Литиевые аккумуляторы для автомобилей: преимущества и недостатки

Литиевые аккумуляторы для автомобилей: преимущества и недостатки

Литиевый аккумулятор для автомобиля — классика или современность?

Удивительно, но тип аккумуляторов, который повсеместно используется в автомобилях, был изобретен более века назад.

Конечно, внешний вид и конструкция постоянно совершенствовались, и теперь это надежные устройства, которые при должном внимании вас не разочаруют, но… Но они громоздки, тяжелы и часто требуют внимания.

Почему бы не использовать литий-ионный аккумулятор для автомобиля? Это современный тип аккумуляторов, они компактные, легкие и достаточно прочные. На самом деле их можно встретить в автомобилестроении, но не в массе.

Литиевая батарея для автомобиля Порше

Такие аккумуляторы штатно устанавливаются на автомобили, оснащенные гибридными силовыми установками, и на электромобили. Почему они практически не встречаются на обычных автомобилях с двигателями внутреннего сгорания?

Может ли литиевая батарея на 12 вольт для автомобиля быть сложной в изготовлении или не выдерживать высокие токи, необходимые для запуска двигателя? Давай выясним.

Недостатки литий-ионных батарей

  • Чувствительность к глубокому разряду, перегрузке и перегреву. Но на практике это редко бывает проблемой. Батареи уже имеют встроенную электронику, защищающую от негативных воздействий. При использовании ЛИА без встроенной электроники рекомендуется использовать предназначенное для нее зарядное устройство.
  • Повышенная чувствительность к высоким и низким температурам. Оптимальная рабочая температура находится в пределах 10-35 градусов. При низких температурах производительность батареи снижается. Существуют также специально разработанные низкотемпературные ионные источники питания, поддерживающие зарядку при температуре -40 градусов с ограниченным разрядным током.

Литиевые аккумуляторы: что это?

И начнем с конструкции литий-ионных аккумуляторов. Такая батарея состоит из катода и анода с выводами к контактам, разделенных пористым сепаратором. Все эти предметы находятся в запечатанной коробке.

Кстати, в корпусе обычно есть предохранительный клапан, который необходим для предотвращения резкого повышения давления внутри аккумулятора. Но главное не в этом, а в материалах катода и анода, именно они и химические реакции между ними определяют суть устройства.

Такие батареи называются литиевыми из-за иона лития, который является носителем электрического заряда. Этот ион способен взаимодействовать с кристаллической решеткой различных материалов, образуя новые соединения.

Если углубиться в химию, то можно увидеть, что у этого типа аккумуляторов тоже есть варианты. Как правило, катодная часть бывает разной, и она может иметь следующие варианты:

  • LiCoO2 (литий-кобальт);
  • LiMn2O4 (литий-марганцевая шпинель);
  • LiFePO4 (феррофосфат лития).

Эти формулы для не химиков сами по себе мало что говорят, но следует отметить, что свойства аккумуляторов из разных материалов немного отличаются. Наиболее интересны аккумуляторы с катодной частью из феррофосфата лития.

Литиевый аккумулятор для автомобиля

Из всей троицы они самые долговечные и меньше теряют емкость со временем, их напряжение практически не меняется в процессе разряда, а учитывая тот факт, что одна ячейка такой «батарейки» выдает около 3,2 В, то при подключении четырех штук, получаем практически стандартное для большинства автомобилей напряжение в бортовой сети 12,8 В. Кроме того, они выдают неплохие пиковые токи.

Зарядка LiFePO4 аккумулятора

Электрическую энергию можно быстро «закачать» в батарею. Однако химические реакции протекают не сразу, поэтому состояние электролита между электродами будет разным. Ближайшие к электродам слои будут «заряжены», а те, что дальше — нет. Разница будет особенно заметна в элементах с большой емкостью и объемом электролита.

Графики тока и напряжения при зарядке аккумулятора LiFePO4
Графики тока и напряжения при зарядке аккумулятора LiFePO4

Большой зарядный ток не сильно ускоряет полную зарядку аккумулятора. Хотя заданное напряжение достигается быстрее, стадия насыщения занимает больше времени. При большом токе первый шаг короче, а второй длиннее.

Максимально допустимый зарядный ток для аккумуляторов обычно выражается в долях емкости. Например, если литиевая батарея емкостью 100 Ач имеет ток 0,5C (где C — емкость батареи), ток ее непрерывной зарядки не должен превышать 50 А. Как правило, для литий-железо-фосфатных батарей (LiFePO4) максимальный ток составляет 0,5–0,5 А. 1С

Повышенная температура указывает на неисправный алгоритм зарядки или внутренние проблемы аккумулятора

Как выбрать литиевый АКБ в автомобиль

Чтобы в полной мере использовать возможности аккумулятора LiFePO4 в автомобиле, нужно понимать, как его следует использовать и с какой нагрузкой он должен работать. При создании электрической системы с питанием от дополнительной батареи необходимо учитывать следующее

Схема подключения 12-вольтовой литиевой батареи большой емкости для зарядки от автомобильного генератора
Аккумулятор большей емкости служит дольше и требует меньше времени для зарядки. С зарядным устройством постоянного тока портативный бензиновый генератор больше не нужен. Ведь под капотом уже стоит автомобильный генератор мощностью 1500-3000 Вт. Все, что нужно, это организовать доступ к такому мощному источнику энергии. Правильное зарядное устройство не только обеспечивает большую мощность сервисных аккумуляторов, но и обеспечивает доступ к мощности генератора для вспомогательных устройств, таких как инвертор. Пусть автомобиль получит дополнительную литиевую батарею на 100 Ач, зарядное устройство постоянного тока на 30 А и преобразователь на 2000 Вт. Суммарная мощность блоков переменного тока, подключенных к инвертору, составляет 1,5 кВт. Когда все они работают одновременно, инвертор потребляет 150 А, а батареи хватает на 45 минут. Если запустить двигатель, потребители получат 25 А через зарядное устройство от генератора, а 125 А отдаст в цепь аккумуляторная батарея. В результате аккумулятор разрядится в течение 48 минут. Предположим, зарядное устройство на 30А было заменено на максимально разрешенную модель на 60А для данного аккумулятора. Если нагрузка не изменилась, от генератора через зарядное устройство потечет 50 А, а аккумулятор выдаст 100 А. Срок службы аккумулятора увеличивается до 60 минут. В дополнение к уже имеющейся литиевой батарее можно установить точно такую ​​же вторую, увеличив тем самым емкость батареи до 200 Ач. Большая емкость позволит использовать зарядное устройство номиналом 120 А. При такой установке 100 А пойдет к потребителям от генератора, а 50 А — от аккумулятора и время его непрерывной работы увеличится до 4 часов часы

BMS рассчитан на большой ток. Ток непрерывного разряда и заряда аккумулятора должен быть 0,5 — 1С. Надо смотреть на непрерывный, а не максимальный рейтинг батареи. Максимальное значение не имеет смысла, если не указано время, в которое проводилась проверка. Хорошая BMS должна отключать аккумулятор при его перегрузке, перезарядке, перегреве и слишком высоком напряжении. Это важно для батареи

Цена. Одна литиевая батарея может быть почти в два раза дороже другой. Если это так, то очевидно, что есть различия в технологии изготовления и способе использования аккумуляторов. Однако нет смысла устанавливать дорогую модель, если со своими задачами справится более дешевая. Важно понимать, что критично для вашей системы.

Максимальная скорость зарядки — одна из важных характеристик литиевой батареи. У дешевых моделей ток зарядки может составлять всего 0,3С (30А для аккумулятора емкостью 100Ач). У дорогих 1С или 100 А на батарею такой же емкости. Если вам нужно как можно быстрее зарядить один аккумулятор, вам нужна модель, рассчитанная на большой ток. Но при наличии места в машине два более дешевых аккумулятора также дадут возможность использовать ток 100 А, скорость зарядки снижается, но емкость аккумулятора увеличивается до 200 Ач.

Схема подключения литиевых аккумуляторов на 12 и 24 вольта для одновременной зарядки от автомобильного генератора
Автомобиль может быть оснащен двумя сервисными аккумуляторами, один на 12 и другой на 24 вольта. Для их зарядки необходимо два блока: 12-12 и 12-24 с суммарным номиналом, не превышающим возможности генератора. В противном случае у генератора не останется избыточной мощности для эффективной работы. Технических проблем это не вызовет, но расчеты придется соответствующим образом скорректировать

Срок службы батареи без подзарядки. В отличие от свинцово-кислотных, литиевая батарея имеет 100% доступную емкость. Параллельно можно подключить любое количество аккумуляторов. При последовательном соединении более дешевые модели часто ограничиваются 48 В

Мощность, полученная от генератора. Эта характеристика влияет как на емкость литиевой батареи, так и на выбор зарядного устройства. Современные автомобильные генераторы имеют мощность около 2000 Вт. Если в автомобиле есть место только для одной дополнительной батареи емкостью 100 Ач, зарядного устройства на 30 А будет достаточно для ее зарядки. Это позволит генератору заряжать дополнительную батарею прибл. 25А и подавать на аккумуляторы 350Вт. Модель на 60 А увеличит передаваемую мощность до 800 Вт. Для аккумулятора емкостью 100 Ач с максимальным током 0,5С этого будет достаточно

Дорогой аккумулятор LiFePO4 выгодно использовать в автомобиле, когда все три параметра — мощность генератора, номинал зарядного устройства и допустимый ток заряда аккумулятора совпадают. Например, если мощность автомобильного генератора 1400 Вт, а номинал зарядного устройства 120 А, зарядный ток будет недопустимо высоким для аккумулятора емкостью 100 Ач с номиналом 0,5 С. ​​Но для аккумулятора с номиналом 1 C, выбранное оборудование вполне подходит.

Преимущества литиевых аккумуляторов

  • Очень высокая плотность энергии. В четыре раза превосходит свинцово-кислотные блоки питания.
  • Высокое напряжение ячейки. Литий-ионный элемент заменяет три элемента NiCd или NiMH, которые обеспечивают только 1,2 вольта. Ученые в настоящее время работают над обеспечением более высокого напряжения для клеток. Чем больше напряжение в ячейках, тем меньше ячеек требуется. Это дает возможность сделать батарею легче и вместительнее.
  • Переносят большие токи разряда. Это означает, что автомобильные агрегаты, такие как системы холодного пуска или гибридные автомобили, могут работать с небольшой емкостью аккумуляторной батареи.
  • увеличение мощности и производительности в зависимости от требований.
  • У них есть возможность быстрой зарядки.
  • Эффекта памяти нет — полная разрядка не влияет на продолжительность срока службы.
  • Низкий уровень саморазряда (от трех до пяти процентов в месяц, сохранят работоспособность до десяти лет).
  • Когда батарея заряжена на 100%, она способна отдавать энергию без технических повреждений.

Вариации основного химического состава (например, различные материалы анода и катода) позволяют варьировать рабочие характеристики для конкретных применений.

Преимущества литиевых аккумуляторов

Также есть небольшие аккумуляторы. Электродный материал и керамические электролиты могут быть разделены на твердые (глинозем/силикагель) или гибкие (акриловые волокна) подложки для получения высокой плотности энергии для тонких и плоских батарей.

Какие бывают типы литий-ионных батарей и где используются

В настоящее время используются три типа ЛИА, различающихся материалами катодов.

Литиевые катоды, содержащие кобальт (Limo2).

Этот тип особенно эффективен. Ион кобальта Co3+ имеет небольшие размеры, поэтому катод сконструирован таким образом, что литий-ионные катоды легко перемещать. Это важно для высокой плотности энергии и способности производить небольшие и легкие батареи. Используется в портативной электронике и электромобилях.

Литиевые катоды, содержащие кобальт

Оксид лития-кобальта LiCoO2 (LCO) представляет собой тонкое устройство, чувствительное к повреждениям, поэтому оно используется только в электроприборах.

Литий-никель-кобальт-оксид алюминия (LiNiO.8Co0.15Alo.05 или NCA) является надежным соединением. Эти материалы обеспечивают хорошую плотность энергии и высокую мощность и используются в качестве 12-вольтовых литиевых аккумуляторов для автомобилей.

Оксиды лития-никеля-марганца-кобальта (NMC) — прочнее и долговечнее, чем тип NCA. Большинство производителей электромобилей используют этот катодный материал. При этом есть несколько вариантов, где металлы содержат никель, марганец и кобальт в разных пропорциях. Чем выше доля никеля, тем выше энергоемкость.

Катоды из оксида фосфора-железа-лития (LiFePO4 или LFP).

Этот тип также надежен, но имеет более низкую плотность энергии, чем катоды LiMO2. Китайские производители используют городские электромобили. Зарядки хватает на короткие дистанции.

Катоды из оксида лития-марганца (LiMn2O4 или LMO).

Этот тип ранее использовался в электромобилях, но катоды, содержащие кобальт, превосходят их по стабильности и плотности энергии.

В этом видео подробно описаны характеристики ионных аккумуляторов, размеры, состав и расшифровка маркировки.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Adblock
detector