Инновационный подход к обеспечению резервного электропитания ТСО

Алексей Колосков, Анатолий Вихирев, Алексей Елфимов, 01/10/19

Основой надежности 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 питания систем в течение времени, необходимого 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.

Что предлагает рынок?

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

Следует заметить, что помимо них существует целый ряд перезаряжаемых накопителей электроэнергии, основанных на использовании иных физико-химических процессов. К самым распространенным можно отнести:

графенполимерные (Cn-Po) аккумуляторы;
лантанфторидные (La-Ft) аккумуляторы;
литийионные (Li-Ion) аккумуляторы;
железовоздушные (Fe-air) аккумуляторы;
никель-солевые (Na/NiCl) аккумуляторы;
натрий-серные (Na-S) аккумуляторы;
никель-кадмиевые (Ni-Cd) аккумуляторы;
железоникелевые (Ni-Fe) аккумуляторы;
никель-водородные (Ni-H2) аккумуляторы;
никель-металлгидридные (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).

ris1

Оценив достоинства и недостатки каждого из перечисленных накопителей электроэнергии, можно сделать следующий вывод: по соотношению "цена/качество" наиболее перспективным для ТСО представляется использование литийионных аккумуляторов.

Первые литийионные аккумуляторы

Вопрос о возможности применения литийионных аккумуляторов в нашей стране начали рассматривать в начале 50-х гг. XX века, а первые серийные образцы были созданы в 80-х гг. Из-за сравнительно высокой цены применение они нашли только в военно-промышленном комплексе. В частности, в г. Новочеркасске Ростовской области было налажено производство литийионных аккумуляторных батарей, предназначенных для нужд военноморского флота.

Первый литийионный аккумулятор массового применения выпустила корпорация Sony в 1991 г. Значительная стоимость литийионных аккумуляторов компенсировалась рядом преимуществ: высокие зарядный и разрядный токи, повышенная удельная энергоемкость, отсутствие "эффекта памяти".

Серьезным недостатком технологии литийионных 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.

Внедрение передовых технологий

Технологии, используемые при создании аккумуляторов, постоянно совершенствовались.

Был разработан спектр литийионных аккумуляторов, среди которых наибольшее распространение получили:

литийкобальтовые (LiCoO2);
литиймарганцевые (LiMn2O4);
литий-никель-марганец-кобальтовые (LiNiMnCoO2);
литий-никель-кобальт-алюминиевые (LiNiCoAIO2);
литий-титанатные (Li4Ti5O12).

В 2003 г. специалистами Массачусетского технологического института было предложено использование феррофосфата лития (LiFePO4) в качестве катодного материала литийионного аккумулятора. В сравнительной таблице приведены условные качественные показатели литийионных аккумуляторов, выполненных по различным технологиям.

Tabl1

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

Разница очевидна

Несмотря на все преимущества, литийионные аккумуляторы в качестве резервных источников электропитания ТСО используются не так широко, 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 литийионных аккумуляторов.

Особенности эксплуатации
Уже сейчас с точки зрения эксплуатационных затрат литийионные 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 -20 до +60 °C). Срок службы литийионных 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.

ris2

Литийионные аккумуляторы практически не требуют обслуживания и почти 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 емкости до 60–80% от номинальной аккумулятор становится непригодным к использованию и подлежит замене.

Срок службы герметизированных свинцовокислотных аккумуляторов составляет от 200 до 400 циклов. Литийионные аккумуляторы (LiFePO4) могут выдержать более 5–7 тыс. циклов.

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

Практически все современные литийионные аккумуляторы оснащены системами контроля по умолчанию. Система управления и балансировки (BMS) постоянно отслеживает параметры каждого элемента аккумуляторной батареи и управляет системой зарядки, а встроенная защита от короткого замыкания и перегрузки позволяет избежать любых внештатных ситуаций.

Экономическая составляющая
Простейший анализ с калькулятором в руках показывает, что совокупная стоимость владения в течение 10 лет источниками электропитания с резервом, то есть с применением литийионных аккумуляторов, может быть на 50% меньше, чем у источников с герметизированными свинцово-кислотными аккумуляторами. Не стоит забывать и про косвенные затраты, связанные с обслуживанием ТСО на объектах, – выезд специалистов, проведение регламентных работ ТСО, замена аккумуляторов.

Новые классы устройств

На рынке уже доступны аккумуляторные батареи на основе феррофосфата лития (LiFePO4) в корпусах привычных всем VRLA-аккумуляторов номинальным напряжением 12 В, емкостью 7 А×ч и 12 А×ч.

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

В ближайшем будущем можно ожидать появление аккумуляторных батарей на основе феррофосфата лития в типовых корпусах с номинальным напряжением 12 В емкостью 17 А×ч, 26 А×ч и 40 А×ч.

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

Koloskov