Литиевый аккумулятор вместо свинцового

Почему в машинах до сих пор не используют литий-ионные аккумуляторы?

В 2020 году свинцово-кислотным аккумуляторам исполнилось 160 лет. Именно эти АКБ используются в автомобилях уже не одно десятилетие. Более того, несмотря на «агрессивную экспансию» литий-ионных батарей на рынке в самых разных областях техники, автомобильная отрасль продолжает «держаться за традиции» и массово применять именно свинцово-кислотные аккумуляторы.

И здесь впору спросить: почему кто-то тормозит прогресс и тормозит ли его на самом деле?

Свинцово-кислотный аккумулятор появился благодаря изысканиям французского профессора физики и электротехника Гастона Планта. Долгое время свинцовые батареи оставались едва ли не единственными эффективными, однако несколько десятилетий назад произошла литий-ионная революция в электротехнике. «Молодежь» превзошла своих кислотных «дедушек» по большинству параметров, начала стремительно захватывать рынок через самые разные области техники и производства, но так и не смогла пробиться на автомобильный рынок. Почему так? Неужели здесь действует какой-то заговор.

Прежде всего стоит понять, для чего в современном автомобиле нужен аккумулятор. Десятилетия назад карбюраторные авто можно было заводить даже без аккумулятора, покрутив ручку или толкнув как следует свою «ласточку». Однако, прогресс не стоял на месте, и электротехника в машинах становилась все более сложной, насыщенной на детали и функции, а вместе с тем она становилась и все более требовательной к наличию мощного и стабильного источника питания. Современный автомобиль проблематично (а часто и вообще невозможно) завести даже с буксира.

При этом оказавшись в магазине автомобильных аксессуаров, будет несложно наткнуться на компактные литий-ионные банки энергии для экстренной зарядки АКБ автомобиля. Когда смотришь на такую крошку, в голове проносится только одна мысль: почему такое чудо до сих пор не стоит в каждом автомобиле? На самом деле никакого заговора вокруг аккумуляторов нет. Есть три серьезные проблемы с полномасштабным внедрением «лития».

Проблема первая – масштабы производства. На самом деле литий-ионные аккумуляторы для автомобилей существуют уже не первое десятилетие. Вот только ставятся они (в большинстве случаев) на всякие McLaren, Mercedes S-klasse, Porsche Cayman, Boxster Spyder и т.п. На сегодняшний день в мире натуральная нехватка литий-ионных батарей. Но бОльшая часть «лития» идет на рынок всевозможных гаджетов, сторонние производители почти не выпускают подобные АКБ для автомобилей. Те батареи на литии, что есть, зачастую производятся самими Porsche и BMW.

Проблема вторая – цена и технические сложности. Здесь все объясняется словами «классика»: «Нельзя просто так взять и впихнуть в Жигули литий-ионный аккумулятор». Литий-ионная батарея требует иной электротехники и программного обеспечения. На сегодняшний день все это не применимо для потребительских авто. Слишком дорого. Дороги и сами литий-ионные автомобиль аккумуляторы и создание условий для их работоспособности. Тем не менее, если очень хочется, то перевести на «литий» можно любую машину. Правда стоит это будет немало.

Проблема третья – холод. Литий-ионные аккумуляторы совсем не дружат не только с холодом и морозом, но и с любыми перепадами температуры в принципе. Установка литий-ионной батареи в авто требует дополнительной системы утепления и вентиляции. А это в свою очередь приводит к удорожанию и усложнению производства. Таким образом, когда речь заходит о серийном выпуске потребительских авто, вновь оказывается, что «дедовский» свинцово-кислотный аккумулятор банально рентабельней, несмотря на все свои недостатки.

Тем не менее, нельзя не признать, что прогресс не стоит на месте. В последнее десятилетие литиевая технология ушла далеко вперед, в том числе и в вопросах защиты от холода. Рано или поздно придет тот день, когда эта или еще более продвинутая технология батарей – емких, эффективных и легких сможет окончательно вытеснить с рынка созданные 160 лет назад кислотные аккумуляторы. Тем более, что уже сегодня литий-ионные АКБ широко применяются в мототехнике.

Источник

ЛИТИЕВЫЙ АКБ ВМЕСТО СВИНЦОВОГО 12 В

Многие используют в составе некоторых устройств популярный свинцово-кислотный аккумулятор 12 В 7,2 Ач. Эту батарею можно найти во многих устройствах, от детских электромобилей до ИБП, или системах поддержки напряжения важных устройств, в случае сбоя питания. Почему он так популярен? Цена — это его главное преимущество и, наверное, единственное.

Свинцово-кислотный аккумулятор был изобретен в 1850 году. Все последующие модификации, улучшения, дополнения и изменения, как правило не меняют химический состав вырабатывающий электрическую энергию. Аккумуляторы этого типа обычно называются кислотными, AGM, гелевыми — это все те же свинцово-кислотные аккумуляторы, которые имеют больше недостатков, чем преимуществ. Такая батарея любит всегда подзаряжаться, не любит разряжаться, имеет очень плохое отношение веса к накопленной энергии, после разряда очень быстро происходит сульфатация или повреждение пластин. Её жизнь довольно коротка, около 4-7 лет, количество рабочих циклов составляет всего 200-400 (есть производители которые дают 1000, но это выдумка).

Хуже всего в такой батарее непредсказуемость, то есть вы никогда не уверены, когда она откажется держать ток. При работе с такими устройствами как ИБП, (а иногда от надежности устройства могут зависеть жизни людей — медицинское оборудование) производители требуют замены, например, каждые 4 года, на всякий случай, независимо от состояния батареи.

Технический прогресс делает свое дело и уже выпускаются новые и лучшие АКБ. Имея аккумуляторы LiFePO4, решено было использовать их для создания батареи, которая совместима с типичными размерами 12 В 7,2 Ач (151 х 65 х 92 мм) и должна быть намного лучше по параметрам. Выбраны цилиндрические батареи LiFePO4 с размерами 32 х 70 мм, заявленная производителем емкость 7000 мА/ч и ток разряда 35 А.

Такой размер вмещает 8 штук этих батарей. Одна батарея LiFePO4 генерирует номинальное напряжение 3,2 В, что при подключении в сборке по 4 дает 12,8 В. Это напряжение аналогично напряжению свинцово-кислотного аккумулятора 12,6 В. Для создания батареи было выбрано 8 штук, которые объединены в 2 параллельных элемента по 4. Оригинальные провода были слишком тонкими, поэтому были укорочены настолько, насколько это возможно.

Конечно сборка требует использования электроники для управления зарядкой и разрядкой, обычно называемой BMS. BMS должна быть со схемой балансировки (выравнивание напряжения ячеек). Все что остаётся, это соединить правильно элементы.

Испытания нового аккумулятора

Теперь испытания. Нагрузка составляет 4 галогенные лампы мощностью 50 Вт, что дало более 210 Вт. Результаты проверки на графике далее. Min — это минуты. Разрядный ток — 1,5С.

График напряжение / время

Даже если предположить, что заявленная долговечность составляет 2000 циклов по паспорту, аккумулятор прослужит долгие годы.

Расходы на переделку АКБ

А теперь расходы. Свинцово-кислотная батарея стоит всего 1000 рублей, а хорошая — более 2000. Использованные тут литиевые батареи составили 2000 руб. BMS 300 руб. Все остальные мелочи для сборки ещё 200, всего это 3000 рублей. То есть не особо и дороже — зато выигрыш по характеристикам очевиден.

Зарядка проводится током 1-2 А, что совсем не приводит к нагреву элементов, лишь когда они разряжаются током 15 А, то через 30 минут слегка нагреваются.

Переделанный АКБ можно использовать везде, где стояли изначально свинцово-кислотные, возможно нужно будет только изменить зарядное устройство.

Форум по обсуждению материала ЛИТИЕВЫЙ АКБ ВМЕСТО СВИНЦОВОГО 12 В

Что означают термины переключатель, тумблер и кнопка — в чём главные различия и особенности применения каждого из них.

Теория работы импульсных источников питания и варианты схемотехники.

Радиоприемники — обзор базовых конфигураций приёмной аппаратуры, этапы развития схемотехники.

Источник

Почему вместо тяжелых свинцовых аккумуляторов мы не используем маленькие и легкие литиевые

Батареи на основе лития сегодня повсюду – они практически вытеснили все остальные типы аккумуляторов. Однако традиционный автомобиль с двигателем внутреннего сгорания упорно сопротивляется «литиевой экспансии», по-прежнему используя для запуска мотора классические свинцово-кислотные батареи, которым, кстати, в этом году исполнилось 160 лет! Почему так происходит?

160 лет назад, благодаря парижскому профессору физики, электротехнику Гастону Планту, появился первый свинцово-кислотный аккумулятор – знакомая каждому в наши дни деталь любого автомобиля. Когда автомобильный век вошел в свои права, «свинец» долгие годы удерживал монополию под капотом, будучи оптимальным типом химического источника тока с величиной, достаточной для вращения стартера ДВС.

Однако литиевые батареи (технологий батарей с катодами на основе соединений лития достаточно много, на мы сейчас не будем углубляться в нюансы и все их поименуем для простоты «литиевыми») превзошли своих свинцовых дедушек, обеспечивая те же параметры емкости и токоотдачи в существенно меньшем весе и объеме. Почему же до сих пор на прилавках магазинов автозапчастей мы не видим литиевых стартерных батарей? Попробуем разобраться!

Для чего вообще нужен аккумулятор в автомобиле?

Этот вопрос может показаться странным – вроде бы тут всё и ежику понятно. Однако значение аккумулятора не всегда было одинаковым…

Возьмем сперва для примера простенький старый автомобиль – типа всем известной «копейки-жигулей». В принципе чтобы поехать на таком авто, 12-вольтовая батарея нужна фактически только для запуска мотора – питания стартера и начального кратковременного питания обмотки возбуждения генератора. После начала устойчивого вращения коленвала стартер выключается, а генератор переходит в режим «самоподхвата» – то есть обмотка возбуждения начинает питаться от того же напряжения, что он сам и вырабатывает. Все энергообеспечение машины, от зажигания до освещения, взял на себя генератор, и аккумулятор больше в процессе не участвует. Если теперь батарею отключить, или даже вообще выкинуть из-под капота, двигатель продолжит стабильную работу и без нее.

При наличии же «кривого стартера» простейшие карбюраторные машины фактически и вовсе могли обходиться без полноценного аккумулятора – для езды было бы достаточно маленькой и маломощной батарейки с напряжением 5-10 вольт, отдающей ток 3-5 ампер и необходимой лишь для того, чтобы кратковременно подать напряжение на обмотку возбуждения генератора во время верчения заводной рукоятки.

Впрочем, подобный пионерский минимализм – езда без аккумулятора – был возможен (да и то с оговорками) лишь на авто с предельно примитивным электрооборудованием без электроники. На машинах, получивших коммутатор в зажигании, транзисторный радиоприемник, и, тем более, на первых инжекторах, аккумулятор после запуска отключать уже стало рискованно. Несмотря на то, что после начала ровной работы мотора батарея по-прежнему выходит из игры, уступая роль источника электричества генератору, на автомобилях с электроникой аккумулятор сохраняет важное значение – фильтрующе-стабилизирующее. Батарея, как огромный конденсатор, помогает током на холостых оборотах, когда отдача генератора слабеет, сглаживает возникающие изредка высоковольтные пики-выбросы напряжения и делает пульсирующий постоянный ток стабильным – «чистым», как говорят электронщики. Для «дубовых» потребителей, типа лампочки или обогрева стекла, это несущественно, но вот для полупроводников – жизненно важно.

Ну а на современных продвинутых авто классом выше среднего значимость аккумулятора и вовсе резко возросла. Тут уже в принципе нереально завестись без батареи с буксира, даже если вдруг попадется модификация машины без АКП. Множество электронных блоков, сидящих на цифровой шине, включаются перед запуском мотора, и еще до начала работы стартера успевают провести мгновенный опрос состояния различных датчиков и систем, дав в итоге одобряющую или запрещающую команду на старт.

В процессе работы мотора многочисленная электроника требует стабильного и чистого питания в бортсети, а после глушения электронные модули продолжают функционировать некоторое время, завершая процессы сохранения разнообразной адаптивной информации. Резкое исчезновение батареи через скидывание клеммы может вогнать электронику продвинутой современной машины в ступор. После возвращения аккумулятора на место (или зарядки разряженного в ноль) двигатель, конечно же, заведется, но наверняка закидает водителя множественными «чеками», некоторые из которых еще и не пропадут сами, а погасятся только с помощью фирменного диагностического софта у официалов…

Существуют ли литиевые стартерные батареи?

Итак, надо признать, что в современном автомобиле на аккумуляторе лежит куда большая ответственность, нежели полвека назад. Но обязательно ли ему, как те же полвека назад, быть таким здоровенным и массивным? Сегодня у многих автовладельцев имеется так называемый «пусковой бустер» или «джамп-стартер» – портативный 12-вольтовый пауэрбанк с литиевой батареей и проводами-«крокодилами», который способен запустить двигатель практически любого автомобиля с напрочь севшим штатным аккумулятором. Эти миниатюрные гаджеты легко заводят не только бензиновые моторы малолитражек, но и многолитровые дизельные двигатели внедорожников и легких грузовиков. Держа такую игрушку в руках, невольно задаешься вопросом: зачем нужны 20 килограмм свинцовой батареи, если вполне достаточно полкило «лития»?

Вопрос, лежащий на поверхности, и вполне закономерный. Польза от замены «свинца» на «литий» была бы очевидна и бесспорна – в автопроме никогда не прекращалась борьба за снижение массы, и любые, даже самые незначительные победы на этом фронте всегда преподносятся производителями как успехи инжиниринга и движение по пути прогресса. Да и чисто практический профит налицо – срок службы «лития» вдвое-втрое должен превышать таковой у «свинца». Но, обойдя все магазины автозапчастей в городе, литиевого аккумулятора вы не найдете… Почему? Их не существует?

Существуют. Однако распространенность настолько невелика, что выпускаются они исключительно самими автомобильными брендами для считанных моделей и не имеют альтернативных аналогов. Имена же машин, на которых устанавливаются литиевые стартерные АКБ, говорят сами за себя, и удивляться отсутствию таких батарей в магазинах не приходится – «литий» крутит стартеры у гражданских моделей McLaren (570S, 650S, MP4-12C), у Porsche Cayman R, 911 GT3, Boxster Spyder, у Mercedes S-klasse W221, W222, CLS-klasse C218 и ряда других, у BMW M3, M4 и тому подобных единичных моделях некоторых иных марок. Серийные штатные литиевые батареи существуют уже около десяти лет, но их по-прежнему весьма немного, и применяются они исключительно в высокотехнологичных премиальных и спортивных машинах.

Особенности конструкции литиевых АКБ и эксплуатации машин с ними

Как правило, корпуса литиевых батарей повторяют геометрию стандартных свинцовых. Идентичны у них и силовые клеммы. Электрические параметры «повседневных» литиевых батарей – те же, что и у свинцовых, подходящих для аналогичных моторов. Например, литиевая батарея Mercedes имеет емкость 78 ампер-часов и максимальный ток холодной прокрутки 550 ампер. Разве что вес существенно ниже – 12 килограммов. Хотя ниже он в лучшем случае вдвое… Не в десять раз, не в пять и даже не в три, как можно было бы ожидать.

«Повседневная» литиевая батарея BMW имеет емкость 69 ампер-часов, ток холодной прокрутки 770 ампер и вес 14 килограммов. А вот «спортивная» литиевая батарея Porsche, способная заменить свинцовый аккумулятор на 60 ампер-часов с пусковым током 480 ампер, имела емкость всего… 18 ампер-часов, но при этом вес 6 килограммов и высоту, как у пачки сигарет!

Литиевую стартерную батарею чаще всего «нельзя просто взять и поменять» (с) на свинцовую, традиционной конструкции. Помимо стандартных силовых контактов у такого аккумулятора имеется дополнительный информационный разъем – с помощью него происходит подключение к цифровой шине данных, которая обеспечивает постоянный диалог аккумулятора с машиной и контроль за батареей. В принципе, переконфигурировать некоторые автомобили с «с лития на свинец» возможно, но эта процедура делается только официалами, и сосед Вася (который уверяет, что он – диагност), тут не поможет. А официалы дешево не перепрограммируют, ибо заинтересованы в первую очередь продать вам новую оригинальную литиевую батарею за $2000, а не свинцовую за $100…

Впрочем, на некоторых машинах «свинец» можно применять временно и без вмешательства в софт и хард. Например, в руководстве пользователя суперкара McLaren MP4-12C сказано, что в экстренной-преэкстренной ситуации (когда литиевый стартерный аккумулятор полностью неисправен или отсутствует) таки можно временно воспользоваться традиционной свинцово-кислотной батареей. Автомобиль отчасти «сойдет с ума»: станет некорректно работать ряд функций – индикация разряженной батареи, поворотники, парктроники, в качестве меры безопасности не поднимутся до конца стекла дверей и т.п. Однако машина все же заведется и поедет.

А вот тот же Porsche, когда в свое время презентовал свою шестикилограммовую «спортивную» батарею, проявил клиентоориентированность, предложив ее в качестве дополнительной совместимой опции к традиционному свинцово-кислотному аккумулятору. И предупредил пользователей своих автомобилей: легкая батарея оптимальна для теплого времени года, и даже при небольшом минусе на улице ее емкость (и без того крошечная!) заметно упадет. А поскольку батареи взаимозаменяемые, ввиду климатической привередливости лития владельцам спорткаров рекомендовалось повседневно ездить на «свинце», а при визите на гоночный трек временно менять аккумулятор на облегченный для улучшения управляемости и динамики.

Собственно, о холоде… Вот мы и подобрались к едва ли не главной проблеме литиевых стартерных батарей – боязни отрицательных температур и сопутствующей ей боязни глубокого разряда. Безусловно, литиевая химия эволюционирует, современные аккумуляторы существенно расширили температурный диапазон своих предшественников десятилетней давности, но все же свинцу (который, к слову, тоже сильно страдает от морозов) литий до сих пор в хладостойкости уступает.

В электромобилях высоковольтные литиевые батареи имеют принудительный подогрев, но если у тяговой батареи емкостью не менее 30 киловатт-часов есть ресурс для самообогрева, то со стартерной 12-вольтовой батареей такое не прокатит. Риск не завестись зимой в ситуации, когда аналогичное авто со «свинцом» успешно прокрутит свой стартер, у «лития» существенно выше, и поделать с этим ничего пока не удается.

Продолжительные простои на небольшом холодке (а то и в тепле!), кстати, не менее опасны, чем внезапно ударивший сильный мороз. К примеру, владельцы BMW M-линейки с литиевыми аккумуляторами уже жаловались на выход АКБ из строя из-за длительного простоя машины. Батареи уходили в глубокий разряд, электроника в них блокировалась и не реагировала ни на «прикуривание», ни даже на внешние зарядные устройства. С подобным сталкивались даже некоторые американские покупатели новых баварских «Эмок», чьи аккумуляторы успевали умереть, пока заказанная клиентом машина шла 2-3 месяца из Европы к штатовскому дилеру. А тем, кто сам не уследил за уровнем заряда, приходилось покупать новую уже за свой счет…

А если все же… очень хочется?

Приходится признать, что по большому счету литиевые стартерные батареи на сегодняшний день способны принести реальную пользу либо очень искушенному автогонщику, всерьез «отлавливающему» каждый грамм веса, либо самому автопроизводителю, который использует их фактически лишь для подчеркивания собственной инновационности, ощутить которую конечный владелец вряд ли сумеет. А вот геморроя отгрести – это запросто… В общем, никаких объективных доводов для массового автовладельца в пользу приобретения стартерного «лития» нет – и даже срок службы в якобы десять лет не убедит покупателя: редко кто сегодня держит автомобиль столь долго, да и сменить за этот срок 2-3 свинцовых аккумулятора по $100 каждый объективно гораздо дешевле, чем вложиться в «литий» за $1000-2000 с его нюансами и ограничениями.

И тем не менее круг желающих обрести такую батарею существует, и он шире, чем кажется на первый взгляд. Низкий вес и полную герметичность ценят, к примеру, любители бюджетного автоспорта, профессиональные джиперы, готовящие свои машины к суровым соревнованиям, или фанаты спортивного автозвука. А также непоседливые владельцы самых обычных машин, которым просто хочется поставить под капот «что нибудь интересненькое».

На легкие 12-вольтовые автомобильные аккумуляторы имеется хотя и не слишком большой, но вполне стабильный и даже растущий спрос, и он удовлетворяется небольшими кустарными мастерскими. Заказать литиевую стартерную батарею можно с любыми параметрами – как в стандартном аккумуляторном корпусе, так и в любом по размерам заказчика, с полной защитой от перезаряда, глубокого разряда и короткого замыкания или с более дешевой частичной. Изготовители обычно подчеркивают, что электроника их батарей обеспечивает полную совместимость по режимам работы со свинцовыми – достаточно просто заменить аккумуляторы один на другой и все. Не нужно поднимать напряжение генератора, что-то перепрограммировать и т. п.

Максимальный стартерный ток мелкосерийных литиевых батарей, собираемых на достаточно современных элементах, составляет 530-550 ампер, чего достаточно для большинства автомобилей. Цена же зависит от емкости, и для моторов до двух литров хватает даже… 10 ампер-часов! На такой батарее вполне можно повседневно эксплуатировать машину в качестве транспортного средства, избегая, конечно, ситуаций типа простоя со включенной музычкой на пикнике. Поэтому все же батареи-«десятки» обычно покупают любители недорого погонять на треке – владельцы горячих хетчбеков, типа Opel Astra GTS или Renault Megane RS, которым совсем невредно скинуть килограмм пятнадцать-двадцать с передней оси. Стоимость подобного «спортивного» аккумулятора – около 14-15 тысяч рублей: это вам не коробочка из Porsche за $3000, хотя и машины – далеко не Porsche…

Литиевая же батарея, пользоваться которой можно так же, как и штатной свинцовой на 55-65 ампер-часов, – это уже около 20-25 ампер-часов емкости и полный комплекс защит, включая защиту по нижнему порогу разряда. Стоить такая будет примерно 25-30 тысяч рублей. На фоне штатных батарей, упомянутых выше, цены весьма скромные, хотя и не всех устроит незаводское происхождение аккумуляторов.

Кстати, нельзя под конец не упомянуть сферу транспорта, куда литиевые стартерные батареи успешно проникли и даже закрепились. Это мототехника – скутеры, мотоциклы, квадроциклы. Для них в продаже доступен относительно широкий (хотя и не сопоставимый пока со свинцом) выбор литиевых аккумуляторов промышленного (а не кустарного!) изготовления, которые при емкости 3-7 ампер-часов более-менее недороги, совершенно безразличны к любого рода тряске и кренам, легки и герметичны. Ну а вопрос холодобоязни решился сам собой – мототехника, за исключением снегоходов, эксплуатируется все же в подавляющем большинстве случаев при плюсовых температурах или в крайнем случае при легком минусе, для батарей нестрашном.

Источник

LiFePO4 как замена кислотно-свинцовых аккумуляторов

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.

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.

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.

Источник

LIFEPO4 на замену свинцовым АКБ

Статья обновлена: 2020-11-13

Хотя в развитии литиевых АКБ состоялся большой технологический прорыв, среди химических источников тока (ХИТ) самыми популярными до сих пор являются свинцово-кислотные аккумуляторы. Если взять все аккумуляторы в мире и сложить их энергию в Вт*ч, то в свинцовых окажется в десяток раз больше энергии, чем во вместе взятых Li-ion, LiFePO4 и LTO. Причина такого дисбаланса рынка — в низкой стоимости аккумуляторов со свинцом.

Но переплачивать за лучшие характеристики в некоторых сферах применения АКБ просто не является необходимостью. Например, задача стартерного аккумулятора для автомобиля заключается в выдаче большого тока в течение короткого времени. Разумеется, ёмкость, ресурс, вес аккумулятора в этом случае не имеют особой важности.

С развитием технологий и применением новых материалов производство более прогрессивных литиевых аккумуляторов удаётся сделать доступнее, тем самым расширяя горизонты их применения.

Преимущества LiFePO4 в сравнении со свинцово-кислотными АКБ

В частности, литий-железо-фосфатные (LiFePO4) аккумуляторы могут стать полноценной заменой для уже устаревающих морально свинцовых батарей. Это обусловлено лучшими характеристиками и прогрессом в удешевлении производства.

Литий-железо-фосфатные аккумуляторы имеют энергоёмкость в 4-10 раз больше, чем у свинцово-кислотного: 190-250 Вт•ч/кг в сопоставлении с 25-40 Вт•ч/кг.
Отдают полную ёмкость, работая на токах разряда больших величин.
Заряжаются током в 5 раз выше, чем свинцовые АКБ.
Имеют меньший вес.
Лучше переносят хронический недозаряд.
Дольше в эксплуатации: количество циклов заряда-разряда в 10 раз больше.

Почему LiFePO4 лучше, чем Li-ion или LTO?

В сопоставлении с другими литиевыми аккумуляторами LiFePO4 демонстрирует ряд преимуществ. LTO проигрывает литий-железо-фосфатным аккумуляторам, так как его стоимость по-прежнему высока. А на фоне Li-ion батарей наглядно выявляются такие преимущества:

Более широкий режим рабочих температур. Литий-ионные аккумуляторы не выдерживают мороза и экстремальной жары, LiFePO4 исправно работают в диапазоне -30…+55°C.
Больший ресурс эксплуатации. Аккумуляторы Li-ion “живут” без поломок 300-500 циклов полного заряда и разряда, их конкурент LiFePO4 выдерживает до 2000 циклов. Соответственно, и срок службы у железо-фосфатных моделей больше в 4-6 раз.
Стабильная подача напряжения в ходе всего разряда.
Пожарная безопасность. При сильном повреждении элементов в батарее может выделяться тепло и идти дым, но, в отличие от литий-ионных аккумуляторов, они не воспламеняются.

Главный недостаток LiFePO4 в сравнении Li-ion — при равной массе их ёмкость меньше на 20%. Но это всё ещё многократно больший показатель емкости, чем у свинцовых батарей. Совокупность всех преимуществ создает все условия для того, чтобы литий-железо-фосфатные батареи заменили кислотно-свинцовые.

Где используются АКБ LiFePO4

Снижение стоимости литий-железо-фосфатных аккумуляторов открывает перед ними всё новые области применения, в которых до этого экономически выгодными были исключительно свинцово-кислотные.

Водный транспорт

Аккумуляторы в маломерных суднах применяются в двух вариантах:

Для питания электромотора основного, если лодка небольшая;
На крупных и средних моторных лодках — для бортовой сети и вспомогательных моторов.

Чем меньше лодка, тем нагляднее преимущества LiFePO4: прежде всего, малый вес батареи по сравнению со свинцовыми. Сохраняя разумный вес и габариты АКБ, можно нарастить запас хода в несколько раз. Кроме того, литиевому аккумулятору не страшен глубокий разряд, тогда как каждый такой случай со свинцово-кислотной АКБ отнимает от её паспортной ёмкости 2-3%. То есть всего за 10 прецедентов аккумулятор безвозвратно потеряет треть ёмкости. Уже на уровне заряда 25-30% приходится выбирать: перестать использовать мотор и грести веслами, или же продолжить движение на электромоторе, но подвергать батарею деградации. С литиевыми АКБ такого не происходит.

На лодках покрупнее масса АКБ уже не имеет рокового значения, но ресурс батареи и устойчивость к глубокому разряду имеют большое значение. На многих крупных лодках есть вспомогательные моторы для того, чтобы удерживать судно против волн на одной заданной точке. Также они используются для тихого хода.

Активная эксплуатация лодки на тяге вспомогательного мотора его аккумуляторы повергаются постоянной зарядке и разрядке. Учитывая, что у свинцовых АКБ ресурс исчисляется всего 200 циклами, они категорически не подходят для такой задачи. В идеале подойдут батареи LTO с фантастическим ресурсом в 20000 циклов, но они стоят дорого — соответственно своим качествам. LiFePO4, выдерживающие 2000 циклов, станут оптимальным решением в соотношении финансов и параметров. Обзор лучших лодочных аккумуляторов представлен в этой статье.

Рабочая техника: штаблеры, погрузчики, поломоечные машины

Для поломоечных машин, рабочей, строительной, погрузочной техники, потребляющей большие токи, важен максимальный долговременный ток во время разряда аккумулятора. Под нагрузкой не должно происходить существенных просадок по напряжению. Аккумуляторы LiFePO4 соответствуют этому ожиданию: напряжение остаётся стабильным в течение всего цикла разрядки, просадки минимальные.

Полезен в этих целях и большой ресурс литий-железо-фосфатной батареи, поскольку техника подобного рода эксплуатируется ежедневно.

Электротранспорт

Нишу электротранспорта уже заняли литий-ионные аккумуляторы, выборов это право благодаря своему выгодному соотношению массы, емкости и объема. Li-ion применяют в электрокарах, электробайках, самокатах, велосипедах, мопедах и других колесных гаджетах с электрическим мотором. Но этот типа аккумулятора не работает в мороз, что накладывает ограничения в использовании. Если в электромобилях проблему можно решить, организовав встроенный обогрев батареи аккумулятора, то в других случаях проще найти альтернативный химический источник тока.

Как раз свинцовые и LiFePO4 АКБ подходят на роль такой альтернативы, ведь они легко выдерживают температуру ниже нуля. По соотношению емкости, габаритов и веса LiFePO4 уступают только литий-ионным аккумуляторам, оставляя свинцовые далеко позади.

Из всего этого следует вывод: кислотно-свинцовые АКБ морально устаревают, оставляя за собой единственное преимущество — доступную цену. Но прогресс в производстве литиевых батарей вскоре позволит конкурентам сравняться и в этом аспекте.

Источник