Литиевые аккумуляторы для автомобиля

Литиевые АКБ известны довольно давно, однако, вплоть до последнего десятилетия, они практиковались главным образом как тяговые аккумуляторы, обслуживая электрокары, подъемники и аналогичную технику. И лишь не так давно появились стартовые аккумуляторные батареи, которыми оборудуют гибридные автомашины Toyota Prius C, Ford Fusion Hybrid и некоторых иных автомобильных марок. Эти батареи значительно легче классических кислотных, имеют большую емкость и другие плюсы. Тем не менее есть у них технологические особенности, которые препятствуют литиевым аккумуляторам выйти в массы.

Первые литиевые источники питания появились полвека назад. Эти изделия являли собой обыкновенную батарейку, в которой для увеличения уровня отдачи электрической энергии в качестве анода используется литий. Такая конструкция имела довольно высокие рабочие параметры, однако одним из наиболее серьезных минусов являлась высокая угроза возгорания лития при перегреве катода. Принимая во внимание это свойство, ученые впоследствии поменяли чистый элемент на ионы металла, благодаря чему существенно повысилась безопасность.

Современные литий-ионные (li-ion) батареи — это традиционные перезаряжаемые аккумуляторные батареи, в которых ионы лития перемещаются от «минусового» электрода к «плюсовому» электроду в процессе разрядки и обратно во время зарядки. Литий-ионные аккумуляторные батареи обширно распространены в бытовой электронике. Они считаются одним из наиболее востребованных видов источников питания для портативной электротехники, с одной из лучших энергетической плотностью, отсутствием «эффекта памяти» и медленной потерей зарядки, когда они не эксплуатируются (низкий саморазряд). Эта серия включает призматический и цилиндрический форм-фактор аккумуляторных батарей. Li-ion обладает наивысшей плотностью мощности среди любых АКБ старого вида. Небольшая масса и немалое число циклов зарядки-разрядки делает их оптимальным изделием для множества решений.

Литиевые аккумуляторные батареи обладают довольно внушительным списком положительных качеств. Однако имеются и отрицательные черты.

К достоинствам относятся следующие пункты:

• довольно длительный срок службы;

• медленное снижение емкости;

• устойчивые значения напряжения разрядки;

• нетоксичные, безопасные для внешней среды;

• разрядка протекает с маленькой скоростью;

• способны переносить довольно низкие температуры;

• минимальная предрасположенность к самовоспламенению и взрывам.

Наряду с этим, у литиевых АКБ для автотранспорта имеется ряд потенциальных недочетов, которые временно не дают возможность перейти на интенсивное использование в автомобилях.

Речь идет о следующих недостатках:

• чтобы иметь полноценный источник питания на 12 вольт (12,8), необходимо объединить 4 литиевых аккумуляторных батареи;

• высокая цена, которая превышает кальциевые и свинцово-кислотные аккумуляторы в 3-4 раза;

• невысокая устойчивость к минусовым температурам;

• в российских климатических условиях на морозе станут стремительно лишаться заряда;

• при заморозках производить зарядку таких батарей довольно непросто;

• при температуре ниже 0°C зарядка под запретом;

• при объединении нескольких аккумуляторов непременно используется плата балансировки;

• не терпят зарядку постоянным током, идущую от аккумуляторной батареи, и требуется устанавливать дорогостоящие вспомогательные платы защиты.

Как видим, недостатки весьма существенные.

Под литиевыми АКБ подразумевают сразу несколько типов аккумуляторов. В их числе следует выделить следующие.

Они же литий-ионные АКБ. Сегодня такие, как правило, можно встретить на электрокарах и на гибридных авто. Причем практикуются в качестве тяговых, а не стартерных аккумуляторов. Тут перемещение заряда производится заряженными ионами лития. «Минусовые» пластины первое время изготавливали из лития. Однако после технологии развивались, что дало возможность перейти на литейный кокс, а актуальным решением является графит.

Это литий-полимерные (другие наименования Li-polymer, LIP, Li-poly) батареи. Отличие от предыдущего вида только в том, что электролит тут полимерный, а не жидкий. Характеристики стали лучше.

Условное название – литий-железо-фосфатный. Сегодня это самый многообещающий тип аккумуляторов применительно к машинам с ДВС. Катод содержит фосфаты и железо. Имеет следующие преимущества:

• прекрасные эксплуатационные характеристики и медленное понижение емкости – даже через несколько лет эксплуатации его емкость больше, чем у Li-Ion прототипов;

• устойчивое напряжение на ячейки 3,2-3,3 В, при подсоединении всех 4-х приносит стандартное напряжение 12,8 В;

• кобальт в таких АКБ не практикуется, следовательно, батарея не причиняет вреда внешней среде;

• предельные точки более высокие по сравнению с аналогами;

• маленькая скорость разрядки;

• термостабильность – не перегревается, не взрывается;

• может функционировать в большом температурном масштабе.

Это вариация литий-ионных аккумуляторов. Выделяются в отдельную категорию они в силу того, что их «плюсовой электрод», анод, изготавливается из специализированного сплава – титаната лития (Li4Ti5O12). Материал имеет некристаллическую структуру, увеличивающую поверхность контакта с электролитом: один грамм обладает площадью 100 м2, что выигрышно отличает его от углерода с 3 м2. Это вещество гарантирует высокую плотность электротока. Это значимый параметр для АКБ. Практикуют титанатные аккумуляторы не только в электрическом транспорте в роли ключевого источника питания, но и в бензиновых авто как альтернативу обыкновенной АКБ для стартера, приборов освещения и так далее.

В процессе выбора LiFePo4 АКБ следует принимать в расчет следующие моменты.

• Возможности Battery Management System (BMS) по току, зависящие от емкости АКБ. Непрерывный ток зарядки для этого вида аккумуляторов равняется 50-100% от емкости, значит, уделяйте внимание конкретно характеристике непрерывного тока зарядки, а не предельно допустимому значению – оно бессмысленно без указания времени, в течение которого выполнялись надлежащие тестирования.

• Цена. Она может в несколько раз отличаться у двух похожих по параметрам литиевых аккумуляторов. Нередко сложно установить, до какой степени совершеннее более дорогая модификация, следовательно, смотреть только на стоимость не следует.

• Максимальная скорость зарядки – еще один важный момент при подборе литиевой АКБ. У недорогих образцов это значение может быть указано в рамках 0.3С (С – емкость аккумулятора), другими словами, для 100-амперного аккумулятора это будет 30 А. У моделей премиум-класса зачастую пишется значение в 1С. Необходимо понимать, что скорость заряда соразмерна току зарядки, точнее сказать, чем выше этот показатель, тем скорее будет совершаться возобновление емкости АКБ. Только тут допускаются нюансы. Допустим, если под капотом хватает места для монтажа еще одного 100-амперного бюджетного аккумулятора, то вы будете иметь в итоге 200 Ач за ту же сумму, что израсходуете на дорогостоящую модель, поступившись при этом быстротой зарядки.

• Время функционирования батареи. Свинцово-кислотные АКБ могут отдать лишь небольшую часть своего заряда, литиевые – все 100%, при этом можно практиковать несколько аккумуляторов, которые соединены параллельно. В такой ситуации время функционирования АКБ без подзарядки повышается ориентировочно на 25-30%.

• Мощность, получаемая АКБ от генератора. Эта характеристика влияет на емкость литиевой аккумуляторной батареи, и еще на выбор нужного зарядного приспособления. На современных автомобилях среднего и высокого ценовых сегментов установлены довольно мощные генераторы на 2000 Вт и более. Если в машине есть место лишь для одного недорогого 100-амперного литиевого аккумулятора, для подзарядки дополнительной батареи понадобится зарядное устройство номиналом 30 А. Генератор посредством его обретет возможность заряжать АКБ током в рамках 25 А, а в общей сложности тратить на основной и дополнительный источники питания приблизительно 350 Вт. Если практиковать аккумулятор емкостью 60 Ач, даваемая генератором мощность подрастет до 800 Вт.

Теперь поговорим о том, как заряжать АКБ, если речь идет о литиевом автомобильном источнике питания.

Для литиевых батарей имеются специализированные зарядники. Традиционные ЗУ для свинцово-кислотных аккумуляторов применить не выйдет. Эти АКБ характеризуются возможностью быстро накапливать электроэнергию. Иначе говоря, в теории на зарядку тратится меньше времени. Однако здесь имеется одна особенность. Электролиз не протекает мгновенно, а изменения электролита совершаются диспропорционально.

Не стоит повышать ток зарядки, чтобы форсировать процесс. По существу, на скорость это никоим образом не окажет влияния в случае с литиевыми АКБ. Получить нужное напряжение можно за небольшой отрезок времени, только придется еще дождаться абсолютного насыщения. Дело в том, что, чем выше ток заряда, тем скорее протекает процедура зарядки, однако тормозится процесс насыщения. Ток заряда подбирают на основе емкости. Заряжать литиевые аккумуляторы надо током 5% от емкости.

Если у вас символично АКБ имеет 80 Ач, тогда зарядка будет производиться током не 8 А, как это происходит для обыкновенных батарей, а лишь 4 А. Опираться надо и на инструкцию. Отдельные изготовители варьируют ток зарядки в границах от 5 до 10% от емкости. Поэтому здесь желательно изначально свериться с заводскими указаниями.