Инновационный подход к обеспечению резервного электропитания ТСО

26-03-2019

Основой надёжности работы любого технического средства охраны (ТСО) на протяжении всего заданного срока службы является качество и стабильность параметров его электропитания. Выполняя требование по обеспечению бесперебойности работы систем охраны, все они в обязательном порядке оснащаются источниками электропитания с резервом, предназначенными для электропитания систем на время, необходимое для восстановления основного источника при его аварийном отключении. В качестве основного источника электропитания систем охраны в подавляющем большинстве случаев используется электрическая сеть систем электроснабжения общего назначения (230/400 В, 50 Гц) по ГОСТ 29322-2014. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения регламентируются требованиями ГОСТ 32144-2013. Ответственность за качество предоставляемой электроэнергии лежит на территориальных генерирующих компаниях Российской Федерации. Вместе с тем выбор технологии и способа технической реализации источников электропитания с резервом остаются за производителями ТСО.

Для организации резервного электропитания ТСО со значительным энергопотреблением используются кислотные аккумуляторные батареи большой ёмкости (аналогичные применяемым в транспортных средствах), дизель- или бензогенераторы. Основная часть объектовых ТСО имеет низкое электропотребление, что позволяет применять в системах охраны более технологичные по сравнению с кислотными аккумуляторными батареями большой ёмкости источники электроэнергии. На сегодняшний день наиболее распространенным из них является герметизированная свинцово-кислотная аккумуляторная батарея. Изображение аккумуляторной батареи данного типа приведено на рисунке 1.

Следует заметить, что помимо герметизированных свинцово-кислотных аккумуляторных батарей существует целый ряд перезаряжаемых накопителей электроэнергии, основанных на использовании иных физико-химических процессов. К наиболее распространённым из них можно отнести:

• графен-полимерные (Cn-Po) аккумуляторы;
• лантан-фторидные (La-Ft) аккумуляторы;
• литий-ионные (Li-Ion) аккумуляторы;
• железо-воздушные (Fe-air) аккумуляторы;
• никель-солевые (Na/NiCl) аккумуляторы;
• натрий-серные (Na-S) аккумуляторы;
• никель-кадмиевые (Ni-Cd) аккумуляторы;
• железо-никелевые (Ni-Fe) аккумуляторы;
• никель-водородные (Ni-H₂) аккумуляторы;
• никель-металл-гидридные (Ni-MH) аккумуляторы;
• никель-цинковые (Ni-Zn) аккумуляторы;
• свинцово-водородные (Pb-H) аккумуляторы;
• серебряно-цинковые (Ag-Zn) аккумуляторы;
• серебряно-кадмиевые (Ag-Cd) аккумуляторы;
• цинк-бромные (Zn-Br) аккумуляторы;
• цинк-воздушные (Zn-air) аккумуляторы;
• цинк-хлорные (Zn-Cl) аккумуляторы;
• перезаряжаемые марганцево-цинковые щелочные гальванические элементы RAM (Rechargeable Alkaline Manganese);
• электрохимические конденсаторы (ионисторы).

Оценив достоинства и недостатки каждого из перечисленных накопителей электроэнергии можно сделать следующий вывод – на сегодняшний день по соотношению цена/качество наиболее перспективным для ТСО представляется использование литий-ионных аккумуляторов.

Впервые вопрос о возможности применения литий-ионных аккумуляторов в нашей стране рассматривался в начале 50-х годов XX века, а первые серийные образцы были созданы в 80-х годах. Из-за сравнительно высокой цены применение они нашли только в военно-промышленном комплексе. В частности в г. Новочеркасск Ростовской области было налажено производство литий-ионных аккумуляторных батарей, предназначенных для нужд военно-морского флота. Первый литий-ионный аккумулятор массового применения выпустила корпорация Sony в 1991 году. Значительная цена литий-ионных аккумуляторов компенсировалась рядом преимуществ: высокие зарядный и разрядный токи, повышенная удельная энергоёмкость, отсутствие «эффекта памяти». Серьёзным недостатком технологии литий-ионных аккумуляторов первого поколения была их пожароопасность. Это объяснялось тем, что в них использовался анод из металлического лития, на котором в процессе многократных циклов зарядки/разрядки возникали пространственные образования (дендриты), приводящие к замыканию электродов и, как следствие, возгоранию или взрыву. Поэтому к аккумуляторам на основе лития долгое время относились с опасением.

Технологии используемые при создании аккумуляторов постоянно совершенствовались. Был разработан спектр литий-ионных аккумуляторов, среди которых наибольшее распространение получили:

• литий-кобальтовые (LiCoO₂) аккумуляторы;
• литий-марганцевые (LiMn₂O₄) аккумуляторы;
• литий-никель-марганец-кобальтовые (LiNiMnCoO₂) аккумуляторы;
• литий-никель-кобальт-алюминиевые (LiNiCoAIO₂) аккумуляторы;
• литий-титанатные (Li₄Ti₅O₁₂) аккумуляторы.

В 2003 году специалистами Массачусетского технологического института было предложено использование феррофосфата лития (LiFePO₄) в качестве катодного материала литий-ионного аккумулятора. Ниже приведена сравнительная таблица условных качественных показателей литий-ионных аккумуляторов, выполненных по различным технологиям.

Исходя из данных, представленных в таблице, можно сделать вывод о том, что наилучшей совокупностью условных показателей качества обладают аккумуляторы на основе феррофосфата лития (LiFePO₄). На сегодняшний день аккумуляторы данного типа находят широкое применение в самых разнообразных электроприборах и устройствах, например, в электромобилях, гироскутерах, гирокоптерах, электроинструментах, гаджетах и т. д.

Несмотря на все преимущества использование литий-ионных аккумуляторов в качестве резервных источников электропитания ТСО не имеет такого широкого применения, как традиционное решение – герметизированная свинцово-кислотная аккумуляторная батарея. Вместе с тем можно с уверенностью утверждать, что в скором времени ситуация кардинально изменится. Совершенствование производственной базы, внедрение инновационных технологий и расширение сферы применения способствуют к дальнейшему снижению стоимости литий-ионных аккумуляторов.

Уже сейчас, с точки зрения эксплуатационных затрат, литий-ионные аккумуляторы обладают объективными преимуществами. Это обусловлено, в первую очередь, гораздо большим сроком службы, чем у герметизированных свинцово-кислотных аккумуляторов и расширенным диапазоном рабочих температур при разряде (от минус 20 °C до плюс 60 °C). Срок службы литий-ионных аккумуляторов составляет 10-15 лет против 3-5 лет у «брендовых» свинцово-кислотных. А «бюджетные» модели, которыми сейчас заполнен российский рынок, если и «проживут» год – то повезло.

Простейший анализ с калькулятором в руках показывает, что источники электропитания с резервом, с применением литий-ионных аккумуляторов, имеют совокупную стоимость владения в течение 10 лет до 50% меньшую, чем источники с применением герметизированных свинцово-кислотных аккумуляторов. Не стоит забывать и про косвенные затраты, связанные с обслуживанием ТСО на объектах – выезд специалистов, проведение регламентных работ ТСО, замена аккумуляторов.

Литий-ионные аккумуляторы практически не требуют обслуживания. Эти аккумуляторы практически не имеют «эффекта памяти», который необходимо учитывать при эксплуатации. Кроме того, продолжительный срок службы (более 10 лет) сопоставим со сроками службы ТСО, что значительно уменьшает вероятность возникновения необходимости замены аккумулятора в течение срока эксплуатации ТСО.

Жизненный цикл – максимальное количество последовательностей заряда и разряда аккумуляторов в пределах рабочих режимах эксплуатации. При снижении ёмкости аккумулятора до 60-80% от номинальной аккумулятор становится непригодным к использованию и подлежит замене. Срок службы герметизированных свинцово-кислотных аккумуляторов составляет от 200 до 400 циклов. Литий-ионные аккумуляторы (LiFePO₄) могут выдержать более 5000-7000 циклов, разница очевидна.

Как известно, свинцово-кислотные аккумуляторы нельзя разряжать ниже определенного напряжения, нельзя превышать время заряда и заряжать слишком большим током. Все эти ограничения должны быть учтены в источниках электропитания, в которых применяются свинцово-кислотные аккумуляторы (должна быть предусмотрена защита от глубоко разряда, от «короткого» замыкания клемм аккумулятора, от перезаряда и т.д.). Всё это существенно сказывается на цене.

Практически все современные литий-ионные аккумуляторы оснащены системами контроля по умолчанию. Система управления и балансировки (BMS) постоянно отслеживает параметры каждого элемента аккумуляторной батареи и управляет системой зарядки, встроенная защита от «короткого» замыкания и перегрузки защищает от любых внештатных ситуаций.

В настоящее время на ЗАО «Бастион» (г. Ростов-на-Дону) освоен серийный выпуск аккумуляторных батарей на основе феррофосфата лития (LiFePO₄) в корпусах привычных всем VRLA аккумуляторных батарей номинальным напряжением 12 В ёмкостью 7 Ач и 12 Ач. Конструкция батареи ёмкостью 7 Ач представлена на рисунке 2.

Рис. 2

Данные аккумуляторные батареи, превосходя по своим параметрам соответствующие герметизированные свинцово-кислотные аккумуляторные батареи, могут применяться в качестве их замены не требуя доработки ТСО.

В ближайших планах ЗАО «Бастион» запуск в производство аккумуляторных батарей на основе феррофосфата лития в типовых корпусах с номинальным напряжением 12 В ёмкостью 17 Ач, 26 Ач и 40 Ач.

В заключении хочется выразить уверенность в том, что внедрение инновационных технологий в разработку и производство технических средств охраны позволит повысить не только качество, но и надёжность личностной и имущественной безопасности граждан.

Читайте также по теме

• Таблицы совместимости аккумуляторов для ИБП
• Как проверить аккумулятор
• Болит голова за АКБ? Есть «лекарство»!

Товары из статьи

• Skat i-Battery 12-7 LiFePO4
• Skat i-Battery 12-12 LiFePO4