Аккумулятор для экстремальных условий: мороз, жара, высокогорье

Когда надёжность важнее энергоёмкости

Аккумулятор для экстремальных условий выбирают иначе, чем батарею для городской квартиры или офиса. Станция связи на Ямале, метеопост в горах Алтая, насосная в степи, навигационный знак на острове в Белом море - на таких объектах до батареи едут сутки, а то и ждут вертолёта. Мороз до −50 °C, летний зной под +45 °C в тени, соль, влажность, перепады температуры между днём и ночью. В такой ситуации неважно, сколько ватт-часов умещается в килограмме: важно, чтобы батарея не отказала, не загорелась и не потребовала визита техника раньше срока.

Ячейки Winston LYP рассчитаны на работу в широком диапазоне: заряд и разряд от −45 до +85 °C. Пластиковый корпус не ржавеет и не боится соли, а катод LiFeYPO4 и электроды на водном связующем исключают тепловой разгон. Поэтому мы предлагаем их для удалённых и необслуживаемых объектов, где ошибка в выборе батареи обходится особенно дорого.

Мороз: заряд и разряд до −45 °C, но ёмкость ниже

Иттрий в катоде стабилизирует его кристаллическую решётку, и ячейка Winston отдаёт ток при температурах, на которых многие литиевые батареи уже отключаются. Но на сильном морозе у любой литиевой ячейки снижаются доступная ёмкость и допустимый ток, поэтому для северных объектов батарею считают с запасом. Подробно о поведении литий-железо-фосфата на холоде - в статье «LiFePO4 на морозе».

Ячейки Winston LYP заряжаются и разряжаются при температуре от −45 до +85 °C, поэтому солнечная или ветровая станция может заряжать батарею и в сильный мороз. У обычного LiFePO4 заряд на морозе обычно ограничивают нулём градусов, у ячеек Winston LYP такого ограничения нет. Зачем тогда утеплённый шкаф с подогревом? На сильном морозе у батареи ниже доступная ёмкость и отдача тока, а зарядный контроллер, инвертор и аппаратура связи рассчитаны на свой, более узкий диапазон температур. Небольшой подогрев сохраняет ёмкость и мощность батареи и бережёт электронику. Посчитаем, сколько это стоит энергии.

• Шкаф с площадью стенок 2 м², утеплённый пенопластом толщиной 100 мм: коэффициент теплопроводности около 0,035 Вт/(м·К), теплопотери - 0,35 Вт на квадратный метр и градус.
• Снаружи −40 °C, внутри нужно держать +2 °C - разница 42 градуса.
• Потери: 2 × 0,35 × 42 ≈ 30 Вт. За сутки - около 0,7 кВт·ч.

Помогает и сама батарея. Крупные ячейки обладают большой тепловой инерцией: блок из шестнадцати WB-LYP1000AHC весит больше 600 кг и после дневного заряда остывает часами. Чем меньше в батарее ячеек и чем они крупнее, тем проще её утеплить и тем меньше мостиков холода через шины и корпус.

Жара, соль и высокогорье

На юге и в пустынных районах проблема обратная. Ячейки Winston разряжаются до +85 °C, но каждый лишний градус выше 30-35 °C ускоряет старение. Металлический шкаф на солнце нагревается до 60-70 °C, поэтому его затеняют навесом, красят в светлый цвет и вентилируют. В жарком климате мы советуем заканчивать заряд на нижней границе рабочего окна, около 3,55 В на ячейку, или 14,2 В на батарею 12 В. Как литий-железо-фосфат с иттрием переносит нагрев, мы разбираем в статье «От LFP к LYP: термостойкость литий-железо-фосфата».

На побережье и островах главный враг - соль. Пластиковый корпус ячеек ей не поддаётся, а клеммы и шины закрывают защитной смазкой и крышками. Об этом подробнее на странице о судах и морских объектах.

В горах к холоду добавляются разреженный воздух и сильное солнце. Воздух хуже отводит тепло, днём солнечная сторона шкафа перегревается, ночью всё быстро остывает, и перепад за сутки достигает 30-40 °C. Здесь важны те же меры: утепление, затенение и подогрев в морозные ночи, а также надёжная герметизация шкафа от пыли и снега.

Расчёт: северная станция связи

Оборудование станции потребляет 300 Вт круглосуточно - 7,2 кВт·ч в сутки. Питание от солнечных панелей и ветряка, а зимой бывают периоды до трёх суток почти без выработки. Нужен запас 21,6 кВт·ч плюс 0,7 кВт·ч в сутки на подогрев шкафа, итого около 24 кВт·ч. При глубине разряда 70 % это 34 кВт·ч номинальной ёмкости.

Шестнадцать ячеек WB-LYP700AHA в одной цепочке дают 51,2 В × 700 Ач = 35,8 кВт·ч. Масса ячеек - 336 кг, всего 32 клеммы и 16 точек контроля. Если на объекте ветер слабый и запас нужен больше, переходим на ячейки 1000 Ач - 51,2 кВт·ч в тех же шестнадцати позициях.

Для небольшого метеопоста или навигационного знака с потреблением 30-50 Вт хватит четырёх ячеек WB-LYP300AHA: 3,84 кВт·ч на 12 В. При потреблении 30 Вт трое суток без заряда забирают 2,2 кВт·ч - меньше 60 % ёмкости, при 50 Вт с той же глубиной разряда батарея продержится двое суток.

Объект без обслуживания

• Ресурс. 8000 циклов при глубине разряда 70 % - больше двадцати лет при одном цикле в сутки. Для удалённого объекта это значит, что батарею не придётся менять между плановыми заменами остального оборудования.
• Саморазряд. Не больше 1 % в месяц: батарея резервного объекта, который включается редко, месяцами сохраняет заряд.
• Контроль. Система управления батареей (BMS) передаёт напряжение и температуру каждой ячейки по каналу связи, и проблему видно задолго до отказа.
• Монтаж. Стяжка ячеек, затяжка клемм с нормированным моментом и защитная смазка делаются один раз и как следует: второго шанса до следующего выезда не будет.

Инженеры АйПи помогут рассчитать батарею и обогрев под ваш объект: пришлите потребление, климат площадки и источники заряда. Отгружаем по всей России, в страны таможенного союза и СНГ.