Литиевый аккумулятор для автомобиля: а нужен ли?

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.

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.

LiFePO4 аккумулятор в автомобиле

Литиевые аккумуляторные батареи чувствительны к величине тока и напряжения зарядки. Несоблюдение рекомендованных значений сокращает срок службы ячеек, уменьшает их емкость и может даже разрушить, причинив много дорогостоящих повреждений.

Источник зарядки аккумуляторов в автомобиле – это генератор двигателя. Стандартный регулятор автомобильного генератора настроен на 14,0-14,4 Вольта, что позволяет быстро заряжать стартовый аккумулятор и защищает его от сульфатации. Небольшой перезаряд для свинцово-кислотного аккумулятора не страшен, поэтому напряжение остается постоянным в течении всего времени работы двигателя.

Реле развязки соединяет стартовый и сервисный аккумуляторы. Но оно не обеспечивает литиевый аккумулятор правильным зарядным напряжением и не защищает его от высокого тока. Реле не увеличивает напряжение, если оно слишком низкое и не уменьшает его до безопасного уровня, когда оно слишком высокое. Полностью заряженный литиевый аккумулятор остается под тем же напряжением как и во время зарядки. Реле не ограничивает ток генератора, поэтому ток получаемый аккумулятором может в несколько раз превзойти безопасный уровень, определенный производителем. При такой схеме подключения литиевый аккумулятор заряжается неправильно и подвергается опасности во время эксплуатации

14,4 Вольта подходит и для заряда LiFePO4 аккумуляторов. Но заряженный на 100% литиевый аккумулятор не должен постоянно находится под таким напряжением. Оно опасно для батареи и может повредить ее во время продолжительной поездки.

Несовместимость между зарядным напряжением и требованиями LiFePO4 аккумулятора возрастает еще сильнее на автомобилях с двигателями Euro 5/6+. Напряжение на «интеллектуальном» генераторе во время движения колеблется от 12 до 16 Вольт, а значит прежде чем заряжать LiFePO4 аккумулятор напряжение нужно как-то выровнять. Необходимо промежуточное устройство, связывающее BMS аккумулятора с системой зарядки автомобиля.

Зарядное устройство устраняет недостатки реле. Ток, получаемый аккумулятором, ограничен номиналом устройства. Напряжение завит от состояния аккумулятора и изменяется по заданному алгоритму. Сначала зарядка аккумулятора идет максимальным током до 14,4 Вольт. После того как аккумулятор полностью зарядится напряжение уменьшается до 13,8 Вольт.

Задача буферного устройства обеспечить литиевый АКБ правильными профилями напряжения и тока. BMS же позаботится о безопасности ячеек и предотвратит неисправности, которые могут возникнуть. Промежуточное устройство – это управляемый микропроцессором DC-DC конвертер. Он поддерживает на выходе заданное стабильное напряжение и при слишком высоком, и при слишком низком напряжении генератора. Конвертер не только заряжает LiFePO4 аккумулятор по правильному алгоритму, но и ограничивает ток, не давая мощному автомобильному генератору повредить аккумуляторную батарею.

LiFEPO4

Еще один тип, про который я решил поговорить отдельно, считаю его самым перспективным из всех для установки под капот автомобиля.

LiFEPO4, LFP (литий-феррофосфат, либо литий-железо-фосфатный). Катод здесь другой, с применениями фосфатов и железа, основные плюсы:

• Длительный срок службы, медленнее теряет емкость (уже через пару лет он будет иметь большую емкость, чем Li-ion оппонент).
• Стабильное напряжение разряда, напряжение на ячейки 3,2-3,3В (если соединить 4 штуки, дает очень правильное напряжение 12,8В, как раз для автомобиля),
• Здесь нет применения «кобальта» (как в обычных Li-ion), а значит нет такой высокой токсичности и вреда окружающей среде
• Имеет более высокие пиковые токи (чем оппоненты)
• Меньшая скорость разряда
• Термическая стабильность, менее подвержен взрыву и возгоранию
• Переносит крайне низкие температуры, до -40,-50 градусов Цельсия

Есть конечно и минусы, например если сравнить новые элементы, но у него удельная плотность энергии будет ниже чем у обычного литиевого АКБ, примерно на 14-15%. Также для него обязательно нужно использовать платы защиты.

История создания литиевых АКБ

Первые модели литий-ионных аккумуляторных батарей появились в 70-х годах прошлого века. Аккумуляторы, выполненные на их основе, обладали серьезными проблемами, устранить которые удалось только к 90-м годам. Причиной подобных проблем была высокая активность лития: при высоком токе могло произойти воспламенение батареи, в связи с чем производители отказались от применения чистого лития, перейдя на его ионы, что дало наименование АКБ.

В сравнении с литиевыми аккумуляторами, литий-ионные обладают меньшей энергетической плотностью, но более безопасны при условии соблюдения режимов заряда и разряда. В их состав не входит металлический литий, а процесс разряда и заряда заключается в переносе с одного электрода на другой ионов лития.

Порядок зарядки

Li-ion аккумуляторы заряжаются в несколько шагов. Рассмотрим их.

Подготовка

Нужна, если напряжение на АКБ ниже некоторых запрограммированных параметров. И длительное хранение в бездействии, и активная эксплуатация приводят к саморазрядам.

Малые зарядные токи создают условия для постепенного выхода электродов повышенной активности на оптимальные в плане показателей напряжения уровни.

Подготовительный режим продлевает сроки службы элемента питания. Его рекомендуют применять для зарядки при низких температурах среды.

Первичный малотоковый заряд также гарантирует максимальную безопасность для АКБ. Если внутри батареи случилось микрозамыкание, напряжение в течение некоторого времени будет только увеличиваться.

Данное явление будет границей нормы или показателем неисправности, так что нужен дополнительный тест.

Сразу большой ток не пускают, чтобы не было чрезмерного разогрева и разгерметизации. Это опасно для всей системы, несмотря на наличие датчика температур, – он срабатывает не так оперативно, как резко прыгают температурные значения.

Функция малотокового заряда обычно возлагается не на зарядку, а на батарею СОФ. В схемах СОФов предусматривается резервный транзистор MOSFET, который управляет зарядом, ограничивает подключенный к АКБ ток.

Первый этап

Тут зарядка идет с номинальными значениями силы тока, зависящими от заданной емкости батареи. Потребители часто экономят время, делая ускоренную зарядку.

Чтобы не навредить устройству, нужно соблюдать рекомендации производителя.

Соответствующие значения, предельно допустимые параметры вы найдете в технической документации. Учитывайте, что чем больше зарядный ток, тем меньше батарея «наберет» емкость и тем пристальнее придется отслеживать разогрев для предотвращения перегревов.

Зарядка Li-ion элементов питания

При значительном токе заряда увеличивается время второго этапа (о нем мы расскажем далее), ток начинает падать до заданных значений.

У каждого элемента питания существует определенное сопротивление: если текущий показатель упадет ниже допустимого, конечное зарядное напряжение будет достигнуто быстрее.

По мере достижения конечного напряжения заряд перейдет на следующий этап – падение силы тока. Аккумулятор начнет «набирать» и терять емкость.

Номинальные и ускоренные режимы чередовать нужно обязательно, в особенности при зарядке батарей сложно наборного состава.

При номинальных показателях тока увеличивается длительность заряда. Продление продолжительности процедуры обеспечивает оптимальную балансировку АКБ.

Чем больше будет значение времени балансировки, тем лучших значений достигнут показатели емкости элементов питания. В результате батарея начнет отдавать близкую к номинальной при разрядке емкость.

Второй этап

Осуществляется при стабильных значениях напряжения, постоянно падающем токе. Процесс будет считаться завершенным в случае установления зарядного тока на отметках в 0.1-0.05 Сн.

Период зарядки падающими токами определяется с учетом времени работы, числа циклов по полной зарядке и разрядке. По завершении процесса номинальный ток упадет, достигнув равновесных значений.

Не держите батарею длительное время на конечном напряжении – когда начнется фаза падающих токов, остановите заряд.

Производство литий-ионных аккумуляторов может сразу осуществляться с учетом указанных параметров. Бренды выпускают на рынок полностью готовые к применению решения по схемотехнике, реализуют прописанные алгоритмы зарядки, помещая микросхемы в единый корпус. Самой часто используемой микросхемой является MC34063 на 12–24 В.

Финальный стэнд-бай этап

Применяется в тех случаях, когда АКБ должен быть в зарядном и находиться в состоянии полной эксплуатационной готовности.

Кратковременные подзаряды нужны для компенсации незначительных и неизбежных саморазрядов. Зарядка сработает тогда, когда показатель напряжения в сети резко упадет до отметки в 4,05 В на батарею, выключение произойдет при 4,20 В.

Зарядки, предназначенные для эксплуатации в режиме постоянной готовности либо ожидания, позволяют напряжению падать вплоть до 4,0 В из расчета на одну батарею, а уровень заряда повышать строго до 4,05, а не 4,20.

Соблюдение всех указанных выше этапов способствует продлению срока службы АКБ.

Утилизация старых АКБ

После замены аккумулятора электромобиля невольно возникает вопрос «А что же делать со старым?». К сожалению, однозначного ответа пока нет. Просто выбросить батарею на автосвалку кажется довольно глупым решением, поскольку в ней ещё остаётся запас ёмкости, пусть даже и недостаточный для использования на электромобиле.

Уже сейчас существуют программы, инициированные ведущими производителями электрокаров Теслой и Ниссан, позволяющие «переквалифицировать» старые литиевые АКБ в источники питания для дома. В совокупности с системой солнечных батарей такой вариант может стать достаточно интересным решением.

Правда, данная программа только набирает обороты, и говорить о её массовом применении ещё рано.

Так что пока отечественным владельцам электромобилей приходится включать народную смекалку и изобретать свои рецепты для «второй жизни» литиевых АКБ. И как знать, возможно, чья-то идея, воплощённая в домашнем гараже, и станет универсальным решением, которое раз и навсегда закроет вопрос утилизации аккумуляторов для электромобилей.

Сколько стоит литиевая батарейка?

Одними из самых дешевых элементов являются дисковые батарейки литиевые. В простонародье называемые литиевые батарейки таблетки применяются для энергоснабжения часов, весов, процессоров и других гаджетов с небольшим энергопотреблением. Стоимость «таблеток» начинается от 10 рублей и ограничивается лишь аппетитами производителей и дистрибьюторов.

Высшую же планку сложно определить из-за огромного разнообразия. Но можно сказать однозначно, что, как и на все технологические новинки стоимость снижается благодаря повышению эффективности производства и увеличения количества производителей.

Преимущества литиевых аккумуляторов

• Очень высокая плотность энергии. Превосходит в четыре раза свинцово-кислотные источники питания.
• Высокое напряжение клеток. Литий-ионная ячейка заменяет три ячейки NiCd или NiMH, которые обеспечивают только 1,2 вольта. Ученые в настоящее время работают над обеспечением более высокого напряжения в клетках. Чем больше напряжение в клетках, тем меньше клеток требуется. Это дает возможность сделать батарею легче и вместительнее.
• Переносят высокие токи разряда. Это позволяет работать автомобильным приборам, таким как холодный стартер или приводы для гибридных автомобилей с маленькой емкостью АКБ.
• Увеличивают мощность и производительность, в зависимости от требований.
• Имеют возможность быстрой зарядки.
• Отсутствует эффект памяти – полная разрядка не влияет на продолжительность срока службы.
• Низкая скорость саморазряда (от трех до пяти процентов в месяц, сохранят работоспособность до десяти лет).
• При заряде батареи на 100 % способна отдать энергию тока без технических повреждений.

Вариации базового химического состава (например, различные анодные и катодные материалы) позволяют разнообразить характеристики производительности для конкретных применений.

Также доступны батареи маленького размера. Материал электрода и керамические электролиты могут быть разделены на твердые (оксид алюминия/силикагель) или гибкие (акриловые волокна) подложки для производства энергии высокой плотности для тонких и плоских батарей.

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.

Процесс заряда и разряда литий-ионного аккумулятора

Итак, у нас есть разряженный аккумулятор

литий-ионный аккумулятор разряженный

Давайте же его зарядим. Для этого нам нужен какой-либо источник питания. Что произойдет в этот момент на самом литий-ионном аккумуляторе? Положительный полюс начнет притягивать электроны, «вытаскивая» их из оксида лития.

процесс зарядки литий-ионного аккумулятора

Поскольку электроны не могут проникать через электролит, то они движутся по внешней цепи через источник питания.

и в конце концов достигают графита

где очень удобно располагаются в слоях графита.

В этот же самый момент положительные ионы лития притягиваются отрицательным полюсом, проходя сквозь электролит и также попадают в графит, размещаясь между его слоями.

Когда все ионы лития достигнут графита и будут «захвачены» его слоями, батарея будет полностью заряжена.

Такое состояние батареи неустойчивое. Это можно представить как шар, который находится на самой верхушке холма и в любой момент может скатиться.

Вот мы и достигли первой цели: электроны и ионы лития отделены от оксида. Теперь надо как-то сделать так, чтобы электроны и ионы двигались разными путями. Как только мы подключим какую-либо нагрузку к нашему заряженному литий-ионному аккумулятору, то начнется обратный процесс. В этом случае ионы лития через электролит пожелают вернуться в свое изначальное состояние.

Поэтому они начнут двигаться обратно сквозь электролит, а электроны побегут через внешнюю цепь, то есть через нагрузку.

генерация электрического тока в литий-ионном аккумуляторе

Так как электрический ток – это не что иное, как упорядоченное движение заряженных частиц, то в цепи лампочки накаливания возникнет электрический ток, который заставит эту самую лампочку светиться.

Как только все электроны “убегут” из графита, то батарея полностью разрядится. Чтобы ее снова зарядить, достаточно поставить аккумулятор “на зарядку”.

разряженный литий-ионный аккумулятор

При этом графит сам по себе не участвует в химических реакциях – он лишь служит «складом» для ионов и электронов лития.

Li-ion, Li-Pol

Стоит отметить, что обе аббревиатуры в заголовке, относят эти аккумуляторы к «литиевым», но различающимся по наполнению (как материалов катода, так и электролита внутри).

НА заре таких батарей, как обычно внутрь помещали катодный материал (располагавшийся на алюминиевой фольге), а также анодный (на медной фольге). Между ними помещался специальный сепаратор, пропитанный жидким электролитом (он их разделял и был пористый).

Вся эта система помещается в герметичный корпус (зачастую это обязательно) нередко с клапаном сброса внутреннего давления, катод и анод подсоединены к клемма токосъемникам, которых выходят наружу.

Изначально в качестве отрицательных пластин применялся металлический литий, затем его заменили на каменноугольный кокс, и сейчас все больше распространен графит. После применения оксида кобальта батареи стали работать при значительно более низких температурах, причем повысилось количество разрядов/зарядов.

Литиевые батареи обязательно должны идти вместе с платами защиты типа BMS (Battery Management System), сейчас есть более продвинутые.

Li-ion аккумуляторы различаются по катодному материалу, есть два более распрастраненных, можно назвать классических:

• LiCoO2 (кобальт лития) + в качестве электролита твердые растворы на основе никелата лития
• LiMn2O4 (литий-марганцевая шпинель)

LiPol (литий полимерный, еще названия Li-polymer, LIP, Li-poly и т.д.). Отличие от Li-ion только в том, что у него полимерный электролит, в отличие от жидкого. Он имеет немного усовершенствованные характеристики, например — низкий саморазряд, большая плотность энергии на единицу массы, толщина элементов уже от 1мм, отсутствие эффекта памяти, можно производитель практически различные формы (в отличии от Li-ion). Могут работать до -20 градусов.

Особенности выбора литиевой АКБ для автомобиля

При выборе LiFePo4 аккумулятора необходимо учитывать следующие факторы:

Возможности BMS по току, зависящие от ёмкости батареи
Непрерывный ток заряда для этого типа АКБ составляет 50–100% от ёмкости, поэтому обращайте внимание именно на характеристику непрерывного тока заряда, а не на максимально допустимое значение – оно не имеет смысла без указания времени, на протяжении которого проводились соответствующие испытания. BMS должна также уметь отключать АКБ при перезаряде, предельных нагрузках, перегреве, при подаче слишком высокого напряжения.
Стоимость
Она может в разы различаться для двух схожих по характеристикам литиевых батарей. Зачастую трудно определить, насколько совершеннее более дорогостоящая модель, поэтому ориентироваться только на ценник не стоит.
Предельная скорость зарядки – ещё один важный фактор при выборе литиевого автомобильного аккумулятора. У бюджетных моделей этот показатель может указываться в пределах 0.3С (С – ёмкость батареи), то есть для 100-амперной АКБ это будет 30 А. У премиальных моделей часто указывается значение в 1С

Важно понимать, что скорость зарядки пропорциональна току заряда, то есть чем больше этот показатель, тем быстрее будет происходить восстановление ёмкости аккумулятора. Но здесь возможны нюансы

Скажем, если в моторном отсеке достаточно места для установки ещё одной 100-амперной бюджетной батареи, то вы получите в итоге 200 А*час за те же деньги, что потратите на дорогую модель, пожертвовав при этом скоростью зарядки.
Время работы АКБ. Свинцово-кислотные батареи способны отдать только малую часть своего заряда, литиевые – все 100%, причём можно использовать несколько АКБ, соединённых параллельно. В этом случае время работы батареи без подзарядки увеличивается примерно на 25–30% (не удваивается!);
Мощность, получаемая батареей от генератора. Данный параметр оказывает влияние на ёмкость литиевого аккумулятора, а также на выбор подходящего зарядного устройства. На современных легковых авто среднего и высокого ценового уровня стоят очень мощные генераторы, на 2000 Вт и больше. Если в автомобиле имеется место только для одной бюджетной 100-амперной литиевой батареи, для зарядки дополнительного источника питания потребуется зарядное устройство номиналом 30 А. Генератор с его помощью получит возможность заряжать батарею током в пределах 25 А, а всего расходовать на основную и дополнительную АКБ примерно 350 Вт. Если использовать АКБ ёмкостью 60 А*час, отдаваемая генератором мощность вырастет до 800 Вт.

Ставить в автомобиль дорогой и мощный LiFePO4 аккумулятор имеет смысл, если все три главные характеристики (допустимый ток заряда АКБ, номинал по току ЗУ и мощность генератора) соответствуют друг другу.

Так, если автомобиль оснащён генератором мощностью 1500 Вт, при номинале ЗУ в 120 А батарея ёмкостью 100 А*час и показателем тока заряда 0.5С будет неподходящей – зарядный ток для неё будет слишком высоким, она будет греться, что недопустимо. Но если ток заряда будет иметь рейтинг 1С, то таких проблем не возникнет.