Тип литиевая батарея, необходимая для промышленного применения определяется конкретными требованиями питаемого оборудования: напряжением устройства, током нагрузки, требованиями к ёмкости, экологическими факторами, ограничениями по пространству и параметрами эксплуатационной безопасности. «Руководство по решениям для литий-ионных аккумуляторов» корпорации Shimadzu содержит подробные методики тестирования и анализа производительности литий-ионных аккумуляторов по этим критическим параметрам. Наша команда инженеров разрабатывает индивидуальные решения для промышленного применения уже более двух десятилетий, и мы понимаем, что правильный выбор элементов питания и конфигурация аккумуляторной батареи напрямую влияют на надёжность системы, эксплуатационные расходы и срок службы оборудования.
Индивидуальные решения для литиевых аккумуляторов требуют тщательного анализа по множеству технических параметров для соответствия промышленным спецификациям. Протоколы испытаний должны оценивать свойства материалов, тепловые характеристики, электрохимические характеристики и механическую прочность в реальных условиях эксплуатации. Каждое промышленное применение предъявляет уникальные электрические, механические и экологические требования, которые невозможно решить с помощью готовых аккумуляторных решений. Процесс проектирования аккумуляторных батарей включает в себя выбор подходящего химического состава, конфигурирование ячеек в соответствии с требованиями к напряжению и ёмкости, интеграцию схем защиты и разработку корпусов, обеспечивающих надлежащее терморегулирование и физическую защиту.
Процесс выбора начинается с детальной оценки требований вашего приложения. На оптимальную конфигурацию аккумулятора влияют такие факторы, как требования к напряжению, характеристики потребляемого тока, характеристики рабочего цикла, диапазон температур, физические размеры и соответствие нормативным требованиям. В этом техническом руководстве описаны критически важные факторы, определяющие производительность аккумуляторных батарей в промышленных условиях. Мы рассмотрим специфические требования к применению, сравним эксплуатационные характеристики различных литиевых аккумуляторов и обсудим варианты адаптации, позволяющие решить конкретные эксплуатационные задачи. Цель — предоставить вам технические знания, необходимые для проектирования аккумуляторных систем, обеспечивающих надежную работу, соответствие требованиям безопасности и экономичную эксплуатацию в вашем промышленном приложении.
Оценка требований к заявке
Image Source: ResearchGate
Требования к конструкции аккумуляторной батареи определяются тремя основными параметрами: энергомощностными характеристиками, рабочими циклами и физическими ограничениями при установке. Каждый параметр напрямую влияет на выбор химического состава ячейки, конфигурацию батареи и конструкцию схемы защиты.
Требования к плотности энергии и плотности мощности
Промышленные приложения обычно требуют либо высокой плотности энергии для длительного времени работы, либо высокой плотности мощности для быстрого разряда — редко обе характеристики одновременно. Литий-ионные аккумуляторы превосходны в приложения плотности энергии Там, где важна стабильная подача энергии в течение длительного времени. Эти элементы обеспечивают превосходную ёмкость для хранения энергии, сохраняя при этом меньший вес по сравнению с альтернативными химическими элементами.
Приложения, требующие мгновенной высокой выходной мощности в течение коротких промежутков времени, например, системы бесперебойного питания, обеспечивающие значительную мощность в течение нескольких секунд или минут, могут выиграть от выбора различных химических составов. Никель-цинковые аккумуляторы обеспечивают эквивалентную выходную мощность свинцово-кислотным аккумуляторам, занимая при этом вдвое меньше места. Компромисс заключается в снижении энергоёмкости при увеличении мощности.
Рабочие циклы и параметры времени работы
Режимы работы оборудования определяют требования к конфигурации аккумулятора. Для непрерывного использования высокой мощности требуется иная компоновка ячеек, чем для оборудования с прерывистым режимом работы. Данные испытаний показывают, что ячейки, работающие в высокопроизводительных рабочих циклах, демонстрируют ускоренные изменения характеристик по сравнению со стандартным циклом работы.
Характеристики времени автономной работы значительно различаются в зависимости от сферы применения. Работа электротележек может потребовать круглосуточной доступности, в то время как аварийные резервные системы должны работать стабильно в течение определённых периодов времени. Правильно подобранные литий-ионные аккумуляторы могут снизить общее потребление энергии на 24% по сравнению со свинцово-кислотными аналогами. Промышленные литий-ионные аккумуляторы сохраняют стабильность производительности в широком диапазоне температур, обеспечивая надёжную работу в различных условиях окружающей среды.
Физическое пространство и конфигурация монтажа
Требования к установке часто определяют окончательную конфигурацию аккумуляторной батареи. Промышленные литиевые растворы допускается несколько конфигураций монтажа:
- Монтаж в 19-дюймовую стойкусоответствует отраслевым стандартам с высотой 3U или 5U, что позволяет устанавливать его в существующую инфраструктуру без специального монтажного оборудования. Установка на DIN-рейкуобеспечивает надежное крепление на стандартных 35-миллиметровых рейках в промышленных панелях управления и корпусах
• Настенные конфигурации оптимизировать использование вертикального пространства, одновременно устраняя потребность в площади пола и поддерживая надлежащую вентиляцию
Инсталляции с ограниченным пространством выигрывают от компактные решения высокой производительности обеспечивает более 5 кВт⋅ч при минимальных размерах — всего 3U × 420 мм.
Характеристики производительности аккумуляторов и критерии выбора
Image Source: MDPI
Оценка производительности по нескольким техническим параметрам определяет пригодность индивидуальные решения для литиевых батарей для промышленного применения. Характеристики аккумуляторов значительно различаются в зависимости от химического состава, конструкции элемента и условий эксплуатации, что требует систематического сравнения разрядных характеристик, термического поведения и ожидаемого срока службы.
Эффективность разряда и энергоэффективность
Скорость заряда/разряда определяет скорость заряда/разряда относительно ёмкости аккумулятора. Скорость 1С полностью заряжает или разряжает аккумулятор за один час, а скорость 4С соответствует 15-минутному времени зарядки. Более высокие скорости заряда/разряда обычно ускоряют снижение ёмкости. Литий-ионные аккумуляторы демонстрируют исключительную эффективность В оптимальных условиях КПД по току превышает 99%. КПД снижается примерно до 97% при разряде током 0.5С и продолжает снижаться при разряде током 1С. В реальных условиях эксплуатации электромобили обычно достигают КПД 86%.
Различные химические составы лития обладают различными эксплуатационными характеристиками. Литий-кобальтовые элементы не могут превышать свой номинальный ток заряда или разряда без возникновения тепловых проблем, тогда как литий-железо-фосфатные элементы выдерживают более высокие токи с минимальным тепловыделением. Для промышленных применений, требующих высокой скорости разряда, обычно используются литиевые аккумуляторы с номиналом 10°C или выше.
Рабочие температурные окна и требования к терморегулированию
Рабочая температура напрямую влияет как на производительность аккумулятора, так и на срок его службы. Литий-ионные аккумуляторы оптимально работают при температуре от 15°C до 35°C.. Мощностная способность резко снижается при низких температурах — с 800 Вт/л при 25 °C до 10 Вт/л при -40 °C. Высокие температуры ускоряют деградацию и создают риски для безопасности, а при температуре выше 80 °C возможен тепловой пробой.
Требования к терморегулированию зависят от рабочих циклов применения и условий окружающей среды. Пассивные системы охлаждения обеспечивают адекватный контроль температуры для оборудования с прерывистым режимом работы, в то время как для непрерывно работающих высокопроизводительных систем требуются системы активного охлаждения. Индивидуальные решения для литиевых аккумуляторов включают в себя соответствующее терморегулирование — резистивные нагревательные элементы для работы в условиях низких температур и активное охлаждение для работы в условиях высокой разрядки.
Характеристики жизненного цикла и механизмы деградации
Срок службы аккумуляторов с литиевыми аккумуляторами значительно различается. Стандартные литий-ионные аккумуляторы обеспечивают около 2,000 циклов, что эквивалентно 3–5 годам службы. Литий-титанатные (LTO) аккумуляторы обладают исключительной долговечностью, выдерживая до 10,000 500 циклов. Некоторые литиевые аккумуляторы обеспечивают всего XNUMX циклов в аналогичных условиях.
Деградация аккумулятора ускоряется из-за циклов глубокой разрядки, перезарядки, воздействия экстремальных температур и эксплуатации с высоким током заряда. Снижение емкости и увеличение сопротивления Демонстрируется сильная корреляция (r < −0.8 в 97% случаев), что указывает на то, что механизмы старения одновременно влияют на оба параметра. Мониторинг ёмкости или внутреннего сопротивления обеспечивает надёжную оценку состояния аккумулятора.
Литий-железо-фосфатные (LFP) батареи представляют собой оптимальный выбор для промышленных применений, требующих максимального срока службы, обеспечивая увеличенный срок службы, улучшенные характеристики безопасности и экономичную эксплуатацию.
Варианты разработки и конфигурации индивидуальных аккумуляторных батарей
Источник изображения: батарея Tritek
Индивидуальная разработка аккумуляторных батарей позволяет решать специфические промышленные задачи, с которыми не справляются стандартные готовые решения. Наша команда инженеров разрабатывает индивидуальные конфигурации аккумуляторов, точно соответствующие электрическим, механическим и экологическим требованиям, а не заставляет приложения адаптироваться к имеющимся продуктам.
Модульная конструкция напряжения и мощности
Разработка индивидуального аккумуляторного блока начинается с подбора ячеек для достижения требуемых значений напряжения и ёмкости. Модульные конструкции аккумуляторов позволяют мощность увеличивается с шагом 5P и конфигурации напряжения от 7S (24 В) до 224S (830 В). Такой подход позволяет точно подобрать электрические характеристики под требования нагрузки. Стандартные блоки включают конфигурации на 24 В (25.2 В/22.5 А·ч/567 Вт·ч) и варианты на 48 В (50.4 В/22.5 А·ч/1.134 кВт·ч), которые можно комбинировать для получения систем более высокого напряжения или мощности.
Количество ячеек, их размер и способ сборки определяют электрические характеристики и физические размеры аккумуляторной батареи. Последовательное соединение увеличивает напряжение, а параллельное — ёмкость. Индивидуальные конфигурации оптимизируют оба параметра для удовлетворения конкретных требований применения без увеличения габаритов аккумуляторной системы.
Интеграция системы управления батареями
Фильтр системы управления батареями Обеспечивают сложные функции мониторинга и управления, необходимые для промышленного применения. Индивидуальные решения BMS включают:
- Непрерывный мониторинг напряжения, тока, температуры и состояния заряда
- Интерфейсы связи, включая протоколы CAN-шины, RS485 или Bluetooth
- Возможности регистрации данных для программ прогностического обслуживания
- Программируемые системы оповещения о рабочих параметрах
Функциональность BMS может быть адаптирована к требованиям конкретного приложения. Простым приложениям могут потребоваться лишь базовые схемы защиты, в то время как сложные системы выигрывают от полной интеграции связи с системами мониторинга объекта.
Механическое проектирование и защита окружающей среды
Промышленные аккумуляторные корпуса должны защищать элементы и электронные компоненты от суровых условий эксплуатации. Индивидуальная конструкция корпуса обеспечивает:
- Степень защиты IP54 или вышедля защиты от пыли и влаги
- Диапазон рабочих температур: от 32°F до 140°F
- Механическая защита от ударов, вибрации и коррозионных воздействий
- Соответствие требуемым сертификатам, включая UL, UKCA, CE, IEC и UN38.3
Материалы корпуса выбираются с учётом условий окружающей среды и нормативных требований. Для применения в экстремальных условиях специальные материалы и методы строительства обеспечивают надёжную и длительную эксплуатацию.
Системная интеграция и совместимость
Современные решения для литиевых аккумуляторов интегрируются с существующей энергетической инфраструктурой благодаря стандартизированным интерфейсам и протоколам связи. Это включает в себя совместимость со SCADA-системой для мониторинга всего объекта и возможность прямой замены устаревших свинцово-кислотных аккумуляторов. Для правильной системной интеграции необходимо тщательно учесть совместимость по напряжению, требования к протоколам связи и особенности физического монтажа.
Выбор аккумулятора: анализ стоимости, требования безопасности и поддержка производства
Image Source: Согласованное понимание рынка
Окончательное решение о выборе аккумулятора требует оценки трёх критически важных факторов, помимо технических характеристик: долгосрочного анализа затрат, обязательной сертификации безопасности и возможностей поддержки производителя. Наш опыт работы с сотнями промышленных установок аккумуляторов показал, что эти факторы зачастую определяют успех проекта в большей степени, чем первоначальные технические показатели.
Анализ общей стоимости и долгосрочной ценности
Первоначальные затраты на аккумулятор составляют лишь малую часть общих расходов на владение системой в течение всего срока её службы. Литиевые аккумуляторы обычно стоят в 2-3 раза дороже, чем свинцово-кислотные аналоги, но их общая стоимость владения Ресурс свинцово-кислотных аккумуляторов в среднем составляет 500–1000 циклов до замены, тогда как литий-железо-фосфатные аккумуляторы обеспечивают более 4000 циклов при аналогичных условиях эксплуатации.
Эффективность эксплуатации создаёт дополнительные преимущества в плане затрат. Литиевые аккумуляторы достигают 96% эффективности зарядки по сравнению с 75% у свинцово-кислотных систем. Эта разница в эффективности в 21% напрямую влияет на снижение расходов на электроэнергию в течение всего срока службы аккумулятора. Требования к техническому обслуживанию также существенно различаются: литиевые системы практически не требуют планового обслуживания, в то время как свинцово-кислотные аккумуляторы требуют регулярного контроля электролита и периодической замены.
Чем быстрее разряд или чем экстремальнее рабочая температура, тем выше экономическое преимущество правильно подобранного литиевого аккумулятора. В условиях высоких скоростей разряда или сложных условий окружающей среды общее экономическое преимущество литиевых систем существенно возрастает.
Сертификаты соответствия нормативным требованиям и безопасности
Литиевые батареи считаются опасными материалами и подпадают под действие различных нормативных актов. Необходимые сертификаты для промышленного применения включают:
- UN38.3 для безопасности транспортировки— требуется для всех поставок литиевых батарей • Стандарты UL/CSA для установок в Северной Америке • Сертификации IEC для соответствия требованиям европейского рынка • Отраслевые требования, такие как ABYC E-13 для морского применения
Эти сертификаты подтверждают, что аккумуляторные блоки прошли строгие испытания, включая испытания в условиях высокогорья, циклического изменения температуры, вибрации, ударов, внешнего короткого замыкания, ударов, перезаряда и принудительного разряда. Процесс сертификации требует значительных расходов на испытания и оформления документации, но надлежащая сертификация обязательна для коммерческого использования и снижает риск ответственности.
Новые правила продолжают развиваться, особенно в сфере воздушного транспорта. Правила, принятые в 2016 году, ужесточили требования к перевозке литиевых аккумуляторов и запретили их перевозку на пассажирских самолетах. Компании, планирующие международную дистрибуцию, должны учитывать эти ограничения при планировании логистики.
Поддержка производителя и возможности обслуживания
Качество технической поддержки у разных производителей аккумуляторов существенно различается. Оцените потенциальных поставщиков с учетом их возможностей инженерной поддержки, гарантийного покрытия и долгосрочной стабильности бизнеса. Известные производители предлагают комплексные гарантии сроком до 4 лет с полной заменой. Финансовая стабильность производителя аккумуляторов влияет на доступность запасных частей и техническую поддержку на протяжении всего срока службы вашей системы.
Подумайте, осуществляет ли производитель весь процесс разработки собственными силами или передаёт критически важные функции на субподряд третьим лицам. Компании, которые управляют проектированием, созданием прототипов, испытаниями и производством самостоятельно, обеспечивают лучший контроль качества, сроков поставки и внесения изменений в конструкцию. Производители, передающие часть процесса другим поставщикам, могут привести к дополнительным затратам и усложнить сроки поставки.
Выяснив, какие этапы разработки и производства будут осуществляться на месте у производителя, а какие компоненты будут переданы в другие цеха, вы сможете понять, какие дополнительные затраты и сроки выполнения потребуются для вашего проекта.
Вы всегда можете доверять Large Power как ваш следующий поставщик литиевых батарей, свяжитесь с нами для получения более подробной информации!
Заключение
Индивидуальные решения в области литиевых аккумуляторов для промышленного применения требуют систематической оценки электрических, механических и эксплуатационных параметров для обеспечения оптимальной производительности системы. Наши технические специалисты сотрудничают с клиентами из различных отраслей промышленности, чтобы разработать спецификации аккумуляторов, отвечающие высоким требованиям применения, сохраняя при этом экономическую эффективность и соответствие нормативным требованиям.
Процесс выбора аккумулятора должен начинаться с чёткого определения эксплуатационных параметров. Требования к напряжению, характер потребления тока, характеристики рабочего цикла и условия окружающей среды определяют подходящую химию и конфигурацию элементов. Для приложений, требующих высокой плотности энергии, выгодны литий-ионные элементы, в то время как для приложений высокой мощности могут потребоваться другие конфигурации элементов или полностью альтернативные химические элементы. Чем быстрее разрядка или чем ниже температура, тем ниже будет ёмкость аккумулятора, что напрямую влияет на расчёт производительности системы.
Оценка производительности требует изучения скорости заряда/разряда, температурной устойчивости и характеристик циклического ресурса для различных типов литиевых аккумуляторов. Стандартные литий-ионные аккумуляторы рассчитаны в среднем на 2,000 циклов, в то время как специализированные типы, такие как LTO, могут обеспечить до 10,000 циклов, что существенно влияет на расчёт общей стоимости владения. Ёмкость аккумулятора измеряется в ампер-часах, а расчёт зависимости времени работы от тока служит основой для определения подходящей ёмкости аккумулятора.
Разработка аккумуляторных батарей на заказ обеспечивает значительные преимущества по сравнению с готовыми решениями, когда необходимо соответствовать определённым критериям производительности. Индивидуально разработанные конфигурации напряжения, специализированные системы управления батареями и индивидуальные корпуса позволяют решать уникальные задачи, которые невозможно решить с помощью стандартных продуктов. Интеллектуальные функции аккумуляторных батарей предоставляют устройству информацию для управления зарядом, сообщения об ошибках и прогнозирования времени работы через такие протоколы связи, как SMBus или CAN.
С точки зрения совокупной стоимости владения литиевые аккумуляторы часто выбираются в пользу аккумуляторов, несмотря на более высокие первоначальные инвестиции. Увеличенный срок службы, снижение требований к обслуживанию и высокая энергоэффективность обеспечивают значительную экономию в течение всего срока службы оборудования. Наш опыт показывает, что правильно подобранные литиевые аккумуляторные системы, как правило, обеспечивают более высокую долгосрочную ценность по сравнению с альтернативными технологиями.
Соблюдение нормативных требований остаётся обязательным условием для всех применений литиевых аккумуляторов. Сертификация безопасности транспортировки UN38.3, стандарты UL и сертификаты IEC подтверждают, что конструкция аккумуляторов соответствует строгим требованиям испытаний, включая условия высокогорья, температуры, вибрации, ударов и короткого замыкания. Эти сертификаты обязательны для коммерческого использования и требуют тщательной координации в процессе разработки.
Техническая поддержка и производственные возможности должны учитываться при выборе поставщика. Аккумуляторная индустрия стремительно развивается, регулярно появляются новые технологии элементов питания и требования безопасности. Сотрудничество с проверенным производителем аккумуляторов обеспечивает доступ к современным технологиям, надлежащему испытательному оборудованию и постоянной технической поддержке на протяжении всего жизненного цикла вашего продукта.
Целью любой конструкции аккумулятора является удовлетворение требований к производительности при сохранении экономической эффективности и соблюдении нормативных требований. Наша команда инженеров работает с клиентами над окончательным согласованием спецификаций и разработкой индивидуальных решений, отвечающих конкретным задачам применения и обеспечивающих надежную работу в сложных промышленных условиях.
Основные выводы
При выборе правильного решения в области литиевых аккумуляторов для промышленного применения необходимо соблюсти баланс технических характеристик с эксплуатационными требованиями и соображениями долгосрочной ценности.
- Сначала оцените потребности конкретного приложения: Сопоставьте требования к энергии и мощности, рабочие циклы и ограничения по пространству, чтобы определить оптимальную конфигурацию батареи для вашего конкретного промышленного варианта использования.
- Отдайте приоритет общей стоимости владения над первоначальной ценой: Несмотря на более высокие первоначальные затраты, литиевые батареи обеспечивают в 4 раза более длительный срок службы и 96% эффективность зарядки по сравнению со свинцово-кислотными аналогами.
- Используйте настройку для оптимальной производительности: Индивидуально разработанные конфигурации напряжения, интеллектуальные функции BMS и индивидуальные корпуса превращают батареи в интеллектуальные системные компоненты, предотвращающие сбои.
- Обеспечить надлежащую сертификацию и поддержку: Сертификаты UN38.3, UL/CSA и IEC не подлежат обсуждению, а стабильность производителя гарантирует постоянную техническую поддержку на протяжении всего срока эксплуатации.
- Тщательно продумайте показатели производительности: Скорость зарядки/разрядки, устойчивость к температурам и циклический ресурс (от 2,000 до 10,000 XNUMX+ циклов) напрямую влияют на эффективность работы и надежность системы.
Ключом к успешному выбору литиевых аккумуляторов является сотрудничество с опытными производителями, которые понимают, что правильное соответствие характеристик аккумуляторов требованиям сферы применения обеспечивает превосходную долгосрочную ценность за счет сокращения затрат на техническое обслуживание, увеличения срока службы оборудования и повышения эффективности эксплуатации.
FAQ
В1. Какие факторы следует учитывать при выборе литиевой батареи для промышленного применения? При выборе литиевого аккумулятора для промышленного использования учитывайте ваши конкретные требования к энергии и мощности, рабочие циклы, ограничения по пространству, диапазон рабочих температур и ожидаемый срок службы. Также обратите внимание на совокупную стоимость владения, наличие сертификатов безопасности и послепродажное обслуживание.
В2. Как литиевые аккумуляторы соотносятся со свинцово-кислотными с точки зрения эффективности и срока службы? Литиевые аккумуляторы обладают превосходной эффективностью и долговечностью по сравнению со свинцово-кислотными. Их эффективность зарядки обычно составляет 96% против 75% у свинцово-кислотных аккумуляторов, и они могут выдерживать более 4000 циклов заряда по сравнению с 500–1000 циклами у свинцово-кислотных аккумуляторов.
В3. Каковы преимущества индивидуальных решений в области литиевых аккумуляторов? Индивидуальные решения для литиевых аккумуляторов предлагают индивидуальные конфигурации напряжения и ёмкости, интеллектуальные функции BMS для удалённого мониторинга, индивидуальные корпуса для суровых условий эксплуатации и полную интеграцию с существующей энергетической инфраструктурой. Эти особенности обеспечивают оптимальную производительность в конкретных промышленных приложениях.
В4. Насколько важна сертификация для промышленных литиевых аккумуляторов? Сертификация критически важна для промышленных литиевых аккумуляторов. Среди ключевых сертификаций — UN38.3 (безопасность при транспортировке), стандарты UL/CSA для североамериканского рынка и IEC (европейский рынок). Они гарантируют соответствие аккумуляторов строгим стандартам безопасности и производительности.
В5. Каков оптимальный диапазон зарядки литиевых аккумуляторов? Для оптимальной производительности и долговечности литиевые аккумуляторы обычно рекомендуется поддерживать заряженными на уровне от 20% до 80% от полной ёмкости. Этот подход, известный как правило 20–80%, может помочь продлить срок службы аккумулятора во многих областях применения.
