Проблемы построения и эксплуатации больших батарей литий ионных аккумуляторов

СПбГТИ(ТУ), Санкт-Петербург и «АК «Ригель», Санкт-Петербург

К настоящему моменту литий?ионные аккумуляторы достигли высокой степени совершенства технологии отдельных аккумуляторов. Их удельные характеристики близки к теоретически возможным, а «детские болезни» почти преодолены.

В настоящее время хорошо изучены и широко применяются батареи до 30-40 В. Проблемы возникают при построении аккумуляторных батарей большого напряжения и мощности. Они связаны не только с концентрацией огромной энергии в малом объёме, но и с особенностями литий-ионных аккумуляторов: их работой вблизи предела термодинамической устойчивости электролита и низким внутренним сопротивлением.

Построение больших литий-ионных батарей возможно по параллельной, последовательной схемам и путём их комбинирования. Важнейшей проблемой последовательного соединения больших массивов аккумуляторов является их балансировка. При параллельной схеме возрастает роль проблем, связанных с большими токами в цепи массива аккумуляторов, а также возникает проблема борьбы с внутренними короткими замыканиями. Комбинированные схемы могут объединять как достоинства, так и недостатки обоих схем.

Балансировка последовательно включённых аккумуляторов может осуществляться активным, пассивным способами, которые широко известны, а также комбинированным активно-пассивным методом и комбинированным методом с рассредоточенной зарядкой.

Для оценки работоспособности больших массивов аккумуляторов возникает острая необходимость непрерывного автоматического контроля за их состоянием и «степенью здоровья», с целью предотвращения возникновения аварийных ситуаций и проведения предупредительных профилактических работ над отдельными цепями массива аккумуляторов без вывода батареи из эксплуатации.

При увеличении напряжения батареи свыше определённого предела возникает ряд проблем, связанных с безопасностью человека и электрической прочностью материалов батареи. Они решаются секционированием батареи и использованием новых конструкционных материалов.

Низкое внутреннее сопротивление хотя и позволяет создавать уникальные источники тока высокой мощности, однако создаёт высокую опасность аварии, связанной с коротким замыканием в цепи нагрузки. Существующая коммутационная аппаратура не в состоянии отключить эти быстронарастающие и большие по величине токи, а высокое напряжение батареи усугубляет эту проблему. Для ограничения токов короткого замыкания больших батарей используется не только традиционные предохранители и быстродействующие электронные ключи, но и устройства, изменяющие постоянную времени цепи разряда батареи.

В целом, построение больших аккумуляторных батарей на основе литий-ионных аккумуляторов является самостоятельной проблемой, решение которой возможно только с использованием комплексного подхода.