Akumulatory litowo-jonowe (LIB) w systemach zasilania gwarantowanego UPS

Akumulatory litowo-jonowe – pierwsze doświadczenia z eksploatacji w systemach zasilania gwarantowanego UPS

Chociaż akumulatory litowo-jonowe nie są zbyt często spotykane w systemach UPS czy siłowniach telekomunikacyjnych to ich popularność rośnie w innych branżach, dzięki postępowi technologicznemu i obniżeniu kosztów. Akumulatory litowo-jonowe stosowane są na dużą skalę w magazynowaniu energii elektrycznej, a dzięki dużej gęstości mocy i energii często wykorzystuje się je w systemach energii odnawialnej wiatrowej oraz słonecznej.

Akumulatory litowo-jonowe charakteryzuje lepszy stosunek mocy do masy niż modele VRLA (tabela poniżej), a dodatkowo wyładowują się wydajniej niż VRLA przy wysokich szybkościach rozładowania – chociaż ta zaleta jest mniej istotna przy niższych szybkościach rozładowania (wykres poniżej).

Szybkości ładowania ze stanu pełnego rozładowania są również wyższe, o ile ładowarka jest w stanie dostarczyć wymaganą moc. Pełne naładowanie można osiągnąć w ciągu trzech godzin, w porównaniu z typowym ładowaniem do 80% w ciągu 6–8 godzin w przypadku VRLA.

Zaletą jest również bardzo szeroki zakres temperatur użytkowych, chociaż szybkość rozładowania i żywotność można zwykle zoptymalizować w przypadku pracy w temperaturze 20°C (±5°C). Akumulatory litowo-jonowe cechują się wyższą odpornością na temperatury spoza tego zakresu, przy znacznie lepszych możliwościach rozładowania w niskich temperaturach niż VRLA. Dzięki temu akumulatory litowo-jonowe znacznie lepiej sprawdzają się w środowiskach o niekontrolowanej temperaturze, w których można zastosować chłodzenie swobodne przy użyciu powietrza zewnętrznego o niższej temperaturze. Podobnie jednak, jak VRLA, praca w zbyt wysokich temperaturach znacznie skraca żywotność akumulatorów. Rysunek krzywej wanny poniżej przedstawia więcej szczegółów na temat względnych profili temperatury/żywotności tych dwóch technologii.

Kolejną bardzo istotną kwestią są ceny, które znacznie spadły w ciągu ostatniej dekady, co w naturalny sposób zwiększyło atrakcyjność akumulatorów litowo-jonowych. Oczywiście ich koszty nadal są wyższe od standardowych akumulatorów VRLA (o ok. 25–30%), ale można zdecydowanie stwierdzić, że branża jest na wczesnym etapie adopcji LIB. Chociaż ceny nie spadają już tak szybko, to nadal podążają w dół powodując ciągły wzrost popularności. W Europie i na Bliskim Wschodzie występują opóźnienia we wdrażaniu technologii LIB, lecz coraz częściej stosuje się je już w Ameryce Północnej i Azji.

Deklarowana żywotność akumulatorów litowo-jonowych dla zastosowań stacjonarnych to obecnie 15 lat. Okres eksploatacji jest bliższy 10–12 lat i nie został jeszcze potwierdzony w praktyce. Porównuje się ją z rzeczywistą normą dla średniej klasy VRLA, która wynosi 7–8 lat. Entuzjaści akumulatorów litowo-jonowych wskazują na długowieczność jako ich zaletę kompensującą wyższy koszt inwestycyjny. Jednak doświadczenia dostawców UPS-ów pokazują, że prawidłowo zainstalowane zasilacze awaryjne pracujące w odpowiednim środowisku oraz właściwie konserwowane i obsługiwane są zazwyczaj niezawodne przez 15 lat. Okres ten pasuje idealnie do dwóch kolejnych generacji akumulatorów VRLA o żywotności 7–8 lat, natomiast powoduje problemy z koordynacją wymiany w przypadku modeli litowo-jonowych o trwałości 10–12 lat.

Zastosowanie akumulatorów litowo-jonowych jest również niekorzystne ze względu na rzeczywiste koszty uzyskania odpowiedniej autonomii, która wynosi 10–15 minut dla zasilaczy UPS. Jednak w rzeczywistości większość przerw w dostawie energii elektrycznej dla dużych systemów ze wsparciem generatora lokalnego trwa trzy minuty lub krócej. Mając ten fakt na uwadze, koszty VRLA można zmniejszyć projektując je z myślą o niższej autonomii, w przypadku akumulatorów litowo-jonowych nie jest to możliwe. Tak krótkie czasy autonomii można uzyskać tylko z droższych ogniw o wyższej dopuszczalnej szybkości rozładowania.

Dokładny i oszczędny dobór wielkości akumulatorów dla różnych obciążeń jest również trudne ze względu na obecnie bardzo ograniczony wybór pojemności modeli litowo-jonowych. Jak pokazują doświadczenia rynku BESS klasy Utility, praca z tak dużą gęstością prądów niesie ryzyko pożarów i konieczność stosowania kosztownych systemów wykrywania oraz gaszenia akumulatorów LIB. Pozostaje też kwestia nieufności. Producenci poczynili znaczne postępy w rozwiewaniu obaw związanych z bezpieczeństwem, dzięki wysoce segregowanym projektom ogniw oraz obowiązkowym zaawansowanym systemom monitorowania i zarządzania. Mimo to, akumulatory litowo-jonowe nadal są czasami postrzegane jako urządzenia, które mogą stanowić zagrożenie.

Problematyczny jest ponadto koniec cyklu życia produktu. Wyeksploatowane akumulatory litowo-jonowe zawierają odpady niebezpieczne, które są trudne do recyklingu i podlegają wysokim kosztom oraz ograniczeniom podczas transportu. Ten problem całkowicie został wyeliminowany przy utylizacji akumulatorów VRLA, gdzie zagwarantowany jest 98-procentowy recykling.

Bariery, które napotyka obecnie technologia LIB w aplikacjach stacjonarnych, powodują, że jest wdrażana głównie w miejscach wymagających szybkiego rozładowania lub o ograniczonej przestrzeni.

Oczekuje się, że ceny będą nadal spadać, choć wolniej, głównie dzięki wzrostowi w branży pojazdów elektrycznych i napędów. Akumulatory litowo-jonowe stają się coraz bardziej akceptowane przez właścicieli i operatorów systemów zasilania gwarantowanego, więc można oczekiwać, że penetracja rynku baterii do centrów danych i rozproszonej infrastruktury sieci 5G będzie wzrastać.

Popularność na rynku może się zwiększyć, gdy dostępne staną się realne strategie recyklingu. Branża ICT jest zmotywowana do zastąpienia modeli VRLA ze względu na dostrzegane problemy z niezawodnością i ograniczenia środowiskowe. Jednak VRLA również będą się rozwijały, przykładowo coraz częściej stosuje się w nich systemy monitorowania oraz zarządzania akumulatorami, które pozwalają wydłużyć ich żywotność, potencjalnie nawet o 30%.

Akumulatory litowo-jonowe typu NMC i LFP – porównanie

Akumulatory litowo-jonowe w zależności do zastosowanych materiałów katody i anody mogą drastycznie różnić się parametrami elektrycznymi oraz eksploatacyjnymi. Dla projektantów systemów zasilania oraz służb eksploatacyjnych świadomość zastosowanej technologii LIB ma kluczowe znaczenie dla bezpieczeństwa i wydajności baterii akumulatorów.

Obecnie praktyczne zastosowanie w systemach stacjonarnych znajdują dwie technologie LIB – NMC i LFP. NMC charakteryzuje się wysoką gęstością mocy i atrakcyjną ceną, natomiast LFP niespotykanym w innych LIB poziomem bezpieczeństwa oraz odpornością na błędy użytkowników. NMC ma wyższy stosunek masy i objętości energii do gęstości niż LFP, a dodatkowo zapewnia niższy koszt w przeliczeniu na watogodzinę. W rezultacie akumulatory litowo-jonowe NMC są optymalnym rozwiązaniem dla większości zastosowań konsumenckich o mniejszej mocy. Oznacza to, że przy określonej ilości wolnej przestrzeni, UPS bazujący na technologii NMC zapewni dłuższy czas pracy pracy niż model z akumulatorami LFP o porównywalnej wielkości.

Na żywotność akumulatorów litowo-jonowych wpływają głównie trzy parametry – liczba cykli, czas użytkowania oraz temperatura otoczenia środowiska pracy. Normy branżowe mierzą efektywność baterii, porównując pojemność rzeczywistą z pierwotną. Akumulatory litowo-jonowe LFP zapewniają od 2000 do 3000 pełnych cykli ładowania/rozładowania, zanim osiągną 80% swojej pierwotnej pojemności. Z kolei modele NMC zapewniają do 2000 pełnych cykli. Oznacza to, że rozwiązania LFP zapewniają do 150% dłuższy cykl życia (10 lat) w stosunku do modeli NMC (8 lat).

Akumulatory litowo-jonowe LFP mają bardziej bezpieczny materiał katodowy niż modele NMC i nie ulegają rozkładowi w wyższych temperaturach. W efekcie zapewniają wysoką stabilność termiczną oraz chemiczną, a co za tym idzie – wyższy poziom bezpieczeństwa. Akumulatory litowo-jonowe LFP wchodzą w stan niekontrolowanej temperatury dopiero przy 195°C i uwolnią minimalną ilość energii. Z kolei baterie NMC mogą wejść w stan niestabilności termicznej już przy temperaturze 170°, uwolnią więcej energii i będą palić się w znacznie wyższej temperaturze.

LFP są jednymi z najbezpieczniejszych chemicznie akumulatorów litowo-jonowych.

Akumulatory litowo-jonowe i ich żywotność

Akumulatory litoto-jonowe nie różnią się od innych urządzeń lub komponentów systemów i wpisują się w krzywą wanny:

• okres A – awarie „śmiertelności niemowląt” spowodowane przez składnik lub wadę produkcyjną bądź problem z transportem czy instalacją,
• okres B – „losowe” awarie powstałe podczas normalnego okresu pracy zasilacza UPS, ich wskaźnik jest zwykle niski i stały,
• okres C – awarie „zużycia”, które pod koniec okresu eksploatacji znacznie wzrastają, problemy z baterią są powszechne i mogą stanowić ponad 98% awarii UPS na tym etapie.

Akumulatory litowo-jonowe – czynniki wpływające na ich żywotność

Temperatura

Wysoka temperatura otoczenia jest ogólnie uważana za najczęstszą przyczynę przedwczesnej awarii baterii wszystkich technologii. Im wyższa temperatura tym szybsza reakcja chemiczna. Akumulatory litowo-jonowe mają pojemność znamionową bazującą na optymalnej temperaturze roboczej w zakresie 20–25°C. Przyjmuje się, że oczekiwana żywotność zmniejszy się o 50% przy każdym stałym wzroście temperatury o 10°C powyżej zalecanej.

Niekontrolowany wzrost temperatury to kolejny czynnik, który ma wpływ na akumulatory litowo-jonowe. W przypadku, gdy temperatura wewnętrzna staje się nadmierna wraz ze wzrostem ciśnienia, następuje rozpad elektrolitu i katody z tlenku metalu. W akumulatorze zaczynają gromadzić się gazy, a otwory wentylacyjne nie są w stanie wystarczająco szybko ich odprowadzić. Gdy jedno ogniwo w module doświadczy skokowego wzrostu temperatury, sąsiednie będą również się silnie rozgrzewać – nic nie jest w stanie powstrzymać tego procesu, dopóki bateria się nie zapali lub eksploduje. Rozbieganiu termicznemu zwykle zapobiegają systemy zarządzania baterią (BMS), które eliminują również możliwość przeładowania, przepięcia, nadmiernego rozładowania czy inne problemy. Mogą także monitorować i regulować temperaturę oraz odprowadzać nadmiar energii podczas ładowania. BMS-y najczęściej przechowują informacje diagnostyczne, które mogą okazać się przydatne w przypadku problemów technicznych urządzenia.

Niskie temperatury nie stanowią większego zagrożenia dla akumulatorów litowo-jonowych podczas rozładowania. Krytyczne dla wielu technologii LIB jest ładowanie baterii w temperaturze otoczenia poniżej 0°C, ponieważ dochodzi wówczas do nieodwracalnego osadzania się metalicznego litu na powierzchni anody ogniwa. Problem ten można rozwiązać poprzez:

• zapewnienie ogrzewania baterii w temperaturach ujemnych za pomocą kontrolowanych mat grzewczych,
• zablokowanie przez BMS możliwości ładowania baterii poniżej 0°C.

Technika ładowania

Proces ładowania wiąże się z ryzykiem przeładowania ogniw w wyniku złej parametryzacji zasilaczy oraz BMS-ów. Jeżeli BMS nie zapewnia skutecznej ochrony przed zbyt wysokim prądem w fazie boost oraz wysokim napięciem w fazie float może wystąpić przegrzanie, a co za tym idzie – dojść do rozbiegania termicznego ogniw i pożaru. Tętnienie prądu generowane przez prostownik, ładowarkę lub falownik również może być przyczyną przegrzania, które przyspiesza proces starzenia się ogniw i prowadzi do przedwczesnej awarii. Graniczna wartość tętnień wynosi 5 A RMS na każde 100 Ah pojemności.

Parametryzacja BMS

Elementem, który zdecydowanie odróżnia akumulatory litowo-jonowe od VRLA jest integralny moduł BMS, który jest włączony szeregowo w obwód mocy między ogniwami, a odbiorami i zasilaczem. Jego uszkodzenie lub niewłaściwe działanie może stać się bezpośrednią przyczyną awarii zasilania oraz/lub uszkodzenia baterii. Podczas eksploatacji oraz okresowych kontroli BMS-y należy przede wszystkim testować w zakresie sprawdzenia poprawności:

• ustawień parametrów,
• komunikacji BMS z systemem nadrzędnym,
• obsługi alarmów,
• działania balansera.

Oddzielny akapit zostanie poświęcony procedurze odbiorczych testów BMS.

Niewłaściwe przechowywanie nieużywanych baterii

Nawet jeśli akumulatory litowo-jonowe nie są używane, ich żywotność zaczyna się zmniejszać, ponieważ automatycznie rozładowują się przez swoją rezystancję wewnętrzną. Jeśli baterie muszą być przechowywane przez dłuższy czas, zaleca się ich doładowanie zgodnie z wytycznymi producenta.

Zasadom właściwego przechowywania baterii LIB poświęcono osobny rozdział.

Okres pozostawania baterii w stanie rozładowania

Jeśli bateria jest całkowicie rozładowana poniżej 10% SoC nie powinna pozostawać w tym stanie przez dłuższy czas, ponieważ może to spowodować jej trwałe uszkodzenie.

Nieprawidłowe zastosowanie baterii

Ze względu na swoją szczególną rolę, akumulatory UPS są zaprojektowane tak, aby dostarczać duże ilości energii w krótkim czasie – zazwyczaj w kilka minut. Istnieją również inne rodzaje akumulatorów, np. wykorzystywanych do backup’u w systemach teleinformatycznych i rozdzielnicach elektrycznych, które z kolei mają zapewnić kilkugodzinną autonomię. Dlatego też używanie baterii przeznaczonych dla telekomunikacji, w systemach UPS nie będzie optymalne, w przypadku bardzo krótkich czasów autonomii (<30 minut), ze względu na inną konstrukcję wewnętrzną i gęstość elektrolitu. W przypadku rozwiązań modułowych za właściwe dostosowanie akumulatorów do aplikacji nie zawsze odpowiadają jedynie ogniwa, ale także:

• przekroje okablowania wewnętrznego modułów,
• terminale mocy,
• konstrukcja systemu balansującego modułu,
• oprogramowanie BMS.

Topologia UPS może również wpływać na wydajność baterii. Zasilacze awaryjne pracują w trybie akumulatorowym w dwóch scenariuszach – przy braku zasilania sieciowego oraz, gdy parametry zasilania sieciowego wykraczają poza tolerancję (napięcie jest zbyt wysokie/niskie lub występuje anomalia częstotliwości podczas uruchamiania generatora). Niektóre topologie UPS, np. on-line, mogą obsługiwać szersze zakresy napięcia wejściowego i/lub częstotliwości, co oznacza, że zasilacz wyczerpie baterie tylko w nagłych wypadkach, co wydłuża żywotność akumulatorów. Jeśli którykolwiek z problemów wymienionych powyżej nie zostanie szybko wykryty i rozwiązany, może wywołać efekt domina, który przyspieszy awarię innych baterii w tym samym systemie, nawet jeśli są w idealnym stanie. Przykładowo, jeśli jeden blok/ogniwo przegrzewa się, prawdopodobnie podgrzeje on otaczające go ogniwa/bloki, co może ostatecznie spowodować również ich awarię. Podobnie będzie w przypadku nieprawidłowej impedancji akumulatora – napięcie przyłożone do wszystkich innych ogniw w systemie może wzrosnąć i przyspieszyć ich degradację.

Akumulatory litowo-jonowe – jak zapobiec ich przedwczesnej awarii?

Istnieje kilka działań, które pozwolą zmaksymalizować żywotność akumulatorów litowo-jonowych w systemie gwarantowanego zasilania UPS i zminimalizować ryzyko przedwczesnej awarii.

Znaczenie konserwacji, monitorowania i testowania akumulatorów litowo-jonowych

Proaktywny i rygorystyczny system konserwacji prewencyjnej jest zalecany dla całego systemu UPS jako całości. Taka praktyka jest szczególnie ważna dla akumulatorów i powinna zaczynać się od odpowiedniego systemu monitorowania, który wykryje wszelkie problemy wystarczająco wcześnie, aby nie mogły się one przekształcić w poważną awarię.

Akumulatory litowo-jonowe zbudowane są modułów składających się z wielu ogniw połączonych szeregowo i często także równolegle. Dostęp do ich parametrów użytkownik ma wyłącznie pośrednio przez BMS modułu, dzięki temu dostępne jest zatem ciągłe monitorowanie całej baterii na poziomie poszczególnych ogniw.

Testy fizyczne powinny obejmować kontrolę zacisków i połączeń pod kątem korozji oraz sprawdzanie modułów akumulatorów w zakresie ciągłości połączeń mocy oraz komunikacji. Należy kontrolować także połączenia międzyblokowe i w razie potrzeby wyczyścić moduły oraz usunąć wszelkie zanieczyszczenia i ograniczenia swobodnej wentylacji modułów.

Oprócz wspomnianych podstawowych czynności serwisowych, procedury inspekcji baterii mogą oferować bardziej zaawansowane działania.

Do momentu pojawienia się europejskiego standardu zalecanych praktyk przy eksploatacji stacjonarnych akumulatorów litowo-jonowych zaleca się, aby działania kontrolne obejmowały sprawdzenie poprawności parametryzacji i działania BMS oraz wszystkich parametrów wymaganych przez uznawaną na całym świecie normę IEEE 1491, w tym wykonanie pomiarów:

• napięcia float ogniw/modułów,
• napięcia boost ogniw/modułów,
• końcowego napięcia rozładowania ogniw/modułów,
• tętnienia prądu ładowania,
• tętnienia napięcia ładowania,
• temperatury ogniw/modułów,
• rezystancji/impedancji wewnętrznej modułów, jeżeli producent zaleca takie pomiary,
• liczbę cykli.

Wiele nowoczesnych zasilaczy UPS regularnie testuje swoje baterie, zwykle co 24 godziny i sygnalizuje wystąpienie usterek, komunikując się z modułami/stringami akumulatorów litowo-jonowych przez ich system BMS. Test wymusza obciążenie na baterii akumulatorów i monitoruje czas rozładowania.

Zapobieganie pożarom akumulatorów litowo-jonowych

W wielu publikacjach i rekomendacjach implementacyjnych w USA, Australii i Azji zaleca się stosowanie zaawansowanych oraz kosztownych zabezpieczeń ppoż. instalacji akumulatorów litowo-jonowych. Wynika to bezpośrednio z doświadczeń uzyskanych w toku badań powypadkowych spowodowanych pożarami instalacji magazynów energii i pojazdów elektrycznych. Generalnie, bezpośrednimi przyczynami pożarów akumulatorów litowo-jonowych są:

• stosowanie ogniw z katodami kobaltowymi typu LCO lub NMC o niskiej temperaturze startu rozbiegania termicznego,
• stosowanie ogniw niskiej jakości z zanieczyszczonym materiałem katodowym,
• aplikacje wysokoenergetyczne wymagające wydajności prądowej >2C,
• instalacje dużej gęstości energii i mocy zazwyczaj znacznie przekraczające 50 kWh z wadliwymi rozwiązaniami rozpraszania ciepła.

Dodatkowo, u chińskich operatorów zaobserwowano przypadki pożarów BTS w wyniku zapłonu baterii zbudowanych z ogniw pozyskiwanych z używanych akumulatorów samochodowych w ramach procesu second life.

Do czasu publikacji krajowych norm w zakresie zabezpieczeń ppoż. przemysłowych akumulatorów litowo-jonowych rekomenduje się stosowanie wymagań najnowszego wersji amerykańskiego standardu normy NAPA 76:2020:

• dla instalacji poniżej 20 kWh wymagania ppoż. są ograniczane do podstawowych działań pasywnych jak dla VRLA,
• dla instalacji powyżej 20 kWh wymaga się stosowania zabezpieczeń jak dla BES według obowiązujących w tym zakresie w kraju przepisów ppoż. dla BES.

Zaleca się także stosowanie się do rekomendacji europejskiej organizacji Euralarm dla instalacji z akumulatorami litowo-jonowymi – www.euralarm.org.

Akumulatory litowo-jonowe a praca równoległa modułów

Połączenie równoległe modułów w systemach niskonapięciowych (LV), w celu zwiększenia mocy lub autonomii można wykonać z wykorzystaniem akumulatorów litowo-jonowych różnych producentów, tylko z określonym limitem mocy rozładowania, np. 2,5 kW dla każdego modułu. Jeśli jeden moduł akumulatora litowo-jonowego 48 V ma maksymalny prąd rozładowania 50 A, to w połączeniu z innymi typami maksymalny prąd rozładowania powinien być taki sam – 50 A dla wszystkich modułów pracujących równolegle.

Akumulatory litowo-jonowe a praca szeregowa modułów akumulatorów litowo-jonowych

Połączenie szeregowe modułów w celu zwiększenia mocy lub autonomii można wykonać tylko z wykorzystaniem akumulatorów litowo-jonowych tego samego producenta i tylko z określonym limitem mocy rozładowania, np. 2,5 kW dla każdego modułu oraz pod bezwzględnym warunkiem, że takie połączenie jest możliwe dla danego typu modułu HV. Jeśli BMS zastosowany w module nie jest dostosowany do pracy w tzw. systemach wysokonapięciowych HV to połączenie szeregowe może doprowadzić do awarii i/lub pożaru baterii.

Wszystkie moduły, które mogą pracować w instalacjach HV mają ograniczenia maksymalnego napięcia obwodu baterii.

Testowanie parametryzacji i działania BMS w trybach alarmowych

Przed oddaniem modułów litowo-jonowych do eksploatacji zaleca się bezwzględną kontrolę poprawności parametryzacji systemu BMS (oraz BMU jako nadrzędnego) na zgodność z tabelą parametrów dla danego projektu instalacji. Standardowo BMS/BMU powinien lokalnie lub zdalnie dostarczać informacji o parametrach, takich jak:

• pojemność/energia akumulatora,
• napięcie, temperatura, prąd ładowania i rozładowania, rezystancja wewnętrzna ogniw (opcjonalnie),
• wartości skumulowane:
  – SoC,
  – SoH,
  – napięcie i prąd baterii,
  – temperatura wewnętrzna modułu akumulatora,
  – wynik autotestu diagnostycznego;
• progi i stany alarmowe:
  – zabezpieczenie nadprądowe,
  – zabezpieczenie nad i pod napięciowe,
  – zabezpieczenie przed zbyt niskim SoC,
  – zabezpieczenie nad i pod temperaturowe,
  – alarm poziomu SoH,
  – alarm awarii czujników,
  – alarm awarii BMS/BMU,
  – alarm braku komunikacji.

Błędy parametryzacji mogą prowadzić do nieplanowanego wyłączenia modułu z pracy i pozbawienia zasilania odbiorów krytycznych bądź awarii modułu i pożaru baterii i/lub instalacji.
Po pozytywnych testach parametryzacji zaleca się testy działania modułów czy akumulatorów w sytuacjach alarmowych.

Zabezpieczenie przed przeładowaniem

Gdy akumulatory litowo-jonowe wprowadzane są w stan przeładowania, np. przez przepięcie, BMS (lub BMU) wykrywa je, a wewnętrzny obwód ładowania zostaje odcięty wewnątrz systemu akumulatora. W przypadku awarii zabezpieczenia BMS (lub BMU) zabezpieczenie ostateczne musi działać, co najmniej w oparciu o kontrolę przegrzania ogniw.

Zabezpieczenie przed nadmiernym rozładowaniem

Gdy napięcie akumulatorów litowo-jonowych osiągnie limit napięcia końcowego, BMS (lub BMU) powinien być w stanie odłączyć go od odbiorów.

Zabezpieczenie przeciwzwarciowe

W przypadku zwarcia na wyjściu obwód akumulatora powinien natychmiast odłączyć się od zwarcia za pomocą odpowiedniego zabezpieczenia nadprądowego w systemie akumulatora oraz limitu BMS/BMU, aby uniknąć ryzyka pożaru.

Zabezpieczenie przed przeciążeniem

Jeżeli prąd rozładowania akumulatora jest wyższy niż określony limit prądu przeciążenia, układ akumulatora odłącza go od obciążenia. W przypadku awarii poprzedniego zabezpieczenia, drugie zabezpieczenie ostateczne powinno zadziałać w oparciu o przegrzanie ogniw.

Zabezpieczenie przed przegrzaniem

Jeżeli wartość temperatury ogniwa jest wyższa niż wartość ochrony przed przegrzaniem lub niższa niż wartość ochrony przed niską temperaturą, akumulatory litowo-jonowe są odcinane od systemu zasilania i odbiorów. Jeśli temperatura powróci poniżej progu alarmowego zostają automatycznie włączone ponowie do pracy.

Jak przechowywać akumulatory litowo-jonowe?

Akumulatory litowo-jonowe mogą utrzymywać ładunek przez wiele miesięcy. Podstawowe wytyczne w zakresie bezpiecznego składowania są następujące:

• należy zawsze sprawdzić kartę techniczną SDS producenta akumulatora,
• należy zapewnić ochronę biegunów akumulatora przed zwarciem – używać osłon zacisków, nie dopuść do zetknięcia się zacisków z innymi zaciskami oraz do zetknięcia się zacisków z metalowymi półkami, ścianami podczas przechowywania,
• zapobiegać uszkodzeniom mechanicznym,
• upewnić się, że akumulatory litowo-jonowe nie są narażone na działanie wysokich temperatur i źródeł ciepła bezpośrednio oraz przez dłuższy czas,
• pomieszczenia/budynki do przechowywania akumulatorów powinny w idealnym przypadku znajdować się w rozsądnej odległości od innych obszarów lub należy używać pomieszczeń/budynków ognioodpornych,
• akumulatory litowo-jonowe trzeba przechowywać oddzielnie od innych produktów, które mogą przyczynić się do pożaru lub przyspieszyć pożar,
• powierzchnia magazynowa powinna być monitorowana przez odpowiedni system sygnalizacji pożaru połączony ze stale obsadzonym personelem, aby zapewnić możliwość szybkiej reakcji na każdą aktywację alarmu,
• kontenery magazynowe muszą być wyposażone w system tłumienia ognia, a w obszarach magazynowania masowego należy zainstalować automatyczne wodne systemy gaśnicze, takie jak tryskacze, najlepiej połączone ze zbiornikiem/obwałem, aby zatrzymać spływ wody pożarowej.

W przypadku korzystania z magazynu, który jest już obsługiwany przez system przeciwpożarowy należy sprawdzić jego zgodność z kartą charakterystyki (SDS) dla akumulatorów litowo-jonowych, które będą przechowywane. W przypadku większej liczby akumulatorów można wykorzystać niepalne pojemniki ognioodporne, oddzielne pomieszczenia ognioodporne lub przedziały przeciwpożarowe. Jeżeli akumulatory mają być przechowywane w obszarze produkcyjnym, to w ramach oceny ryzyka powinno rozważyć się dodatkowe środki bezpieczeństwa, np. odpowiednie szafy magazynowe.

Liczbę przechowywanych akumulatorów należy utrzymywać na minimalnym poziomie (maksymalnie jedna zmiana lub dzienne zapotrzebowanie) i najlepiej przechowywać je w tymczasowych niepalnych pojemnikach transportowych.

Ponadto, powinno zapewnić się lokalny dostęp do odpowiedniego sprzętu przeciwpożarowego, w tym hydrantów wodnych, w każdym miejscu przechowywania akumulatorów. W obszarach, które nie są chronione przez automatyczne systemy gaśnicze, akumulatory litowo-jonowe należy przechowywać z dala od innych materiałów łatwopalnych, najlepiej w innym pomieszczeniu lub budynku.

Uszkodzone lub wadliwe akumulatory należy natychmiast usunąć z pomieszczeń magazynowych lub produkcyjnych i przechowywać w bezpiecznej odległości w niepalnym pojemniku lub oddzielnej komorze przeciwpożarowej, dopóki nie będą bezpieczne i gotowe do utylizacji.

Należy pamiętać, że pracownicy powinni być świadomi potencjalnych zagrożeń, jakie mogą stwarzać akumulatory litowo-jonowe, a także przeszkoleni w zakresie działań, jakie powinny podjąć.

Akumulatory litowo-jonowe – eksploatacja i diagnostyka

Utrzymanie optymalnych warunków termicznych i pracy

Większość systemów UPS i siłowni telekomunikacyjnych jest zaprojektowana do bezpiecznej pracy w temperaturach od 0 do 40°C, ale jak wspomniano wcześniej, górna granica tego zakresu wpływa negatywnie na ich poprawne działanie. Projektanci użytkownicy mają dwa rozwiązania do wyboru. Jeśli akumulatory litowo-jonowe znajdują się wewnątrz UPS lub przechowuje się je w tym samym pomieszczeniu – utrzymywanie stałej temperatury w zakresie 20–25°C przedłuży ich żywotność. Alternatywą jest umieszczenie baterii w specjalnym, klimatyzowanym pomieszczeniu o optymalnej temperaturze, podczas gdy UPS (i inny sprzęt IT) będą zainstalowane w innym miejscu.

Ponadto, nie powinno się zabudowywać bloków akumulatora zbyt ciasno – należy pozostawić wystarczająco dużo miejsca na rozszerzanie się obudowy i na rozpraszanie ciepła. Jest to szczególnie ważne, ponieważ pozwala uniknąć ucieczki termicznej ogniw/bloków.

Testowanie pojemności baterii

Jest to jedyny pomiar, który pozwala określić rzeczywistą pojemność akumulatorów. Odbywa się on w nominalnych i szczytowych warunkach obciążenia, co pozwala sprawdzić, które ogniwa/moduły utrzymują obciążenie testowe, a które mają z tym problem. Najlepsza praktyka IEEE 1491 zaleca wykonanie testu pojemności w momencie instalacji, a następnie powtarzanie go co rok. Główną wadą testów rozładowania jest to, że baterie muszą zostać wyłączone z użytku i zwykle są ponownie dostępne w systemie w ciągu maksymalnie 24 godzin.

Innym rodzajem badań są testy wyładowań częściowych, które zapewniają pewien kompromis. Wiążą się z rozładowaniem akumulatorów nawet do 80% – zmniejsza to ich dostępność, ale są dostępne w systemie już w ciągu maksymalnie 8 godzin. Jeśli wystąpi sytuacja awaryjna i UPS musi pracować w trybie akumulatorowym, to może to zrobić, chociaż będzie miał do dyspozycji tylko 20% pełnej pojemności baterii.

Testy impedancji

Testy impedancyjne (konduktancyjne) są nieinwazyjnym sposobem budowania „historii” każdego ogniwa baterii. Jeżeli akumulatory litowo-jonowe umożliwiają dostęp bezpośrednio do terminali ogniw, diagnostyka bazuje na tych samych zasadach, co w przypadku akumulatorów VRLA. Należy jednak podkreślić, że dla modułów LIB zintegrowanych z BMS pomiary impedancyjne/konduktancyjne nie są rekomendowane.

Należy rok rocznie śledzić wyniki w czasie, co ułatwia identyfikację wszelkich oznak awarii lub pogorszenia stanu ogniw.

Testy polegają na przyłożeniu prądu przemiennego do każdego ogniwa akumulatora za pomocą sondy prądowo-napięciowej w celu pomiaru i rejestracji impedancji w miliomach. Zapewnia to szerokie wskazanie ogólnego stanu SoH bez nadmiernego obciążania akumulatorów lub konieczności ich odłączania.

Zapewnienie prawidłowego korzystania z systemów gwarantowanego zasilania ICT

W rozwiniętych gospodarkach zdecydowana większość przerw w dostawie prądu ma charakter chwilowy i trwa kilka sekund lub w najgorszym przypadku – kilka minut. W przypadku długotrwałych przerw w zasilaniu wskazane jest, aby nie dopuścić do całkowitego wyczerpania akumulatorów poniżej 10% SoC.

Jak wspomniano wcześniej, akumulatory litowo-jonowe mogą przejść tylko przez skończoną liczbę cykli ładowania-rozładowania, a jeśli nie dojdzie do ich całkowitego rozładowania, cykli może być więcej.

Większość nowoczesnych zasilaczy UPS i siłowni telekomunikacyjnych oferuje funkcję pielęgnacji baterii, która zapewnia wydłużenie żywotności zestawu akumulatorów i optymalizacji jego wydajności. Systemy te, we współpracy BMS modułów automatycznie testują akumulatory litowo-jonowe w regularnych odstępach czasu oraz chronią przed samorozładowaniem, głębokim rozładowaniem oraz tętnieniem prądu. Przed włączeniem takich programów należy szczególnie uważnie zapoznać się z ich parametrami, które niewłaściwe dobrane mogą zaszkodzić bezpieczeństwu odbiorów czy żywotności baterii.

Podsumowanie

System baterii w UPS może składać się z jednego akumulatora lub tysięcy ogniw i wielu sekcji. Niestety, dokładne mierzenie stanu oraz przewidywanie awarii akumulatorów jest bardzo trudne, przy tak wielu zmiennych wpływających na tempo ich degradacji. Mając to na uwadze, należy zawsze pamiętać o zachowaniu marginesu bezpieczeństwa i okresowych wymianach baterii. W dużych systemach zasilania powinno rozważyć się implementację systemów monitorowania akumulatorów litowo-jonowych, które w przeciwieństwie do modeli VRLA mogą pozyskiwać dane z już wbudowanych układów BMS.

Oczekuje się, że w najbliższej przyszłości radykalnie zmieni się funkcja baterii akumulatorów UPS z pasywnej, zapewniającej jedynie podtrzymanie zasilania na wypadek zaniku sieci, na w pełni aktywną funkcjonalność magazynu energii z obsługą funkcji sieciowych, takich jak, np. autokonsumpcja PV, time shifting, peak shaving, powerboosting oraz tradycyjnie – backup.

Coraz większe zainteresowanie i zastosowanie akumulatorów litowo-jonowych, szczególnie technologii LFP pozwala zakładać szybszy zwrot inwestycji. Organizacja EUROBAT przewiduje, że do 2035 roku, co najmniej 20% UPS-ów będzie współpracować z bateriami litowo-jonowymi. Zatem projektanci i użytkownicy będą mieli w tym zakresie bogaty wybór między:

• akumulatorami VRLA oraz ich modernizacjami VRLA nazywanymi AVRLA bez zmiany standardów instalacji, eksploatacji i utylizacji,
• akumulatorami/modułami LIB, które dopiero zyskują zaufanie oraz standaryzację w instalacjach przemysłowych.

Marketing i gwarancje handlowe nie zabezpieczą jednak przed awarią, zapewnią ją wyłącznie profesjonalny projekt, instalacja, uruchomienie oraz proaktywna eksploatacja oparta o najlepsze światowe praktyki i własne doświadczenie służb utrzymania systemów gwarantowanego zasilania lub magazynów energii.