Что нужно знать о литиевых аккумуляторах и их использовании на автомобилях

Каждый автомобилист знает, насколько важную роль в работе транспортного средства играет аккумуляторная батарея. При этом покупка АКБ сопровождается обычно буквально несколькими вопросами, поскольку нужно подобрать батарею с подходящими для машины характеристиками.

И часто при покупке обращают внимание на то, к какому типу относится та или иная модель. Для автомобилей применяются разновидности свинцово-кислотных АКБ, которые бывают обслуживаемыми и необслуживаемыми.

В зависимости от того, какие используются добавки и форма электролита, их также можно разделить на AGM устройства или гелевые.

Только вот применительно к машинам с ДВС редко говорят про литиевые аккумуляторы. Можно ли их использовать, какие у них сильные и слабые стороны и что вообще нужно знать автомобилистам о возможностях использования таких батарей вместо свинцово-кислотных.

Разновидности

Если говорить о батареях литиевого типа, которые могут применяться в автотранспортных средствах, то здесь стоит выделить несколько вариантов.

• Li-ion. Они же литий-ионные. Актуальное решение для электрокаров. Здесь заряд переносят положительно заряженные ионы лития. В роли отрицательных пластин сначала использовали литий, затем каменноугольный кокс, а теперь перешли на графит. Внутри корпуса предусматриваются платы защиты и являются обязательным компонентом. Такие АКБ отличаются по используемому катодному материалу.
• Они же литий-полимерные. Отличаются от первого типа лишь наличием полимерного, а не жидкого электролита. Характеристики несколько усовершенствовали. Могут работать при температуре до -20 градусов.
• Это литий-феррофосфатные батареи, имеющие наиболее серьёзные перспективы для использования в автомобилях. Именно на них делается сейчас основной акцент, как на потенциальный заменитель стандартных свинцово-кислотных АКБ.

Теперь следует взглянуть на такие батареи более подробно и узнать об их возможном применении на автомобилях.

Преимущества и недостатки

Литий-феррофосфатные АКБ имеют достаточно внушительный список преимуществ. Но есть и недостатки.

К сильным сторонам относят такие пункты:

• достаточно продолжительный срок службы;
• медленная потеря ёмкости;
• стабильные показатели напряжения разряда;
• не токсичные, и не опасные для окружающей среды;
• разряд происходит с меньшей скоростью;
• могут переносить достаточно низкие температуры;
• минимальная подверженность возгораниям и взрывам.

Но опять же это сравнение скорее с другими разновидностями литиевых АКБ, а не со свинцово-кислотными.

При этом у литиевых аккумуляторов для автомобилей есть ряд потенциальных недостатков, которые пока не позволяют перейти на активное применение в машинах.

Речь идёт о таких минусах:

• чтобы получить полноценную батарею на 12,8 В, требуется соединить 4 литиевых аккумулятора;
• высокая стоимость, которая превосходит кальциевые и свинцовые АКБ в 3-4 раза;
• низкая устойчивость к отрицательным температурам;
• в российских условиях климата на морозе будут быстро терять заряд;
• при заморозках заряжать такие АКБ очень сложно;
• при температуре ниже 0 градусах зарядка запрещена;
• при объединении нескольких батарей, обязательно применяется плата балансировки;
• не любят постоянную зарядку, идущую от АКБ, и нужно ставить дорогие дополнительные платы защиты.

Как видите, недостатки более чем весомые.

Но некоторые продолжают утверждать, что такие АКБ использовать можно и у них неплохие перспективы.

Сколько циклов выдерживают

Весь дальнейший разговор будет идти именно о LifePo4 батареях, поскольку они максимально близки к стандартным автомобильным АКБ и есть смысл их сравнивать.

Циклом называют процесс разряда-заряда. Срок службы определяется тем, сколько таких циклов сможет пережить АКБ.

АКБ считают непригодными к использованию, если их ёмкость упала ниже 80% от номинальной. Фактически число циклов зависит от способности рабочих ячеек сохранять, а также передавать энергию к потребителям.

Литиевые батареи способны выдерживать порядка 1000 циклов, что было подтверждено соответствующими испытаниями.

В рамках тестирования воссоздали условия, приближенные к реальным. Сравнивали литиевый, свинцово-кислотный и AGM аккумуляторы. Последний выдержал 180 циклов, свинцовый всего 18, а состояние LifePo4 вообще никак не изменилось.

Так что в плане способности выдерживать многочисленные циклы такие аккумуляторные батареи действительно имеют внушительные перспективы. Что же касается литий-ионных аккумуляторов для автомобилей, то с ними подобные сравнительные тесты не проводили. И не совсем корректно сравнивать батареи, предназначенные преимущественно для электрокаров и не применяемые на машинах с ДВС.

Процесс зарядки

Теперь немного о том, как заряжать современный автомобильный аккумулятор типа LifePo4. На практике литиевый аккумулятор способен достаточно быстро накопить в себе электроэнергию. Но здесь течение электрохимических процессов не проходит моментально, из-за чего состояние электролита меняется не пропорционально. Слои, расположенные ближе к электроду, заряжаются быстрее, чем отдалённые.

Если увеличить параметры зарядного тока, это всё равно существенно не ускорит процесс заряда АКБ литиевого типа.

Задать напряжение можно быстро, но насыщение требует больше времени. Если подавать высокий ток заряда, первая стадия зарядки проходит быстрее, но это автоматически продлевает вторую стадию насыщения.

Предельный зарядный ток определяется в долях от ёмкости. К примеру, когда у АКБ литиевого типа указана ёмкость 100 Ач, тогда ток составит 0,5С.

Буква С означает показатель ёмкости аккумуляторной батареи.

В итоге получается, что для устройств с ёмкостью 100 Ач требуется ток заряда с показателем не более 50 А. Максимальный зарядный ток для литий-феррофосфатных батарей обычно составляет в пределах от 0,5С до 1С. Тут следует смотреть на инструкции производителя.

Если в процессе заряда увеличивается температура, это говорит о неправильно подобранном алгоритме зарядки. Либо имеются какие-то внутренние проблемы с АКБ. Во втором случае придётся обращаться к специалистам.

Выбор АКБ для автомобилей

Пока литиевый аккумулятор нельзя позиционировать как полноценно автомобильный. Имеющиеся недостатки заставляют задумать о том, насколько актуально применять подобные решения на машине.

Если вас заинтересовали литиевые аккумуляторы, тогда стоит обратить внимание на тип LifePo4. Они больше остальных подходят для машины, оснащённой обычным ДВС.

При подборе необходимо учитывать такие моменты.

• Ячейки литий-феррофосфатных АКБ со временем имеют свойство стареть. Это происходит из-за разрушения компонентов внутри. Ёмкость падает, сопротивление внутри растёт. На скорость состаривания сильно влияет зарядный и разрядный ток, температура и глубина возникающего разряда. Чтобы продлить срок службы литиевым аккумуляторам, используется BMS. Это электронная система управления, созданная для контроля состояния АКБ, защиты от перезарядки и повреждений ячеек в случае глубокого разряда. BMS выбирают с высоким током. Непрерывный зарядный ток должен составлять от 0,5С до 1С. Смотрите на непрерывный, а не максимальный ток. Хорошие АКБ обязательно имеют систему отключения при перегрузках, перегреве и перезаряде.
• Цена. В зависимости от конкретного типа литиевого аккумулятора и модели, разница между ними может составлять 2 раза. В сравнении с теми же свинцово-кислотными, последние дешевле в 2-4 раза. Дорогая — ещё не означает лучшая. Опирайтесь на характеристики.
• Скорость зарядки. Именно максимальная. Считается важной характеристикой. Дешёвые модели имеют около 0,3С. У дорогих это 1С. В зависимости от ситуации, порой лучше взять несколько недорогих АКБ, что более актуально для автомобилей. Это позволит снизить скорость зарядки и параллельно увеличит суммарную ёмкость АКБ.
• Работа без подзарядки. В отличие от тех же свинцово-кислотных моделей, литиевые открывают доступ к 100% своей ёмкости. Можно параллельно подключить сразу несколько АКБ. Это позволит без запуска двигателя долгое время включать разные потребители.
• Мощность от генератора. Параметр влияет на ёмкость и на подбор зарядного устройства. Генераторы в машинах обычно имеют мощность порядка 2000 Вт. Если в авто ставится лишь один дополнительный аккумулятор на 100 Ач, для его зарядки хватит устройства на 30 А. Так генератор будет заряжать дополнительную батарею с помощью тока на 25 А, а аккумуляторам передавать 350 Вт.

Как видите, в основном литиевые АКБ рассматриваются как дополнительные, а не как основные батареи в автомобилях. Но и это первый шаг, который может оказаться решающим.

При использовании литиевых АКБ требуется использовать специальные зарядные устройства, предназначенные для такого типа аккумуляторов.

Обычными ЗУ, которыми вы заряжаете свой свинцово-кислотный аккумулятор, зарядить литиевый не получится.

Особенности установки

Современный Li-ion автомобильный аккумулятор, то есть литий-ионный, завоевал популярность благодаря применению именно в электрокарах.

В отношении автомобилей с ДВС пока уместно говорить об использовании именно литий-феррофосфатных моделей.

Монтаж в машину предусматривает выполнение нескольких условий:

• При их установке важно сопоставить выбранные характеристики с параметрами и возможностями своего автомобиля. Если значения не будут соответствовать, система защиты, то есть BSM, попросту отключит АКБ.
• Если литиевая батарея будет получать заряд через генератор машины, здесь придётся приобрести и установить ещё одно дополнительное устройство в виде специального зарядника.
• Отрицательным проводником лучше использовать не корпус машины, а кабель, который идёт от минусовой клеммы сервисной АКБ к минусовой клемме стартовой батареи.
• Все кабели, соединённые с АКБ, требуется оснастить защитными предохранителями. Их рекомендуют располагать максимально близко к клемме на батарее.

Говорить о массовом внедрении литиевых батарей в обычные легковые машины, оснащённые ДВС, не приходится. Это перспективное, но пока ещё сырое и недоработанное решение.

Такие батареи стоят дорого, имеют ряд недостатков, предъявляют повышенные требования.

Как устроен Li-Ion аккумулятор?

Автономную работу всевозможных устройств,отмобильных гаджетов до персонального электротранспорта, обеспечивают аккумуляторы. С учетом необходимых значений емкости и напряжения, они объединяются в аккумуляторные батареи. Ключевые характеристики АКБ – емкость, напряжение, масса, время восполнения заряда, допустимый температурный режим – зависят от типа используемой химии.

Для автономного питания современной техники успешно используются литий-ионные аккумуляторы. Они имеют большой циклический ресурс, малый саморазряд, широкий температурный диапазон и солидную удельную емкость. Катод у таких элементов выполнен из производных лития, а заряд переносят ионы Li. Далее мы подробнее рассмотрим устройство Li-ion аккумуляторов и принцип их работы.

Как устроена литий-ионная батарея?

В основе конструкции литий-ионного аккумулятора– 2 составляющие: анод, выполненный из пористого углерода на фольге из меди, и катод – из оксида лития на фольге из алюминия. Их разделяет пористый сепаратор из полипропилена, обильно пропитанный электролитом, который выполняет функции проводника. Система находится в герметичном корпусе. Электроды подключены к токосъемникам. Некоторые аккумуляторы дополнительно имеют клапан-предохранитель для сброса внутреннего давления.

Пластины из меди и алюминия, смазанные электролитом и разделенные пористой прослойкой, обычно сворачиваются в рулон. В итоге получается элемент цилиндрической формы. При другом способе укладки пластин получаются изделия в форме призм и пакетов. Состав катода бывает разным: LiMn2O4, LiFePO4, LiCoO2,LiMnO2, LiMnRON, LiC6, LiNiO2и т.д.

Типы Li-ionаккумуляторов

В зависимости от используемого материала катода литиевые элементы бывают:

1. Литий-марганцевые (LiMn2O4, LNO). Имеют меньшее внутреннее сопротивление, высокую мощность и умеренную емкость – 100–150 Вт·ч/кг. Стандартные токи заряда и разряда – до 1С, но есть модели с С-рейтингом зарядки до 3С и С-рейтингом разряда до 10С, а в импульсном режиме – до 50С. Ресурс – около 500 циклов. Применяются такие накопители в электроинструменте, силовых агрегатах, медицинском оборудовании.
2. Литий-кобальтовые (LiCoO2, LCO). Имеют высокую энергоемкость (150–200 Вт·ч/кг), но уступают аналогам по термической стабильности и сроку службы (500–1000 циклов). Токи заряда и разряда для таких элементов не должны превышать 1С. Накопители энергии на основе кобальта встречаются все реже, но еще используются в мобильных телефонах, цифровых камерах, ноутбуках.
3. Литий-никель-марганец-кобальт-оксидные (NMC, NCM). Обеспечивают высокую мощность и емкость – 150–220 Вт·ч/кг, выдерживают 1000–2000 циклов. Стандартные токи заряда и разряда – 1С. Используются в медицинском и промышленном оборудовании, электровелосипедах и других видах электротранспорта.
4. Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидные (NCA). Отличаются высокой удельной энергоемкостью – 200–260 Вт·ч/кг. Имеют ресурс около 500 циклов, зарядные токи 0,7С и разрядные 1С. Обеспечивают автономное питание промышленного и медицинского оборудования, электрических силовых агрегатов и других устройств, требующих высокой емкости.
5. Литий-железо-фосфатные (LFP, LiFePO4). Отличаются большим ресурсом (более 2000 циклов), термической и химической стабильностью, высокой безопасностью эксплуатации и малым внутренним сопротивлением. Их удельная энергоемкость составляет 90–120 Вт·ч/кг, ток зарядки – 1С, ток разрядки – до 25С. Используются такие элементы питания в устройствах, для которых важна выносливость аккумов, способность работать на морозе и выдерживать высокие токи нагрузки.
6. Литий-титанатные (LiTi). Отличаются низким номинальным напряжением (2,4 В) и удельной энергоемкостью 70–80 Вт·ч/кг, но быстро заряжаются, имеют широкий температурный диапазон и ресурс 3000–7000 циклов. Номинальные токи зарядки 1С, максимум – 5С. Допустимые разрядные токи – 10С, а при импульсной подзарядке – 30С. Литий-титанатные элементы считаются самыми безопасными. Используются они в уличном освещении, ИБП, электротранспорте.

Как работает литиевый аккумулятор?

Принцип работы Li-ion аккумуляторов идентичен для элементов всех типов, независимо от материала катода.Когда на электроды подается напряжение – «плюс» на оксид лития и «минус» на графит – положительно заряженные ионы лития отцепляются от молекул оксида и переходят на углеродную пластинку. В результате протекает окислительная реакция, и аккумулятор заряжается.

При работе литиевого аккумулятора под нагрузкой протекает обратный процесс. Ионы Li + возвращаются на пластинку из оксида лития, в свое стандартное состояние. Графитовая пластинка на фольге из меди становится «минусом», а оксид лития на фольге из алюминия – «плюсом».

Особенности зарядкиLi-ionэлементов

Литий-ионные элементы питания чувствительны к перезаряду. На поверхности анода при чрезмерном заряде осаждается металлический литий. Он выглядит как мелкий мшистый осадок и способен вступать в реакцию с электролитом. На катоде при перезаряде активно выделяется кислород. Внешне это может проявляться в виде интенсивного нагрева, роста давления и разгерметизации элемента.

Заряжаются Li-ionаккумуляторы в 2 этапа:

1. При стабильном значении тока 0,2С–1С до рекомендованного производителем напряжения, обычно – 4,1–4,2 В. Длится эта стадия около 40 минут.
2. При неизменном напряжении. Процесс зарядки завершается, когда значение зарядного тока уменьшается до величины, составляющей 3% от начального значения.

Быстрее происходит зарядка в импульсном режиме.Но для продления срока службы литиевых элементов их рекомендуется заряжать током, номинал которого составляет 50% от значения емкости, т.е. 0,5С.

Защита литиевых аккумуляторов

Элементы питания на основе лития защищены от коротких замыканийвнутри системы, например, с помощью 2-слойного сепаратора. Один из его слоев выполняется не из полипропилена, а из аналога полиэтилена. При риске короткого замыкания, к примеру, если дендриты лития прорастают к катоду, защитный слой локально нагревается, частично плавится, становится непроницаемым и блокирует последующее прорастание дендритов.

Для защиты от избыточного заряда и глубокого разряда накопители энергии снабжаются специальными ограничителями – платами защиты по току и напряжению. Они не допускают выхода напряжения за границы рекомендованного диапазона и в критических ситуациях автоматически отключают элемент от питания или нагрузки.

Поэтому для безопасной работы элементов и аккумуляторных батарей важно использовать BMSплаты. В противном случае высок риск повреждения аккумуляторов и их преждевременного выхода из строя. Такой контроллер зарядно-разрядного процесса может устанавливаться и на отдельные аккумуляторы, и на собранную из них батарею.

Производство литиевых элементов питания

Сырье для основных элементов в схеме Li-ion аккумуляторов – катода и анода – имеет вид мелкофракционного черного порошка. Чем мельче частицы, тем больше получается эффективная площадь электродов. Оптимальная форма частиц – сферическая, с гладкими краями, т.к. неровности чувствительны к токовым нагрузкам.

Производственный процесс состоит из следующих этапов:

1. Порошковидные материалы наносятся в виде суспензии на фольгу. Аноды и катоды обычно производятся в различных цехах, чтобы обеспечить максимальную чистоту материалов. Металлическая фольга играет роль токоприемника.
2. Фольга с нанесенными материалами сушится, разделяется на полоски и складывается в несколько слоев. Процесс сворачивания строго контролируется, т.к. любые дефекты способны привести к коротким замыканиям внутри системы.
3. Между пластинами анода и катода зажимается сепаратор, обработанный электролитом.
4. Пластинки сворачиваются рулоном или по другой схеме и помещаются в корпус.

Готовые изделия проходят тестирование – контролируемый цикл заряда-разряда. Подзарядку начинают с минимального напряжения и с постепенным его повышением.Протестированные изделия заряжаются до оптимального уровня, чтобы исключить риск значительного падения напряжения из-за саморазряда, и поставляются в продажу.

Предыдущая статья нашего блога посвящена сигнализации для электровелосипедов.