Всем привет!
На Drive2 есть интересная особенность: приходит переодически сообщение с вопросом «как дела у Orange Bird?»
Ну так вот, про дела…
Предистория.
В 2016 году на ещё тогда буквально только что переделанном новом УАЗе поехал в достаточно жесткий трофи-рейд к церкви в Вепсский лес. И вот там большая часть дороги была очень своеобразной — лебедка, лебедка и ещё раз лебедка. И сразу же словил классическую проблему: аккумулятор высажен в ноль, а на генераторе лебедка тянет еле-еле. Очень забавно это было ощущать в длинной-предлинной колее-луже, когда лебедка медленно-медленно тянула машину, сцепление намокло и перестало работать, а вода снаружи плескалась на уровне стёкол и предательски поступала в салон.
УАЗ после той поездки пришлось полностью разбирать и даже красить. Но опыт то очень полезный и познавательный.
При этом люблю новинки и новые технологии. И тогда же прочитал про аккумуляторы LiFePO4 с их замечательными характеристиками. Быстрый заряд, высокие токи отдачи (вроде так это правильно называется), что важно при активном лебежении, возможность их безопасно ставить в салоне, и честные амперы, если 80, значит 80 и отдаст, а не половину. Ну и прям совсем малый вес и объём, по сравнению с обычными аккумуляторам.
Сразу же очень сильно захотел себе поставить такой. А тут на драйве статья за статьей от Vladekin, про его аккумуляторы и их испытания на самых различных автомобилях. Ну и заказал. 80-ку, которая и была сразу же поставлена под капот УАЗа.
И теперь сама история.
Когда началась стройка Orange Bird этот аккум переехал с УАЗа в него под заднюю кровать, а в подкапотное была заказана 40-ка и ещё 4-ка, как стартовый, на случай, если я высажу оба и надо будет заводить машину с севшими батареями. Все было смонтировано, установлена УРА400 и началась эксплуатация.
И все 4 года я наслаждался этими плюсами. Правда, активного лебежения в ноль почти не было, все ж экспедиционник, а вот фишка с быстрым зарядом мною использовалась постоянно. Завёлся, постоял полчаса тарахтя и спокоен, что заряда хватит на холодильник, вебасту и другие мелочи. При том, что на борту всего 120 ампер-часов в двух аккумуляторах.
Единственное, в чем был косяк и он был исправлен сразу — аккум не очень сильно любил мороз. Вернее это особенность у дизельных Соболей: свечи накала прям сильно просаживают напряжение при своей работе перед запуском. Первая версия подкапотного аккумулятора падала в напряжении аж до 7В при этом процессе. А выяснилось это во время моей зимней поездки в Сибирь, когда отказали обе вебасты и приходилось заводить машину в -30 без прогрева. Как вернулся с поездки отправил подкапотный Владиславу, который внутри смонтировал датчик температуры и нагревательный элемент. Аккум грел в морозы сам себя. Плюс, вебасты были починены и зимой сначала запускал их, а потом без проблем заводился в любой мороз.
Прошло 4 года. 4 года активных поездок, путешествий и просто ежедневной городской экспликации. И тут важно отметить и акцентировать: ЕЖЕДНЕВНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ. Каждый день Оранжевый заводился и перемешался на то или иное расстояние. Аккумуляторы подзаряжались постоянно и я не испытывал никаких проблем.
В этот Новый год у меня произошли кардинальные изменения в жизни. Много что поменялось, в том числе и частота использования Orange Bird. Отменились все туры, работа не позволяет сейчас и самому просто кататься в путешествия, до офиса хожу пешком, да и вообще везде пешком. Поэтому с января Оранжевый в основном своём стоял возле дома. Хорошо если заводился раз в неделю.
Тут надо отметить одну важную деталь.
На Yellow Bird такая эксплуатация с рождения. Он используется только в путешествиях. Стоят обычные аккумуляторы, когда строился не было смысла в него ставить LiFePO4, да и экономия.
Так вот — постоянно что-то высаживает аккумы и если его не заводить пару недель, то можно и не завести без прикуривания. Простые поиски утечки ни к чему не привели и решение по факту очень своеобразное: он стоит на приколе постоянно на зарядке низким током.
Совершенно неожиданно я выяснил, что при эксплуатации раз в неделю, а то и реже у Orange Bird такая же хрень! Весной мне его пришлось прикуривать один раз. Показывает 9 вольт и точка. Причём УРА400 по идее должна размыкать два аккумулятора при достижении 13В, а смыкать при 14,2В. Но все это работало очень странно. Бывало, что высаживалась только подкапотная 40-ка, а бывало, что оба разом. Почему? Я не знаю. В общем, странный для меня прибор.
Рукотворный пожар.
Пятница. В Питере неожиданно установилась жара. Аж 30 градусов!
Собрался свозить дочек на Hello Camper на выходные, Orange Bird уже стоял пару недель. Таскаю вещи. Сигналка двери открыла. Напряжение 9В. Ну ок. Достал провода, прикурил от другой машины, завёл. Стоит, молотит. Закрыл и пошёл за постельным бельём домой. Хватило 5 минут. Спускался я уже бегом и без постельного белья. Было не до него.
4 огнетушителя, 2 пятилитровки с водой и 2 пожарные машины.
Но что случилось, то случилось. И хорошо, что без последствий для себя и детей. Как говорится, спасибо, что взял деньгами.
И у меня прям снова появилась Вера в людей. Представляете, совершенно незнакомые люди тащат огнетушители, воду, вызывают пожарных (аж два вызова с разных домов) — и … тихо растворяются в неизвестности, когда все потушили. Я не знаю ни кто они, ни их имён. Искренняя благодарность и низкий поклон этим неизвестным спасителям. Не помоги они — остались бы рожки, да ножки. А сейчас же есть что восстанавливать.
Порадовала сигнализация, которая тупо не открыла все двери и благодаря двойному контору уплотнения на дверях пламя в салоне потухло само. Просто закончился кислород и все тлело потихоньку до приезда пожарных.
И, что не менее удивительно, пожарные приехали на двух машинах буквально за 10 минут!
Мое мнение о причинах.
Начну с самого главного: я не обвиняю Владислава в том, что аккумулятор плохой. И вот почему:
1. Эксплуатация и в мороз и в жару в течении 4-х лет. Это как минимум пара тысяч циклов зарядки. Сам виноват в том, что не задумывался о деградации топливных элементов и не проверял их.
2. Не разобрался с утечкой заряда. Чем и вызван относительно глубокий разряд.
3. Не подумал, что нельзя в жару давать на него большие токи. Надо было снимать и заряжать небольшими токами.
4. Ну и совершенно забыл про особенность подкапотного пространства Соболя: там нет вообще вентиляции. Образуется воздушная пробка.
5. В результате, самая вероятная причина: от больших токов зарядки произошёл терморазгон аккумулятора с его последующим пых! А так как литий горит с температурой под 1000 градусов, то тушение было очень и очень весёлым.
Но! С моей точки зрения есть и проблемы производителя:
1. Плата управления должна учитывать данные температуры и просто отрубать ток, что с аккумулятора, что в него. Не знаю вообще как это делается, но должна.
2. Данные аккумуляторы нужно проверять раз в год на деградацию элементов.
3. Ну и должна быть четкая инструкция, чего делать нельзя ни в коем случае.
Последствия явные.
1. Полная замена проводки. Вообще всей.
2. Соотвественно полный разбор машины и моторного отсека, включая пол салона, так как там проложены провода.
3. Новые: люк, возможно вебаста, аккумуляторы, динамики, шумка на полмашины, полная перепрошивка салона и сидений, возможна замена передних сидений, торпеда и голова в ней, рация, сигналка, лобовое стекло, капот, неясно про покраску, но частичная точно. Возможно, что-то ещё, тотальная разборка покажет.
Выводы.
Ну что ж? Опыт. Опыт полезен всегда. Главное выводы сделать и провести работы над ошибками.
Например, теперь поставлю небольшую солнечную панель на пустое место корзины багажника, поставлю три размыкателя массы, уберу напрочь кондиционер (про него все ж отдельно напишу), сделаю более лучшую шумку передней части салона и так далее.
Ну и про сам аккумулятор LiFePO4.
1. Если его ставить, то в салон. В противопожарном боксе. С датчиком температуры. Через какой-то прибор, которым можно регулировать ток в обе стороны. И с тумблером отключения массы на панели.
2. Никаких б/у! Ещё раз: НИ В КОЕМ СЛУЧАЕ НЕ СТАВИТЬ Б/У.
3. Раз в год проводить полную диагностику. Не знаю как, но проводить.
4. И большой огнетушитель, тоже не знаю какой, так как стандартные — полное гуано.
У меня осталось 2 аккумулятора. 80-ка, которая эксплуатируется 5 лет уже и 4-ка, которая четыре года лежит и переодически подзаряжается. Провести бы экспертную оценку их состояния. Интересно, думаю было бы многим.
Спокоен и смотрю на все это с улыбкой на лице. Как много раз писал: для путешествий не мешает ничего. Пока буду восстанавливать Orange Bird — буду активно кататься на маршрутах выходного дня: электричка и пешая прогулка. Так что, начну писать отзывы про эко-тропы вокруг Санкт-Петербурга в личной блоге, в журнале машины это не попишешь.
Ну и всегда в голове одна замечательная еврейская пословица :
Если проблему можно решить деньгами — это не проблема, это расходы.
В общем, жизнь продолжается. А Orange Bird становится почти Фениксом.
Литиевые аккумуляторы уже прочно обосновались во многих технических сферах, так или иначе связанных с автономностью электропитания. Они уже давно вытеснили никель-кадмиевые, никель-гидридные и свинцово-кислотные аккумуляторы. За время своего развития литиевые аккумуляторы избавились практически от всех имевшихся у них ранее недостатков.
Перечислять где они используются, будет бессмысленно, настолько глобально их распространение. Но все же, в нише автомобильных стартерных аккумуляторов вытеснить свинцово-кислотные аккумуляторы им не удается до сих пор. Несмотря, на то, что их максимальная токоотдача, которая раньше была камнем преткновения и не достигала необходимых значений стартерных токов, теперь в некоторых типах аккумуляторов, полностью удовлетворяет потребностям стартеров.
Так почему бы тогда не использовать такие литиевые аккумуляторы в качестве стартерных? Тем более, что сейчас существуют типы аккумуляторов, набирая которые в аккумуляторные батареи, можно получить напряжение, очень близкое со свинцово-кислотными батареями.
Как устроен и работает литиевый аккумулятор
Сначала буквально в нескольких словах об устройстве и принципе работы литиевого аккумулятора. Конструктивно он состоит из двух электродов, положительного (катода) и отрицательного (анода).
Анод состоит из медной несущей ленты, на которую нанесен пористый графит. В его порах накапливаются ионы лития и электроны при заряде. В химических реакциях графит не участвует. Медная лента является лишь проводником электронов между графитом и клеммой аккумулятора.
Катод состоит из алюминиевой фольги, на которую нанесен оксид лития. Она является также только проводником электронов между оксидом лития и клеммой, а также его несущей поверхностью.
В слой оксида лития производители добавляют различные химические элементы в разных вариациях. Это позволяет добиться значительных изменений характеристик литиевых аккумуляторов.
Между электродами размещается сепаратор пропитанный электролитом из органической соли лития. Сепаратор не дает физически соприкасаться между собой катоду и аноду, изолируя их, друг от друга. А вместе с электролитом он не пропускает через себя электроны и с легкостью пропускает ионы лития.
Получившийся слоеный пирог помещается в герметичный корпус.
Литий является химически активным элементом, он с легкостью может отдавать свои электроны, благодаря чему с легкостью вступает в химические реакции с другими элементами. Это уникальное его свойство и заложено в принцип работы литиевых аккумуляторов.
В процессе заряда внешний источник питания с легкостью отрывает электроны от атомов лития и «перекачивает» их из положительного в отрицательный электрод. Там они накапливаются в графитовом слое. Одновременно с этим ионы лития, лишившиеся электронов, через сепаратор и электролит перемещаются туда же. Таким образом, при заряде на отрицательном электроде создается избыток электронов, у которых есть очень большое желание вернуться назад.
Если вместо внешнего источника питания подключить к клеммам нагрузку, то электроны с большой радостью начнут перемещаться на свое прежнее место обитания, в оксидный слой положительного электрода. Создавая во внешней цепи электрический ток, разряжая при этом аккумулятор. Туда же из графитового слоя спешат переместиться и ионы лития, где они встречаются со своими электронами и захватывают их.
Какие типы литиевых аккумуляторов существуют, и какой из них лучше всего подходит в качестве стартерных
Всего существует порядка шести основных типов литиевых аккумуляторов. Различаются они между собой материалом, используемым в их катодах. Катодный материал имеет сложные химические соединения различных веществ, которые кроме лития не повторяются в разных типах аккумуляторов. Названия аккумуляторов соответствуют веществу, которое используется в их катодах, и перечислено на изображении ниже.
Эксплуатационные характеристики разных типов аккумуляторов довольно сильно отличаются друг от друга. Это и номинальное напряжение аккумуляторных ячеек, энергоемкость на единицу веса, максимальный разрядный и зарядный ток, количество циклов заряд-разряд, рабочие температуры. Поэтому для каждого типа аккумулятора подходит только свой, определенный сценарий эксплуатации.
Подробно рассматривать все типы здесь не будем, так это тема уже другой статьи. Рассмотрим только один тип литиевого аккумулятора, наиболее подходящий для замены стартерного свинцово-кислотного аккумулятора.
Это литий-железо-фосфатный (LiFePO4) аккумулятор. Он по многим параметрам удовлетворят требованиям, предъявляемым к свинцово-кислотным аккумуляторам, а по некоторым даже значительно превосходит. Вот его и рассмотрим подробнее.
Чем так хорош литий-железо-фосфатный (LiFePO4) аккумулятор
1. Напряжение одной его заряженной ячейки составляет 3,2В. Что позволяет путем последовательного соединения четырех таких литиевых ячеек получить 12,8В. Тогда как напряжение заряженной стартерной свинцово-кислотной батареи, состоящей из шести банок, составляет 12,7В. Таким образом напряжение литиевой батареи практически точно соответствует свинцово-кислотной.
Аккумуляторная батарея из 4-х литий-железно-фосфатных ячеек
Напряжения же ячеек других типов литиевых аккумуляторов значительно отличаются от рассматриваемой нами, что и близко не позволяет сформировать необходимое нам напряжение 12,8В.
Максимально допустимое значение напряжения литий-железо-фосфатной ячейки составляет 3,6В, что в пересчете на четырех ячеечную батарею дает 14,4В. Что опять же соответствует максимальному напряжению свинцово-кислотной батареи, составляющей те же 14,4В. Здесь следует отметить, что это максимальное напряжение возникает при зарядке батареи от генератора автомобиля, и это штатный режим.
2. Максимальный разрядный ток литий-железо-фосфатной ячейки очень и очень достойный, и является самым большим из всех типов литиевых аккумуляторов. Его значение достигает 25С. Где «С» – это емкость аккумулятора. То есть, если емкость аккумулятора 30А*ч, то разрядный ток составит 25 х 30=750 А. Что даже лучше, чем у свинцово-кислотных аккумуляторов. Например, у свинцово-кислотной батареи известной компании BOSCH, емкостью 70А*ч максимальный ток составляет 760 А, который по отношению к емкости будет иметь значение в 11С.
Свинцово-кислотный аккумулятор BOSCH c максимальным током 760 А
Все остальные литиевые собратья имеют на порядок меньшие разрядные токи, из них лишь только литий-титанатный (Li4Ti5O12) может похвастаться значением в 10С.
3. Максимальный зарядный ток составляет 1С, и не является лучшим в своем семействе. Есть типы как с большим током зарядки, до 5С у литий-титанатных (Li4Ti5O12) аккумуляторов, так и с меньшим током. Но он будет вполне достаточным при емкости батареи, например в 70А*ч для легкового автомобиля. При такой емкости батарея без каких-либо негативных последствий сможет потреблять ток до 70А от генератора автомобиля, который будет генерировать его в этих пределах.
4. Ресурс литий-железо-фосфатных аккумуляторов значительно выше, чем у свинцово-кислотных. Измеряется он в количестве циклов заряд-разряд. И составляет порядка 2000 циклов, против 400-500 у свинцово-кислотных. То есть один такой литиевый аккумулятор переживет замену 4-5 свинцово-кислотных.
Сравнение свинцово-кислотного и литий-железо-фосфатного аккумуляторов
Но следует отметить, что он обладает не самым высоким ресурсом среди своих собратьев. Например, литий-титанатный (Li4Ti5O12) аккумулятор обладает ресурсом до 7000 циклов, а литий-никель-кобальт-алюминиевый (LiHiCoAlO2) способен отработать лишь скромные 500 циклов.
5. Вес такой железо-фосфатной батареи при одинаковой емкости и одинаковом напряжении со свинцово-кислотной батареей в несколько раз меньше. Меньше и объем.
Что препятствует использованию литиевых аккумуляторов в качестве стартерных
Ну если так все хорошо, то почему бы не поменять на своем автомобиле свинцово-кислотный аккумулятор на литий-железо-фосфатный. Но не все так просто. Такой прямой замене мешает несколько причин.
1. У них разный принцип работы, выражающийся кроме всего прочего и в разных профилях заряда и разряда. Напряжения, соответствующие тому или иному проценту их заряда, все равно будут, хоть и незначительно, но все же отличаться. А электроника машины как раз по напряжению на клеммах аккумулятора и будет определять степень его заряда, используя для этого профиль свинцово-кислотного аккумулятора. И если просто поставить в такой автомобиль литиевый аккумулятор, то электроника машины будет неправильно оценивать степень его заряда, что приведет к постоянному перезаряду или недозаряду. А литиевые аккумуляторы нуждаются в более точном контроле заряда, чем свинцово-кислотные. Они боятся «перекоса» уровня заряда между последовательно соединенными ячейками в батарее. Боятся перезаряда и глубокого разряда. Все это приводит к их преждевременному выходу из строя. Чтобы такого не происходило, каждая литиевая ячейка подключается к специальной плате BMS, которая индивидуально контролирует и корректирует уровень заряда каждой из них. Предохраняя от перезаряда и глубокого разряда, путем отключения от внешней цепи. А это уже достаточно сложная и нежная электроника внутри аккумулятора, которая совсем не увеличивает его надежность.
Плата BMS во вскрытой литий-железо-фосфатной аккумуляторной батарее
Свинцово-кислотным батареям плата BMS не нужна, они не боятся перезарядки и не нуждаются в выравнивании заряда между банками, это их большой плюс. Их простота конструкции, это надежность и безопасность.
Китайский производитель «LITJET» стартерных литий-железо-фосфатных аккумуляторов утверждает, что их аккумуляторы можно без проблем устанавливать в автомобили вместо свинцово-кислотных, без каких-либо дополнительных настроек и регулировок электрооборудования автомобиля. Что их чудо плата BMS запрограммирована должным образом и позволяет нивелировать вышеперечисленные несоответствия параметров со свинцово-кислотными аккумуляторами.
2. Ограничение работоспособности при низких температурах. Собственно, это главная проблема литий-железо-фосфатных аккумуляторов. Отдавать энергию потребителю они могут при температуре вплоть до -30оС, теряя при этом до половины в емкости. При такой температуре и свинцово-кислотному аккумулятору придется очень туго, он потеряет больше половины своей емкости. Так что в режиме разряда, можно сказать, что у них паритет.
Но вот с режимом заряда у этого лития совсем все плохо. Эти аккумуляторы категорически нельзя заряжать при температуре ниже 0оС. Если вы, обойдя защиту платы BMS, все же будете заряжать литиевую ячейку при отрицательных температурах, то выведите её из строя. Её неспособность принимать заряд при низких температурах, заключается в сильном замедлении химических процессов, которое выражается в сильном замедлении проникновения ионов лития в поры графитового слоя при зарядке. В результате чего они скапливаются на поверхности графита, где встречаясь с электронами («перекачиваемыми» внешним источником тока из катода), превращаются в металлический литий. Он навсегда остается там, и более не принимает участия в процессах заряда-разряда, неизбежно снижая емкость ячеек при каждой такой «неправильной» зарядке. Несколько раз так зарядил, и выкинул аккумулятор.
Но все тот же производитель «LITJET» стартерных литий-железо-фосфатных аккумуляторов заявляет, что и эта проблема практически решена в их аккумуляторах. После того как двигатель автомобиля заведется и генератор начнет генерировать электрический ток, плата BMS заблокирует заряд ячеек при опасно низких температурах. Одновременно с этим она подключит встроенные в аккумулятор нагреватели к генератору, и лишь только после нагрева литиевых ячеек до необходимой температуры, начнет процесс их зарядки.
Высокотехнологичный нагревательный элемент внутри аккумуляторной батареи
Получается, что этот Франкенштейн кроме опасных литиевых ячеек, платы BMS (через которую проходят высокие пусковые токи), содержит еще и нагревательные элементы, непосредственно располагающиеся на этих самых литиевых ячейках. Их толщина, как у листа бумаги, а ценовая категория супер-эконом, с соответствующей надежностью. Это для чего сделано, чтобы гарантированно жизненный цикл такого аккумулятора заканчивался самоуничтожением путем самовозгорания?
3. Большая цена. За цену одного литий-железо-фосфатного аккумулятора можно приобрести пять свинцово-кислотных. Причем сумма их циклов заряд-разряд перекроет ресурс литиевого.
Сравнение цен литий-железо-фосфатного и свинцово-кислотного аккумуляторных батарей
Заключение
Я бы не стал в свой автомобиль устанавливать такую бомбу замедленного действия в виде литий-железо-фосфатного аккумулятора. Увиденные мною его внутренние хлипкие токоведущие части и не внушающие доверия «нанонагреватели» только лишний раз убеждают меня в этом. Я лучше за эти деньги сменю пять свинцово-кислотных аккумуляторов, которые будут гораздо безопаснее. И не посмотрю на то, что некоторые именитые автопроизводители, для демонстрации целесообразности использования в автомобилях стартерных литиевых аккумуляторов, устанавливают их в свои серийные автомобили. Например, в автомобили McLaren (570S, 650S), Mersedes S-klasse (W221, W222), BMW (M3, M4) и некоторые другие.
Пишите в комментариях, рискнете ли вы установить в свой автомобиль литиевый стартерный аккумулятор, если представится такая возможность. А если он у вас уже установлен, то, какие впечатления от его использования.
Telegram-канал @overclockers_news — теперь в новом формате. Подписывайся, чтобы быть в курсе всех новостей!
На сегодняшний день самым популярным видом химических источников тока (ХИТ) все еще являются свинцово-кислотные аккумуляторы. Несмотря на огромный скачек в развитии литиевых ХИТ в последнее время, если сложить всю запасенную в мире энергию (Вт*ч) в свинцовых и в литиевых аккумуляторах, то мы увидим, что «свинец» по этому показателю на порядок опережает Li-ion, LiFePO4 и LTO вместе взятые. Дело, конечно же, в низкой стоимости свинцовых АКБ.
Существуют области применения, где переплата за лучшие характеристики попросту нецелесообразна, например, стартерные аккумуляторы автомобилей. Основная задача такого аккумулятора – выдать большой ток на короткое время, а такие параметры как емкость, вес, ресурс и т.д. отходят на второй план.
Прогресс не стоит на месте, и с каждым годом, благодаря использованию новых материалов, и применению инновационных технологий производство литиевых аккумуляторов становится все дешевле, и вместе с этим область их применения значительно расширяется.
Основные преимущества LiFePO4 по сравнению со свинцово-кислотными АКБ:
- Емкость в несколько раз больше. LiFePO4 — 190–250 Вт•ч/кг; свинцово-кислотные – 25-40 Вт•ч/кг.
- Отдают полную ёмкость при больших токах разряда.
- Заряжаются в 5 раз большим током по сравнению со свинцово-кислотными АКБ.
- Не чувствительны к режимам хронического недозаряда.
- Легче, чем свинцово-кислотные.
- 10-кратное увеличение количества циклов по сравнению со свинцово-кислотными.
- Длительный срок эксплуатации.
Li—ion или LiFePO4?
Почему именно LiFePO4, а не Li-ion или LTO?
LTO можно вычеркнуть сразу, области применения данного вида аккумулятора весьма специфичны, так как его стоимость все еще очень высока.
Преимущества LiFePO4 перед Li-ion можно выделить следующие:
- Устойчивость к температурам. LiFePO4 могут работать при низких температурах — от -30°C до +55°C
- Литий-железо-фосфатные АКБ обладают большим числом циклов заряда-разряда (до 2000 циклов) и как следствие — большим сроком службы.
- Стабильность напряжение разряда — LiFePO4 АКБ снабжают потребитель постоянным напряжением во время разряда
- LiFePO4 АКБ не горят, при сильном повреждении элементов — выделяется тепло и дым, но, в отличии от литий-ионных — нет пламени.
Основной недостаток LiFePO4 перед Li-ion это меньшая емкость при той же массе – примерно на 20% меньше, но это все еще в разы больше в сравнении со свинцовыми АКБ.
Благодаря сочетанию вышеописанных характеристик литий-железо-фосфатные батареи стали отличной альтернативой кислотно-свинцовым АКБ.
Области применения LiFePO4
Еще недавно, во многих областях, свинцовые батареи казались самым экономически выгодным вариантом. Но из-за снижения стоимости литий-железо-фосфатные АКБ вытесняют «свинец» большими темпами во многих местах. Рассмотрим основные сферы применения LiFePO4.
Водный транспорт
Есть 2 сценария использования АКБ в маломерных судах:
- Батарея для питания основного электромотора на небольших лодках.
- Батарея для питания бортовой сети и вспомогательных электромоторов на средних и крупных моторных лодках.
В случае с маленькой электромоторной лодкой преимущества
литий-железо-фосфатных АКБ особенно ярко выражены. Ключевым факторам является низкий вес батареи по сравнению со свинцом. С помощью LiFePO4 можно в несколько раз увеличить запас хода, при этом сохраняя адекватный вес и габариты батареи.
Так же важным преимуществом является возможность глубокого разряда батареи без вреда для нее. В случае со свинцовыми АКБ при ее уровне заряда на 25-30% приходится выбирать: Либо прекращать использование мотора, либо продолжить разряд батареи, тем самым подвергая ее деградации.
Каждый глубокий разряд свинцово-кислотной АКБ отнимает примерно 2-3% ее первоначальной емкости. Несложно посчитать, что после 10 таких разрядов батарея потеряет до 30% емкости.
На средних и больших лодках масса аккумуляторов уже не так важна, но вот количество циклов заряда-разряда и возможность глубокого разряда являются главными параметрами при выборе АКБ. Дело в том, что многие лодки оборудованы специальными вспомогательными электромоторами. Они помогают удерживать судно на заданной точке, а так же служат для тихого перемещения без использования основного ДВС двигателя.
При активном использовании лодки с таким вспомогательным мотором аккумуляторные батареи постоянно подвергаются зарядке и разрядке. Свинцовые АКБ с их 200 циклами кардинально не подходят под эту задачу. Конечно, идеальное решение это литий-титанат (LTO), такие аккумуляторы выдерживают фантастические 20000 циклов, но и цена у них высокая. Поэтому LiFePO4 с их 2000 циклов будет оптимальным решением в финансовом плане.
Погрузчики, штабелеры, поломоечные машины
Основным параметром при выборе аккумуляторной батареи для погрузчиков и штабелеров является максимальный долговременный ток разряда, так как эта техника потребляет большие токи при своей работе. Важно, что бы под нагрузкой не было значительных просадок по напряжению. LiFePO4 полностью отвечает этому требованию. Литий-железо-фосфатные аккумуляторы имеют минимальные просадки по напряжению, при этом это напряжение остается стабильным на протяжении всего цикла разрядки и практически не меняется.
Так же на руку играет большой ресурс LiFePO4, поскольку складская техника, как правило, работает каждый день. То же самое можно сказать и про поломоечные машины, зачастую эти аппараты трудятся 24/7, и ресурс АКБ имеет первостепенное значение.
Электротранспорт
Конечно, в мире электротранспорта превосходствуют литий-ионные АКБ. За счет рекордных показателей по соотношению емкости к массе и объему этот тип аккумуляторов получил широчайшее распространение в электромобилях, электробайках, электровелосипедах и т.д. Но поскольку Li-ion не может корректно работать при отрицательных температурах, это накладывает определенные ограничения. И если в электромобилях это удается решить с помощью встроенного обогрева АКБ, то в более простых видах электротранспорта приходится искать альтернативу литий-ионным батареям.
На роль этой альтернативы подходят свинцовые и LiFePO4 аккумуляторы, так как они способны легко выдерживать отрицательные температуры. Разумеется, LiFePO4 будет наилучшим решением, поскольку они занимают второе место по показателям емкости на единицу веса и объема после Li-ion.
В общем и целом можно сказать, что кислотно-свинцовые аккумуляторы доживают последние дни. Все чаще в различных отраслях переходят на литий-железо-фосфат и литий-титанат. Производство литиевых аккумуляторов дешевеет с каждым годом, и вскоре сойдет на нет единственное преимущество свинцовых батарей – цена.
Содержание статьи
- Плюсы и минусы литий-железо-фосфатных аккумуляторов
- Принцип работы LFP аккумуляторов
- График разряда LiFePO4
- Технические характеристики
- Области применения
- Особенности зарядки
- Правила хранения и утилизации
Для питания электрического транспорта, электронного оборудования, электроприборов и автономно работающей техники используются аккумуляторы с разным химическим составом. Производители создают источники питания с усовершенствованными характеристиками, среди которых отлично зарекомендовали себя литий-железо-фосфатные элементы. Технология их производства получила развитие в 2003 году, и с тех пор LiFePO4 аккумуляторы остаются лучшими по многим параметрам.
Плюсы и минусы литий-железо-фосфатных аккумуляторов
В таких источниках питания в роли материала катода применяется литий-фосфат железа. Анод производится из углерода, как и у остальных литиевых элементов. По сравнению с аналогами LFP аккумуляторы имеют превосходную химическую и термическую стабильность. Они:
- максимально безопасны в использовании – не возгораются и не взрываются, даже если разгерметизируются;
- практически не выделяют токсинов, что облегчает их утилизацию;
- более устойчивы к перезарядке, коротким замыканиям и другим аварийным ситуациям;
- не склонны к лавинообразному разрушению в случае перегрева;
- без критических последствий выдерживают пиковый разрядный ток до 25С;
- выдерживают длительное воздействие высокого напряжения;
- долговечны – срок службы LFP аккумуляторов составляет минимум 2000 рабочих циклов со снижением исходной емкости на 20%;
- подходят для использования в оборудовании с высокими токовыми нагрузками;
- имеют низкий саморазряд;
- морозоустойчивы;
- стабильно работают при температуре от -30 до +50 °С;
- не имеют выраженного эффекта памяти;
- при разряде имеют стабильное напряжение;
- по плотности энергии на 14% уступают остальным Li-ion аккумуляторам;
- допускают быструю зарядку высокими токами;
- менее подвержены эффекту старения – естественное снижение емкости у LFP ячеек составляет всего 1,5% в год, в то время как у остальных Li-ion элементов старение наблюдается на 10% в год.
К недостаткам LiFePO4 АКБ относят их низкое номинальное напряжение (в диапазоне 3–3,3 В), меньшую энергоемкость и чувствительность к прямому воздействию влаги. При взаимодействии с водой происходит потеря активного лития, и снижается плотность энергии.
Принцип работы LFP аккумуляторов
В аккумуляторах протекают реакции, основанные на взаимодействии литий-феррофосфата как материала катода и углерода в качестве материала анода: LiFePO4 + 6C → Li1-xFePO4 + LiC6. Заряд переносят ионы лития. При разряде элемента питания они внедряются в кристаллическую структуру анода и отдают накопленный заряд, в результате чего протекают процессы окисления. При заряде источника питания ионы лития перемещаются от анода к катоду и накапливают заряд – происходит процесс восстановления.
График разряда LiFePO4
Для LFP аккумуляторов характерны плоские кривые разряда и заряда. Характерная кривая разряда LiFePO4 элементов имеет значительный участок с очень медленным изменением напряжения. К тому же, она имеет гистерезис. Эти особенности усложняют точный замер уровня заряда ячеек (SOC). Решить проблемы с точностью измерений уровня заряда позволяет алгоритм, базирующийся на оценке напряжения с применением способа интегрирования токов. Похожую кривую разряда-заряда имеют накопители энергии с типом химии LiCoPO4, LiFeSO4F, LiMnPO4.
Технические характеристики
Аккумуляторы типа LiFePO4 имеют:
- номинальное напряжение 3–3,3 В;
- граничные значения напряжения – 2 В и 3,65 В (у некоторых моделей – 2 В и 3,9 В);
- напряжение под нагрузкой, минимум – 2,8 В;
- напряжение в средней точке 3,3 В;
- емкость – от 2500 до 6000 мАч и выше, в зависимости от размеров ячейки;
- ресурс – более 2000 циклов;
- удельную мощность – 90–120 Вт·ч/кг;
- типичный ток заряда – 1С, в течение 3 часов повышает заряд до напряжения 3,65 В;
- саморазряд – до 5% в год.
При соединении ячеек в аккумуляторные батареи достигаются технические характеристики, необходимые для питания определенного прибора, оборудования или транспортного средства. В зависимости от количества и схемы соединения ячеек, параметры АКБ бывают разными: емкость батареи может достигать 2000 А*ч, напряжение обычно составляет 12, 24, 36, 48 или 72 В. Диапазон рабочих температур LiFePO4 батарей соответствует параметрам ячеек (от -30 до +50 °С), а ток заряда варьируется от 4 до 30 А.
Схема соединения литий-феррофосфатных аккумуляторов в сборке зависит от требуемых параметров емкости и напряжения. При последовательном соединении ячеек емкость не меняется, а напряжение – суммируется. При параллельном соединении «банок» напряжение не меняется, а емкость суммируется. Для стабильной работы АКБ используются BMS платы, защищающие источники питания от перезаряда, глубокого разряда и коротких замыканий.
Области применения
LFP аккумуляторы используются в разных сферах:
- для питания электромоторов велосипедов, скутеров, мопедов, мотоциклов, электромобилей, квадроциклов и других транспортных средств на электротяге;
- для оснащения электрических подъемников, пылесосов, штабелеров, погрузчиков, ричтраков, поломоечных машин, гольфкаров, газонокосилок и другой техники;
- в качестве буферных накопителей энергии в системах альтернативной электроэнергии – при автономном электроснабжении с применением солнечных батарей и ветрогенераторов;
- в составе домашних ИБП;
- в качестве АКБ для катеров, лодок и других видов водного транспорта, оснащенных электромоторами;
- для комплектации гибридных генераторов, метеостанций, игрового оборудования и других приборов.
Особенности зарядки
BMS плата защиты не допускает перезаряда АКБ, ее глубокого разряда и КЗ, а также выполняет балансировку элементов питания – выравнивает их напряжение. Но незащищенные аккумуляторы (без платы защиты) нельзя перезаряжать и разряжать ниже допустимого предела, иначе они деградируют и теряют работоспособность.
Если оставить разрядившиеся аккумуляторы без подзарядки, дальнейшее снижение напряжения в результате саморазряда негативно отразится на емкости и работоспособности источника питания. Зарядку нужно проводить при температуре корпуса, приближенной к комнатным значениям. Во избежание перегрева заряжаемую батарею и ЗУ нельзя чем-то накрывать.
Процесс зарядки LFP аккумуляторов и батарей включает 2 этапа:
- Постоянным током до нужного напряжения.
- При постоянном напряжении до минимальной величины зарядного тока, по алгоритму CC/CV.
Для зарядки рекомендуется использовать «умные» зарядные устройства. Оптимальное напряжение заряда – 3,6–3,65 В на элемент. В результате обеспечивается напряжение до 3,4–3,45 В на каждый аккумулятор.
Правила хранения и утилизации
Перед длительным хранением LiFePO4 аккумуляторы нужно зарядить до уровня 40–60%, чтобы не допустить их значительного разряда и потери емкости. Хранить источники питания рекомендуется при температуре от +5 до +30 °С, в сухом месте, в стороне от источников тепла и прямых солнечных лучей.
Аккумуляторы, отработавшие свой ресурс, желательно сдать на переработку. В специальных пунктах переработки источники питания разбирают и в дальнейшем используют, например, для сборки блоков для хранения электроэнергии от солнечных батарей, ветряков и компактных гидроэлектростанций.
Читайте в предыдущей статье нашего блога о характеристиках кабелей AWG, выборе их сечения, маркировке и ее расшифровке.