Эффективность литий ионных аккумуляторов

Почему стоит переплатить за литиевый аккумулятор

Перед теми, кто задумался о сборке электровелосипеда своими руками, довольно часто встаёт вопрос выбора типа аккумулятора. И первое, что приходит в голову — использовать свинцово-кислотный аккумулятор. Причины такого выбора на первый взгляд очевидны — низкая стоимость и простота конструкции (не требуется плата управления BMS).

Однако есть весомые аргументы, которые могут побудить вас отказаться от использования свинцового аккумулятора в пользу литий-ионного. Давайте разберём их по порядку.

1. Разница в весе

Не секрет, что свинцовые аккумуляторы весят больше литий-ионных, но часто этому не придают значения, ставя в приоритет преимущество в цене. Тем не менее, для электровелосипеда низкий вес может оказаться важнее цены, так как его вы будете поднимать и спускать по лестнице (возможно даже каждый день), а иногда загружать в автомобиль для транспортировки.

Кроме того, дополнительный вес не лучшим образом сказывается на динамике разгона и торможения. Больше вес — выше инерционность — значительнее износ тормозных колодок. Также применение тяжёлых свинцовых аккумуляторов увеличивает нагрузку на раму и систему подвески велосипеда.

Рассмотрим, к примеру, аккумулятор на 36 В ёмкостью 7-7,5 Ач. Свинцово-кислотное исполнение представляет собой три последовательно соединённых аккумулятора по 12 В 7Ач, а литий-ионный вариант — 30 ячеек типоразмера 18650 по 2500 мАч и плата BMS, весом около 100 грамм.

2,5 Ач 3,6 В 0,05 кг

3S1P (3 элемента)

10S3P (30 элементов)

Вес готовой батареи

Из таблицы видно, что вес свинцового аккумулятора превосходит вес литий-ионного более чем в 4 раза, и эта разница будет влиять на эксплуатационные характеристики велосипеда, в том числе на запас хода на одном заряде.

Стоит также учесть, что в случае, если вы забыли зарядить батарею перед поездкой, возвращаться на педалях со свинцом на борту будет гораздо тяжелее.

2. Плотность энергии

Литий-ионные аккумуляторы по плотности энергии превосходят свинцовые в несколько раз. В нашем случае свинцово-кислотный аккумулятор имеет абсолютную ёмкость 252 Втч (7 Ач * 36 В) при весе 6,9 кг. То есть плотность энергии составляет 36,5 Втч/кг.

В то же время, литий-ионный аккумулятор при абсолютной ёмкости 270 Втч (7,5 Ач * 36 В) весит 1,6 кг, то есть его плотность энергии составляет 168 Втч/кг, что превосходит значение свинцового аккумулятора более чем в 4 раза.

3. Срок службы и ТО

При эксплуатации аккумулятора его ёмкость постепенно снижается, и скорость этого снижения зависит сразу от нескольких факторов, среди которых глубина разряда, температура эксплуатации и другие.

Срок службы аккумулятора, при соблюдении правил его хранения и эксплуатации, определяется количеством циклов заряда-разряда. Для свинцово-кислотных батарей эта характеристика находится в диапазоне от 200 до 1000 циклов, у литий-ионных аккумуляторов — в диапазоне от 1000 до 4000 циклов.

Кроме этого, свинцовые батареи имеют более высоких саморазряд, и требуют периодического обслуживания — подзарядки и корректировки плотности электролита. Литий-ионные батареи практически не требуют обслуживания, так как функцию балансировки, то есть выравнивания напряжений на ячейках, выполняет плата управления батареей (BMS, Battery Management System).

4. Эффективность (КПД)

Коэффициент полезного действия свинцовых аккумуляторов при правильной эксплуатации составляет около 80-90%. Другими словами, если на зарядку батареи потрачено 100 Вт энергии, то на разряде она отдаст только 80-90 Вт.

У литий-ионных батарей этот параметр достигает 95-97%, то есть практически вся энергия, затраченная при заряде, будет возвращена при подключении нагрузки.

5. Ток заряда и время полной зарядки

Оптимальным током заряда для свинцовых аккумуляторов считается ток, равный 10% от ёмкости аккумулятора в ампер-часах (0,1С), то есть в рассмотренном выше случае при ёмкости 7 Ач оптимальный зарядный ток составит 0,7 А. При быстрой зарядке допускается ток 0,2С (в нашем случае 1,4 А). В обоих случаях ближе к концу процесса зарядки этот ток должен быть уменьшен.

Для литий-ионных аккумуляторов ток заряда лежит в пределах от 0,2С до 1С (при быстрой зарядке), то есть при ёмкости аккумулятора 7 Ач он составит от 1,4 А до 7 А. Заряд осуществляется сначала постоянным током, а затем, при достижении верхнего напряжения, ток постепенно снижается.

В большинстве случаев на полную зарядку свинцового аккумулятора требуется 8-16 часов времени, на зарядку литий-ионного — всего 2-4 часа. Это преимущество по времени позволяет существенно подзарядить литий-ионную батарею даже во время остановки в кафе на обед, если вы отправились в дальнее путешествие.

6. Влияние высоких температур

При эксплуатации в условиях высоких температур происходит быстрая деградация аккумулятора. Но что подразумевается под понятием высокой температуры и откуда она берётся?

При подключении к аккумулятору нагрузки, например, в виде электродвигателя велосипеда, через него начинает протекать ток. Каждый аккумулятор имеет своё внутреннее сопротивление. Соответственно, протекание тока приводит к постепенному нагреву аккумулятора — конечно, в зависимости от силы тока. Чем мощнее нагрузка (выше ток), тем быстрее происходит нагрев.

Если нагрузка слишком высокая для данного аккумулятора, он довольно быстро нагревается, и начинается процесс его ускоренной деградации. Результатом этого процесса является существенное снижение ёмкости аккумулятора, и как следствие, необходимость его последующей замены.

Для свинцового аккумулятора деградация начинается при превышении температуры 25 градусов, для литий-ионного — при превышении 45 градусов по Цельсию.

Заключение

Давайте подведём итог всему вышесказанному. Если вы уже приняли решение использовать свинцово-кислотный аккумулятор на электровелосипеде, используйте. Но если всё-таки аргументы, приведённые в данной статье, вас переубедили, и склонили к приобретению литий-ионного аккумулятора, вы определённо останетесь довольны его значительно меньшим весом, компактными габаритами, отсутствием потребности в обслуживании, более длительным сроком службы и скоростью зарядки.

Кстати, если сравнить разницу в денежном выражении, получим следующее. Три свинцовых аккумулятора обойдутся в сумму около 5 тысяч рублей. Сборка батареи заключается только в последовательном соединении этих аккумуляторов.

Литий-ионную батарею на 7,5 Ач 36 В лучше приобретать в собранном виде, и она обойдётся вам в сумму около 10 тысяч рублей (из Китая дешевле, но дольше, при сомнительном качестве и без гарантии). Это в 2 раза дороже свинцово-кислотного исполнения, но она обладает довольно существенными преимуществами.

Кроме того, литий-ионные аккумуляторы можно приобрести сразу с корпусом, предназначенным для установки на раму велосипеда, и с зарядным устройством в комплекте. Это позволит сократить время сборки, обеспечит надёжную работу батареи и безопасность при эксплуатации.

Если статья Вам понравилась, или даже оказалась полезной, подписывайтесь на наш канал в Яндекс.Дзен. Впереди будет ещё больше интересного!

Источник

Li-Ion аккумуляторы — правда и мифы.

2.5 В Li-Ion аккумулятор начинает очень быстро деградировать, и даже одна такая разрядка может существенно (до 10%!) уменьшить его емкость. К тому же при разряде до такого напряжение штатным зарядником зарядить его уже не получится — при падении напряжения ячейки аккумулятора ниже

3 В «умный» контроллер отключит ее как поврежденную, а если такие ячейки все — аккумулятор можно нести на помойку.
Но тут есть одно очень важное но, о котором все забывают: в телефонах, планшетах и других мобильных устройствах рабочий диапазон напряжений на аккумуляторе это 3.5-4.2 В. При опускании напряжения ниже 3.5 В индикатор показывает ноль процентов заряда и аппарат выключается, но до «критических» 2.5 В еще очень далеко. Это подтверждается тем что если подсоединить к такому «разряженному» аккумулятору светодиод то он может гореть еще долгое время (может кто-то помнит что раньше продавались телефоны с фонариками, которые включались кнопкой независимо от системы. Так вот там лампочка продолжала гореть и после разрядки и выключения телефона). То есть как видно при штатном использовании разрядки до 2.5 В не происходит, а значит разряжать акум до нуля процентов вполне можно.

Миф второй. При повреждении Li-Ion аккумуляторы взрываются.
Все мы помним «взрывной» Samsung Galaxy Note 7. Однако это скорее исключение из правил — да, литий очень активный металл, и взорвать его в воздухе нетрудно ( а в воде он и сам очень ярко горит). Однако в современных аккумуляторах используется не литий, а его ионы, которые куда менее активны. Так что чтобы произошел взрыв нужно сильно постараться — или повредить заряжающийся аккумулятор физически (устроить короткое замыкание), или заряжать очень высоким напряжением (тогда он сам повредится, однако скорее всего контроллер банально сгорит сам и не даст заряжать аккумулятор). Поэтому если у вас вдруг в руках оказался поврежденный или дымящийся аккумулятор — не стоит бросать его на стол и убегать из комнаты с криками «мы все умрем» — просто положите его в металлическую тару и вынесите на балкон (чтобы не дышать химией) — аккумулятор будет тлеть какое-то время и потом потухнет. Главное — не заливать водой, ионы конечно менее активные чем литий, но все же какое-то количество водорода при реакции с водой так же выделится (а он любит взрываться).

Миф третий. При достижении на Li-Ion аккумуляторе 300(500/700/1000/100500) циклов он становится небезопасен и его нужно срочно менять.
Миф, к счастью все меньше и меньше гуляющий по форумам и не имеющий под собой вообще никакого физического или химического объяснения. Да, во время эксплуатации электроды окисляются и коррозируют, что уменьшает емкость аккумулятора, но ничем кроме меньшего времени автономной работы и нестабильного поведения на 10-20% заряда это вам не грозит.

Миф четвертый. С Li-Ion аккумуляторами нельзя работать на морозе.
Это скорее рекомендация, чем запрет. Многие производители запрещают использовать телефоны при отрицательное температуре, да и многие сталкивались с быстрым разрядом и вообще отключением телефонов на холоде. Объяснение этому очень простое: электролит — это водосодержащий гель, а что происходит с водой при отрицательных температурах все знают (да, она замерзает если что), тем самым выводя некоторую область аккумулятора из работы. Это приводит к падениею напряжения, а контроллер начинает считать это разрядкой. Аккумулятору это не полезно, но и не смертельно (после нагрева емкость вернется), так что если вам позарез нужно пользоваться телефоном в мороз (именно пользоваться — достать из теплого кармана, посмотреть время и спрятать назад не считается) то лучше зарядите его на 100% и включите любой процесс, нагружающий процессор — так охлаждение будет происходить медленнее.

Миф пятый. Вздувшийся Li-Ion аккумулятор опасен, его нужно срочно выкинуть.
Это не совсем миф, скорее предосторожность — вздувшийся аккумулятор может банально лопнуть. С химической точки зрения все просто: при процессе интеркаляции происходит разложение электродов и электролита, в результате чего выделяется газ(так же он может выделяться и при перезарядке, но об этом чуть ниже). Но его выделяется крайне мало, и чтобы аккумулятор казался вздутым должно пройти несколько тсотен (если не тысяч) циклов перезарядки (если конечно он не бракованный). Проблем избавиться от газа нет — достаточно проткнуть клапан (в некоторых аккумуляторах он сам открывается при избыточном давлении) и стравить его (дышать им не рекомендую), после чего можно замазать дырку эпоксидной смолой. Конечно былую емкость это аккумулятору не вернет, но хотя бы теперь он точно не лопнет.

Миф шестой. Li-Ion аккумуляторам вреден перезаряд.
А вот это уже не миф, а суровая реальность — при перезарядке велик шанс что аккумулятор вздуется, лопнет и загорится — поверьте, мало удовольствия быть забрызганным кипящим электролитом. Поэтому во всех аккумуляторах стоят контроллеры, банально не дающие зарядить аккумулятор выше определенного напряжения. Но тут надо быть крайне осторожным в выборе аккумулятора — контроллеры китайских поделок зачастую могут сбоить, а фейерверк из телефона в 3 часа ночи думаю вас не обрадует. Разумеется, такая же проблема есть и в брендовых аккумуляторах, но во-первых там такое случается гораздо реже, а во-вторых вам по гарантии поменяют весь телефон. Обычно этот миф порождает следующий:

Миф седьмой. При достижении 100% нужно снимать телефон с зарядки.
Из шестого мифа это кажется разумным, но на деле нет смысла вставать посреди ночи и снимать устройство с зарядки: во-первых сбои контроллера крайне редки, а во-вторых даже при достижении 100% на индикаторе аккумулятор еще некоторое время дозаряжается до самого-самого максимума низкими токами, что добавляет еще 1-3% емкости. Так что на деле не стоит так сильно перестраховываться.

Миф восемь. Заряжать устройство можно только оригинальным зарядником.
Миф имеет место быть по причине некачественности китайских зарядников — при нормальном напряжении в 5 +- 5% вольт они могут выдавать и 6, и 7 — контроллер, конечно, какое-то время будет сглаживать такое напряжение, однако в будущем оно в лучшем случае приведет к сгоранию контроллера, в худшем — к взрыву и (или) выходу из строя материнской платы. Бывает и обратное — под нагрузкой китайский зарядник выдает 3-4 вольта: это приведет к тому что аккумулятор не сможет зарядиться полностью.

Как видно из целой кучи заблуждений далеко не все имеют под собой научное объяснение, и еще меньше реально ухудшают характеристики аккумуляторов. Но это не значит что после прочтения моей статьи нужно бежать сломя голову и покупать дешевые китайские аккумуляторы за пару баксов — все-же для долговечности лучше взять или оригинальные, или качественные копии оригинальных.

Источник

Плюсы и минусы литий ионных аккумуляторов

Литий-ионные аккумуляторы – универсальные химические источники тока, отличающиеся легким весом, низкой саморазрядкой и отсутствием «эффекта памяти». Они не требуют обслуживания и при соблюдении правил эксплуатации совершенно безопасны в использовании. Наиболее распространенные классы Li-Ion аккумуляторов – литий-марганцевые LiMn2O4, кобальт-литиевые LiCoO2, литий-ферро-фосфатные LiFePO4.

Многочисленные преимущества литиевых аккумуляторов обеспечили им хорошие оценки экспертов и высокую популярность при оснащении портативной и автономной электротехники, где предъявляются особые требования к компактности и эргономичности АКБ. Есть у литий-ионных аккумуляторных батарей и недостатки, но все они компенсируются высокой плотностью накопленной энергии.

Плюсы литий ионных аккумуляторов

Рассматривая плюсы и минусы литиевых аккумуляторов, выделим вначале положительные качества таких АКБ. Прежде всего, это:

• высокая плотность накапливаемой энергии и разрядных токов;
• выдача более высокого напряжения (по сравнению с аккумуляторами типов NiCd и NiMH);
• постоянная готовность к эффективной эксплуатации;
• минимальный саморазряд – 4–6% за месяц, 10–20% за год;
• отсутствие «эффекта памяти» – возможность регулярной небольшой подзарядки;
• отсутствие необходимости в «тренировке » после приобретения – полностью заряжать, а потом полностью разряжать литиевые батареи после покупки не нужно;
• широкий диапазон рабочих температур – от -20 до + 50 °С;
• эффективное сохранение накопленной энергии потеря не более 5% накопленной емкости в месяц;
• возможность создания Li-Ion аккумуляторов различных форм и размеров;
• легкий вес;
• возможность длительного хранения в условиях, рекомендованных производителем;
• незначительное старение без регулярной эксплуатации – до 20% в год;
• большой эксплуатационный ресурс порядка 10 лет;
• существенный запас рабочих циклов разряд-заряд более 1000;
• простота в уходе и использовании.

Недостатки Li-Ion аккумуляторов

Минусы литий ионных аккумуляторов немногочисленны:

• относительная дороговизна;
• низкая устойчивость к избыточному заряду и полному разряду поэтому умные Li-Ion батареи оснащаются встроенными системами автоматического отключения;
• небезграничный диапазон рабочих температур (от -20 до + 50 С) ухудшение работы при высоких температурах, снижение емкости при использовании на морозе;
• затрудненность зарядки при отрицательных температурах;
• взрывоопасность при повреждении корпуса проколе или другом нарушении герметичности;
• зависимость срока службы от времени, а не от числа циклов разрядки и зарядки с течением времени происходит постепенная потеря емкости.

Рекомендации по эксплуатации литиевых аккумуляторов

Чтобы продлить срок службы литиевого аккумулятора и повысить эффективность его работы, нужно следовать простым рекомендациям:

• избегать полного разряда АКБ, регулярно подзаряжать ее при падении уровня заряда до 20%;
• не допускать перегрева батареи и воздействия на нее прямых солнечных лучей;
• не использовать аккумулятор на сильном морозе, для эксплуатации зимой утеплить его;
• хранить литий-ионный аккумулятор с 50% уровнем заряда, при температуре 0 С;
• беречь АКБ от ударов, повреждений и сильной вибрации, при установке на электротранспорт подкладывать мягкую прослойку.

О том, как восстановить литий-ионный аккумулятор после глубокого разряда, читайте здесь.

Источник