Литий ионный аккумулятор для автомобиля устройство

Литиевый аккумулятор для автомобиля: а нужен ли?

Литиевый аккумулятор для автомобиля. Когда речь заходит об автомобильных аккумуляторах, в нашей голове сразу же возникает образ большой свинцово-кислотной АКБ, которая занимает достаточно большое место под капотом.

Самое интересное, что за всю эру автомобилетсроения данный тип батарей оставался верным спутником машины, даже не смотря на то, что на дворе ХХI век и изобретена масса других, более компактных и современных типов аккумуляторов.

К примеру, литий-ионные, встретить которые можно в любом мобильном телефоне. Почему же автопроизводители очень неохотно используют их в своей продукции? Неужели машины навсегда останутся с допотопными свинцово-кислотными АКБ?

Давайте разберёмся с этими вопросами и выясним, почему литиевый аккумулятор для автомобиля это невероятная экзотика.

Литиевый аккумулятор для автомобиля — классика или современность?

Поразительно, но тот тип батарей, которые повсеместно устанавливается в автомобили, был изобретён более века назад.

Конечно же, его внешний вид и конструктив постоянно совершенствовались, и сейчас это надёжные устройства, которые при должном внимании не подведут, но… Но они громоздкие, тяжёлые и зачастую требую внимания.

Почему же не использовать литий-ионный аккумулятор для автомобиля? Это современный тип батарей, они компактные, лёгкие и достаточно долговечные. На самом деле их можно встретить в автопроме, правда, не в массовом.

Такие АКБ штатно устанавливаются на транспортные средства, укомплектованные гибридными силовыми установками, и электромобили. Почему же их практически не встретить на обычных авто с двигателями внутреннего сгорания?

Может литиевый аккумулятор 12 вольт для автомобиля сложно сделать или они не выдерживают высоких токов, которые требуются для запуска мотора? Давайте это выясним.

Литиевые аккумуляторы: что это?

А начнём с конструкции литий-ионных АКБ. Состоит такая батарея из катода и анода, имеющих выводы на контакты и разделённых пористым сепаратором. Все эти элементы находятся в герметичном корпусе.

Кстати, корпус, как правило, имеет предохранительный клапан, который нужен, чтобы предотвратить резкое повышение давления внутри аккумулятора. Но самое главное не в этом, а в материалах катода и анода, именно они и химические реакции между ними определяют суть устройства.

Литиевыми такие батареи именуются из-за иона лития, который и является переносчиком электрического заряда. Этот ион способен взаимодействовать с кристаллическими решётками различных материалов, образовывая новые соединения.

Углубляясь в химию, можно увидеть, что и у этого вида аккумуляторов бывают разновидности. Как правило, отличается катодная часть, и у неё могут быть следующие варианты:

• LiCoO2 (кобальт лития);
• LiMn2O4 (литий-марганцевая шпинель);
• LiFePO4 (литий-феррофосфат).

Сами по себе эти формулы для людей, не являющихся химиками, мало что говорят, но нужно отметить, что свойства батарей, изготовленных из разных материалов, немного отличаются. Наиболее интересными являются АКБ с литий-феррофосфатной катодной частью.

Из всей троицы они самые долговечные и меньше теряют ёмкость со временем, их напряжение практически не меняется в процессе разряда, а учитывая тот факт, что одна ячейка такого «аккума» выдаёт около 3,2 В, то, соединив четыре штуки, получим практически стандартное напряжение бортовой сети большинства автомобилей — 12,8 В. Помимо этого, они выдают хорошие пиковые токи.

Что не так с литий-ионными АКБ?

Казалось бы, литиевый аккумулятор для автомобиля — отличное решение, но мы пока не говорили об их недостатках, а они имеются, поверьте. Итак, почему же нельзя выбросить старую кислотно-свинцовую АКБ и поменять её на компактный и современный «аккум»? А вот почему:

• литий-ионные батареи плохо переносят минусовые температуры — их ёмкость резко падает, а заряжать их уже при 0 градусов даже не рекомендуется. Наверное, не стоит говорить, что для стран, где мороз является нормой — это большая проблема;
• необходимость использовать дополнительные электронные компоненты — такие батареи нельзя просто напрямую подсоединить к бортовой сети, нужно запитывать их через устройства защиты и специальные балансиры, контролирующие распределение заряда по ячейкам;
• при повреждении легко воспламеняются и даже взрываются;
• высокая цена — если поставить рядом кислотно-свинцовый и литиевый аккумуляторы одинаковой ёмкости, то второй будет в 2-4 раза дороже.

И что же, ради меньшего веса стоит мириться со всеми этими минусами?

Автопроизводители думают, что нет. Литиевый аккумулятор для автомобиля оправдан в случае разработки спорткаров, где каждый килограмм на счету, или же у гибридов и электромобилей, где нужно как-то хранить большие объёмы электрической энергии.

Друзья, надеемся, теперь стало ясно, почему современные виды АКБ не подходят для массовой автомобильной техники — с ними будет больше проблем, нежели выигрыша.

На этом всё, не забывайте заглядывать на наш блог и до новых публикаций!

Источник

Аккумуляторы и батареи

Информационный сайт о накопителях энергии

Литиевые аккумуляторы для автомобилей

Многие автомобилисты задаются вопросом, есть ли смысл заменять кислотный АКБ на щелочной, литиевый. Уже есть прецеденты, Toyota Prius C, Ford Fusion Hybrid сходят с конвейера со стартовыми АКБ нового поколения. Литиевые стартовые аккумуляторы легче, имею большую емкость, но стоят дорого и есть особенности, мешающие их широкому внедрению. Тяговые литиевые аккумуляторы успешно работают на карах, подъемниках и другой аккумуляторной технике.

Литиевый аккумулятор 12 вольт для автомобиля

Что представляет ионно-литиевые аккумуляторы для автомобилей? В корпусе упаковано определенное количество элементов одного вида, соединенных между собой для обеспечения нужной емкости и напряжения батареи.

Для этого можно взять аккумуляторы с разными активными компонентами. Все они содержат ионы лития в разных химических соединениях, меняющих характеристики изделия.

Все литий-ионные элементы представляют призматические или цилиндрические герметичные упаковки, в которых внутри имеется катод, в виде графитового слоя на подложке из металлической фольги. На другой ленте расположен активный состав. Прокладка, сепаратор, пропитана неводным раствором литиевой соли. Она проницаемая, ион лития внедряется в структуру графита или уходит из нее, создавая разность потенциалов.

Состав и свойства разных литий-ионных аккумуляторов:

Параметр	LiCoO2	Li MnO4	LiFePO4
Уд. плотность энергии, Втч/кг	150-190	100-135	90-120
Жизненный цикл	500-1000	500-1000	1000-2000
Время быстрой зарядки, ч	2-4	Менее 1	Менее 1
Терпимость к перезарядке	отсутствует	отсутствует	отсутствует
Номинальное напряжение V	3,6	3,8	3,3
Максимальное V	4,2	4,2	3,6
Минимальное V	2,5-3,0	2,5-3,0	2,5-2,8
Миним. t работы	-10	-10	-30

Однако кобальтовый состав больше склонен к возгоранию. Температура ниже +10 способствует резкой потере емкости.

Самыми нетребовательными считают ферритные аккумуляторы. Они не склонны к взрыву, работают на морозе до -30 градусов и легче справляются с восстановлением после глубокой посадки, но не ниже, чем до 2 В. Именно они могут обеспечить пусковой ток в 60С.

Все батареи собираются из отдельных аккумуляторов, используя последовательное и параллельное подключение. Это позволяет создать напряжение 12 В поставив последовательную цепь из 4 групп с параллельным включением 6 элементов. При этом обязательно требуется использовать балансиры и MBS для обеспечения равномерной зарядки до номинала всех банок, и специальная зарядная станция.

Преимущества и минусы стартовых литиевых АКБ для авто

Что для автомобилиста лучше, поставить на автомобиль аккумулятор нового поколения, стоящий около 120 000 рублей или купить дорогой (120$), но привычный кислотный АКБ?

К преимуществам литиевого аккумулятора относят его малый вес. Но так ли важно десять лишних килограмм для многосильного мотора? Да, зарядная емкость у литиевого аккумулятора выше раза в 2, циклов перезарядки он выдержит раза в 3 больше. Пусковой импульс стартер будет получать безотказно и стабильно, если выполнить условия эксплуатации.

1. В первую очередь, новый аккумулятор нельзя заряжать напрямую от генератора. Вспомните, он не терпит перезаряд и очень быстро выйдет из строя. Значит, потребуется конвертор, который будет преобразовывать ток от генератора для питания аккумулятора.
2. Характеристики любых литиевых аккумуляторов резко падают при понижении температуры и в этом они уступают свинцовым АКБ.
3. Еще более опасна для батареи температура выше +60 0 С. Перегрев может привести к пожару и взрыву.
4. В бортовой системе не должно быть высоких токовых нагрузок. И стартер, и лебедка и другие инструменты должны принять условия работоспособности аккумулятора. А это выльется в дорогостоящую модернизацию электрической схемы.
5. Моторесурс аккумулятора зависит от равномерности заряда банок, постоянной вибрации, разрушающей контакты и способствующие коррозии корпуса. Емкость банок в таких условиях резко уменьшается.

Адаптация автомобиля под литиевый-литиевый аккумулятор выльется в сумму, больше стоимости самого источника энергии. Однако рассчитывать на длительную работу АКБ не приходится – максимум 3 года.

Вывод

Как тяговый, на транспорте литиевый аккумулятор уже занял рабочую нишу. Как стартовый – еще не находит широкого применения из-за высокой стоимости и адаптации к условиям эксплуатации. Посмотрите видео, почему нельзя ставить литиевый аккумулятор на неприспособленные автомобили.

Источник

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.

Источник