцово-кислотными аккумуляторами, то капитальные затраты создания ИБП на литий-ионных аккумуляторах составит 1,9. Однако, стоимость совокупного владения за 10 лет оказывается всего 0,75. По этому показателю литий-ионная технология обходит свинцово-кислотную на длинных дистанциях, но традиционная технология по-прежнему остается в игре, а значит, решение, какой вариант выбрать остается за пользователем.

Что же дают преимущества, предоставляемые литий-ионной технологией, с точки зрения создания систем питания для ЦОД:

  • Освобождается избыточная площадь, которую можно использовать для установки дополнительных серверов или иного ИТ-оборудования, которое может приносить прямую прибыль.
  • Более скромные требования по охлаждению.
  • Существенно меньший вес при одинаковой энерговооруженности не требуют укрепления пола или переноса батарей в подвал
  • Простота обслуживания достигается за счет модульной конструкции и развитой системы мониторинга состояния батарей.
  • Минимум двукратный запас по сроку службы батарей гарантирует отсутствие дополнительных расходов в будущем.

Решения серии Galaxy V

Во конце 2014 года компания Schneider Electric выпустила на рынок первый ИБП продуктовой линейки Galaxy V — модульный трехфазный ИБП Galaxy VM-мощностью от 160 до 800 кВА,предназначенный для ЦОД и промышленных приложений, который может теперь поставляться и с литий-ионными батареями.

Кроме того компанией предпринят ряд шагов, для обеспечения совместимости с Li-ion батареями для ИБП серий Symmetra MW и Galaxy 7000 как в новых проектах, в так и ранее инсталлированных (с апгрейдом на площадке заказчика). В начале 2017 года будет сформирована специальная продуктовая линейка аккумуляторов, которая ускорит процесс их подбора как для данных ИБП, так и для новых ИБП большой мощности, которые также будут поддерживать данную технологию. Для инсталлированных у заказчиков ИБП при окончании срока службы использующихся традиционных свинцово-кислотных аккумуляторов есть возможность их замены на литий-ионные.

Помочь в выборе оптимального решения призван разработанный компанией калькулятор TradeOff Tools, представляющий собой инструмент для сравнения решений на литий-ионных аккумуляторах и VRLA-аккумуляторах.

В минимальной комплектации ИБП Galaxy VM состоит из двух секций высотой 2 метра (силовой секции и секции ввода/вывода со встроенным механическим байпасом), позволяющих осуществить раздельный монтаж. Кабельное подключение осуществляется сверху и снизу стоек. Все обслуживание — фронтальное.

Конструкция ИБП модульная. В комплект входят силовые модули, модуль электронного байпаса, модуля выпрямителя, модуль управления. Все модули допускают быструю замену сервисным специалистом. Устройство способно выдерживать перегрузку относительно номинальной мощности в 150% в течение одной минуты, работает в диапазоне напряжений от 250 до 600В, работает с нагрузками различной природы (индуктивная, емкостная) без снижения своей мощности (дерейтинга).

ИБП функционирует, сохраняя эту способность, в течение долговременной работы при +40°С.

КПД в режиме двойного преобразования (при типичных нагрузках на ИБП 50...75%) и выходном напряжении 400В — не опускается ниже 96%, а в высокоэффективном режиме с функциями коррекции коэффициента мощности по входу без ограничений, подзарядке батарей и с нулевым временем переключения — до 99%.

Основными строительными блоками батарейной системы для Galaxy VM являются ячейка, модуль и стойка.

Литий-ионная ячейка имеет емкость 67 Ач, весит 1,9 кг и выдает номинальное напряжение 3,8 В. Она оснащена предохранителем, защищающем от короткого замыкания, клапаном избыточного давления и электронной схемой защиты от перезаряда.

Батарейный модуль содержит 8 последовательно соединенных ячеек общим номинальным напряжением 30,4 В. Он весит 17 кг и включает в себя средство мониторинга, отслеживающего его температуру и напряжения для правильной балансировки ячеек.

Сама стойка содержит, в зависимости от типа, 13 или 17 батарейных модулей, вспомогательный блок питания и автоматику системы мониторинга стойки: напряжение, ток, состояние автоматики защиты, и автоматику мониторинга всей системы (напряжение, состояние вторичных блоков питания, отказы/уведомления, и т.д.). Вес стойки с батареями составляет 480 или 550 кг.

Простота обслуживания достигается за счет небольшой глубины стойки и фронтального доступа для экономии места. Для увеличения времени автономной работы предусмотрена возможность параллельного подключения стоек.

Дистанционный мониторинг системы через проводится либо через интернет, либо по протоколу Modbus.

В начале 2017 года ожидается пополнение линейки ИБП Galaxy V моделью Galaxy VX, унаследовавшей все преимущества ИБП Galaxy VM, c мощностями от 1250 кВт до 1500кВт, в которой также можно будет использовать литий-ионные батареи.

ПОДГОТОВЛЕНО PC WEEK EXPERT