5. время заряда, ч: оптимальное – 3-4; максимально возможное – 1;
6. саморазряд, % в месяц – 1.5 (зависит от температуры хранения);
7.ток нагрузки относительно емкости С: оптимальный – до 1С; максимальный – 5С; в импульсе – 50С;
8.рабочая температура, градусы Цельсия (°C): оптимальная – 23; минимальная – -20; максимальная – +60;
9. срок хранения литиевой батареи, лет – 2-5 (в зависимости от условий хранения);
10. срок службы Li-ion, лет – 2-3 года или по достижению количества циклов заряд/разряд.
К сожалению, при зарядке отрицательный электрод восстанавливается не до конца, кроме того, продукты окисления постепенно скапливаются, поэтому Li-ion АКБ постепенно теряет свою емкость и сделать с этим ничего нельзя. Особенно ярко это видно на примере смартфонов, которые в самом начале эксплуатации могут работать 10 часов в активном режиме, а через год-два это значение может очень существенно сократиться. На практике считается, что при снижении емкости на 30-35%, жизненный цикл литий-ионного аккумулятора завершается и его нужно менять.
Хотя литий-ионные аккумуляторы относятся к самым распространенным, их нельзя назвать идеальным, у них есть не только плюсы, но и минусы.
К основным преимуществам относят следующие параметры:
–очень высокая энергоплотность (соотношения количества мАч и объема);
–высокий ток при работе;
–нет необходимости в обслуживании;
–саморазряд очень низкий;
–готовность к эксплуатации в любой момент;
–нет эффекта памяти;
–возможность создавать аккумуляторы любых размеров и форм;
–диапазон рабочих температур очень широкий.
Каждое из преимуществ обуславливает применение литий-ионных аккумуляторов в той или иной сфере. Например, высокая энергетическая плотность делает их фактически безальтернативным источником энергии для компактных устройств.
К недостаткам литий-ионных аккумуляторов относятся следующие факторы.
1. Дорогие (относительно других АКБ).
2. При высоких температурах работа ухудшается, при низких снижается емкость, хотя диапазон все же широк.
3. Срок службы зависит от времени использования.
4.Опасность взрыва или возгорания.
5.Не самое большое количество циклов зарядки и разрядки. 6.Недопустимы механические повреждения.
7.Требуют строгого соблюдения правил зарядки и иных требований к эксплуатации.
Рассмотрим некоторые особенности литий-ионных аккумуляторов, которые оказывают существенное влияние на эксплуатацию и срок жизни АКБ.
1.Опасность взрыва и возгорания. Считается, что это одна из ключевых проблем. Часто взрывались литий-ионные аккумуляторы первого поколения, где анод был из лития. Материал анода заменили на графит и от этого недостатка избавились. Сегодня такое происходит редко, причин может быть много, но чаще всего это механические повреждения, вызывающие короткие замыкания внутри аккумулятора. В настоящее время самым опасным компонентом является электролит, который способен разлагаться на воспламеняющиеся материалы при повышении температуры. В принципе, если используется качественный литий-ионный аккумулятор, соблюдаются все правила эксплуатации, то вероятность взрыва или возгорания крайне низка.
2. Зарядка литий-ионного аккумулятора и разряд. В данных АКБ используется контроллер, который автоматически регулирует зарядку. Это является критически важным, ведь при повышении напряжения аккумулятор может деградировать. Обычная зарядка происходит следующим образом:
–на первом этапе используется небольшой ток напряжением до 2,9 В (при сильном разряде);
– номинальный ток, напряжение до 4,2 В; на финальном этапе напряжение также 4,2 В, но ток минимальный.
Данная схема является стандартной и в современных устройствах обеспечивается в автоматическом режиме.
Относительно глубокого разряда есть вполне четкое мнение: его допускать нельзя. В идеале, батарею не нужно доводить до разряда ниже 20%, это существенно продлит срок ее службы. Простой пример: если литий-ионный аккумулятор регулярно разряжается на 100%, то его количество циклов разряда и заряда будет около 500, а если лишь на 10%, то 4500 и выше, то есть, разница будет в 9 раз.
Литий-ионные аккумуляторы использует компания Тесла для своих электромобилей (электрокаров), рис.3.6.
Рис.3.6. Элемент TESLA, используемые в электрокарах
Стандартный элемент выдает напряжение 3,7 – 4,2 В. Для практического использования элементов используют множество их, соединенных последовательно и параллельно, которые образуют батарейный модуль. Если мы хотим увеличить емкость, то отдельные элементы просто соединяем параллельно, рис. 3.7.
При этом емкость такой литиевой АКБ будет равняться сумме емкостей элементов.
Если нам нужно повысить выходное напряжение, то элементы придется соединить последовательно, рис. 3.8. В этом случае емкость батареи будет равняться емкости самого «слабого» аккумулятора, а выходное напряжение – равняться сумме напряжений на каждом элементе.
Рис.3.7. Литиевая батарея из параллельно соединенных элементов
Рис.3.8. Литиевая батарея из последовательно соединенных элементов
Все аккумуляторы должны иметь одинаковую емкость и желательно быть из одной партии. Все элементы должны иметь встроенный контроллер. Если они без контроллеров, то необходимо использовать внешний, способный обеспечить необходимый ток для одновременной зарядки всех аккумуляторов. Вместо контроллера можно использовать специальную BMS плату, которая будет контролировать состояние каждого элемента в отдельности. Причем плата должна быть рассчитана на нужное количество элементов (ячеек).
BMS плата следит за состоянием каждого аккумулятора в отдельности. Если какой-то аккумулятор разрядится ниже нормы, вся батарея будет отключена от нагрузки. Если зарядится до нормы, то будет отключен от ЗУ только он, остальные продолжат заряжаться.
В батарейный модуль, в соображениях безопасности, могут быть включены специальные элементы. Например, устройство, которое увеличит сопротивление аккумулятора при положительном температурном коэффициенте. А также устройство, которое в случае превышения давления газа допустимых значений разорвёт связь между катодом и положительной клеммой. Иногда корпус батареи может быть оснащён клапаном предохранения, основной задачей которого является сброс внутреннего давления в случае аварийной ситуации или нарушения эксплуатационных условий.
Некоторые особо важные источники могут обладать внешней электронной защитой, которая не позволяет перегреть или перезарядить батарею, а также исключает возможность короткого замыкания.
В батарейном модуле Тесла, литий-ионные аккумуляторы заряжаются по разным алгоритмам, но классическим является следующий. Если батарея сильно разряжена, зарядка идет напряжением 2.9 В и током 0.1С (десятая часть емкости). при достижении напряжения 2.9 В на клеммах АКБ зарядный ток увеличивается до 0.4-0.3С. Как только элемент зарядится до 3.9-4.0 В, ток снова снижается до 0.1-0.05С, и зарядка продолжается, пока напряжение на клеммах не достигнет 4.2 В.
Автопроизводители активно разрабатывают новые технологии, которые позволят увеличить дальность поездки без длительной подзарядки или уменьшить длительность самой зарядки АКБ электромобиля.
Сейчас зарядить электромобиль можно тремя основными способами.
1.От бытовой сети с напряжением 220 В, как и любой другой электрический прибор (8-12 часов для полной зарядки для Leaf Nissan, для Tesla до 30 часов).
2.От 3-х фазной розетки на 380 В, которыми оборудуются АЗС и паркинги (зарядка длится 4-8 часов);
3.Используя ускоренные зарядки (30-60 минут для зарядки АКБ до 80 % емкости).
3.1.4.2. Система управления батареей
Система управления батареей (BMS) практически всегда является неотъемлемым атрибутом современной, высокотехнологичной АКБ. BMS управляет заряд/разрядным процессом аккумуляторной батареи, отвечает за безопасность её работы, проводит мониторинг состояния батареи, оценку вторичных данных работоспособности.
Функциональность BMS позволяет не только улучшить режим эксплуатации аккумуляторных батарей, но и максимально увеличить срок их службы. При определении критического состояния батареи Battery Management System соответственно реагирует, выдавая запрет на использование аккумуляторной батареи в электросистеме – отключает её. В некоторых моделях BMS предусмотрена возможность ведения реестра (записи данных) о работе аккумуляторной батареи и их последующей передачи на компьютер.
Литий-железо-фосфатные аккумуляторы (известные как LiFePO4) существенно превосходят ряд иных аккумуляторный батареи литий-ионной технологии с точки зрения безопасности, стабильности и производительности за счет использования системы BMS. Дело в том, что литий-железо-фосфатные батареи чувствительны к перезаряду, а также разряду ниже определенного напряжения. С целью уменьшения риска повреждения отдельных аккумуляторных ячеек и выхода батареи в целом из строя все LiFePO4 аккумуляторы оснащаются специальной электронной схемой балансировки – системой управления батареями (BMS).
Напряжение на каждой из ячеек, объединенных в литий-железо-фосфатную батарею, должно находиться в определенных пределах и быть равным между собой. Ситуация же такова, что идеально равная емкость всех ячеек, входящих в состав единого аккумулятора, довольно редкое явление. Даже малое различие на пару долей ампер-часов может спровоцировать в дальнейшем различие уровня напряжения при зарядно/разрядном процессе. Разница в уровне заряда/разряда ячеек единой LiFePO4 батареи довольно опасна, так как может погубить аккумулятор.
Система управления батареей (BMS), производя балансировку, а также обеспечивая контроль температуры и выполнение ряда иных функций, максимально продлевает срок службы аккумулятора.
Функции BMS (Battery Management System).
1. Контроль за состоянием элементов аккумуляторной батареи с точки зрения:
–напряжения: общее напряжение, напряжение отдельных ячеек, минимальное и максимальное напряжение ячейки;
–температуры: средняя температура, температура электролита, температура на выходе, температура отдельных аккумуляторных "клеток", платы BMS (электронная плата, как правило, оснащается как внутренними температурными датчиками, проводящими мониторинг температуры непосредственно регулировочного устройства, так и внешними, которые используются для контроля температуры конкретных элементов батареи);
–заряда и глубины разряда;
–токов заряда /разряда;
–исправности
Система управления и балансировки ячеек может хранить в памяти такие показатели, как количество циклов заряда/разряда, максимальное и минимальное напряжение ячеек, максимальное и минимальное значение тока заряда и разряда. Именно эти данные и позволяют определять состояние исправности аккумуляторной батареи.
Неправильный заряд – одна из наиболее распространенных причин выхода аккумуляторной батареи из строя, поэтому контроль заряда является одной из основных функций микроконтроллера BMS.
Система интеллектуального мониторинга (BMS) отключает аккумуляторную батарею от нагрузки или зарядного устройства при выходе хотя бы одного из рабочих параметров за границы допустимого диапазона.
С практической точки зрения BMS могут выполнять значительно больше функций, нежели просто управление работой батареи. Иногда эта электронная система может принимать участие в контроле параметров режима работы электрического транспортного средства, и осуществлять соответствующие действия по управлению его электрической мощностью. Если аккумуляторная батарея участвует в работе системы рекуперации энергии при торможении электрического транспортного средства, то BMS также может регулировать процесс подзарядки батареи при замедлении и спусках.
3.1.4.3. Виды современных литий-ионных и перспективных аккумуляторов
Наиболее распространены следующие виды литий-ионных аккумуляторов.
1.Литий-кобальтовые аккумуляторы (LiCoO2). Литий-кобальтовые аккумуляторы обладают высокой энергетической плотностью и могут сохранять большое количество энергии на единицу массы. Это делает их идеальными для использования в мобильных устройствах, таких как смартфоны, планшеты и ноутбуки.
Есть у литий-кобальтовых аккумуляторов и недостатки. Кобальтат лития LiCoO2, ядовит и экологически вреден, а у аккумуляторов на его основе лишь 50% ионов можно извлечь из структуры соединения. Аккумуляторы с повышенной емкостью (на основе LiCoO2) крайне взрывоопасны.
Во-вторых, они очень нежные и небезопасные, что доказал Samsung. Могут загореться от механических воздействий или при быстром заряде/разряде, а также вырубаются на морозе и перегреваются в жару.
Третий минус – долговечность. Их срок жизни всего 500-1000 циклов, и потери до 20% ёмкости. К то же они дорогие. Дело в том, что кобальт достаточно редкое полезное ископаемое и обходится примерно в 2 раза дороже никеля, в 15 раз дороже алюминия и в 1000 раз дороже марганца.
2.Литий-марганцевые аккумуляторы. Наиболее изученный и технологически отработанный тип литиевых батарей – элементы на основе литий/оксидов марганца (Li/MnO2 и Li/Mn2O4), поэтому они из всей группы самые доступные по цене. Их емкость ниже, чем у материалов на основе кобальта, но они дешевле и не требуют сложного контроллера для управления процессами зарядки-разрядки.
Они получили широкое применение благодаря своим преимуществам перед другими типами аккумуляторов, такими как высокая удельная емкость и стабильность работы при повышенных температурах и низкую себестоимость. Подвержен быстрому старению и разрушению при перегреве выше 60°C.
Одним из наиболее распространенных примеров использования аккумуляторов является электрический транспорт, включая электрические автомобили, мотоциклы и велосипеды. Они также используются в портативных электронных устройствах, таких как ноутбуки, планшеты и смартфоны, а также в системах хранения энергии для домашних и коммерческих приложений.
3.Литий-железо-фосфатные аккумуляторы (LiFePO4, LFP). Литий-LiFePO4 считается самым перспективным катодным материалом в силу своей экологичности. LiFePO4 аккумуляторы происходят от литий-ионных, однако имеют ряд существенных отличий:
–LiFePO4 обеспечивает более длительный срок службы, чем другие литий-ионные подходы;
–в отличие от других литий-ионных, LiFePO4 аккумуляторы, как и никелевые, имеют очень стабильное напряжение разряда.
В связи с постоянным напряжением 3.2 В на выходе, четыре аккумулятора могут быть соединены последовательно для получения номинального напряжения на выходе в 12.8 В, что приближается к номинальному напряжению свинцово-кислотных аккумуляторов с шестью ячейками. Это, наряду с хорошими характеристиками безопасности LFP-аккумуляторов, делает их хорошей потенциальной заменой для свинцово-кислотных аккумуляторных батарей во многих отраслях, таких как автомобилестроение и солнечная энергетика.
Удельная плотность энергии (энергия/объём) нового аккумулятора LFP примерно на 14% ниже, чем у новых литий-ионных аккумуляторов.
LiFePO4 аккумуляторы имеют более низкую скорость разряда, чем свинцово-кислотные или литий-ионные. Однако, могут быть использованы LiFePO4 элементы с высоким током разряда (имеющие более высокую скорость разряда, чем свинцово-кислотные батареи, или LiCoO2 той же мощности).
Одним из важных преимуществ по сравнению с другими видами литий-ионных аккумуляторов, является термическая и химическая стабильность, что существенно повышает безопасность батареи.
Значительно понижается зарядный ток при отрицательной температуре элемента LiFePO4. Этот тип аккумулятора активно применяется как буферный накопитель энергии в системах автономного электроснабжения с использованием ветрогенераторов и солнечных батарей, а также в складской технике (транспортировщики палет, комплектовщики, штабелёры, вилочные электропогрузчики, буксировочные тягачи), поломоечных машинах, водном транспорте, электровелосипедах, электроскутерах, электромобилях и электробусах.
Функции катода выполняет литий-фосфат железа, а анод изготавливают из углерода. Если сравнивать LFP с другими АКБ, они выделяются стабильностью работы и целым рядом других преимуществ, в частности, безопасностью эксплуатации, морозоустойчивостью, минимальным саморазрядом, отсутствием «эффекта памяти», возможностью быстрой зарядки, устойчивостью перед эффектом старения.
Однако у LiFePO4 аккумуляторов есть и некоторые недостатки. Они имеют более низкую удельную емкость, чем некоторые другие типы литий-ионных аккумуляторов, такие как литий-кобальтовые и литий-марганцевые, невысокое номинальное напряжение, которое варьируется в пределах 3-3,3 В, боязнь влаги, невозможность заряда при отрицательных температурах. Низкую электропроводность LiFePO4 можно улучшить нанесением углеродного слоя на поверхность или путем наноразмеризации LiFePO4. Наночастицы LiFePO4 имеют большое отношение площади поверхности к объему, что улучшает плотный контакт между электролитом и электродами. Такие наночастицы LiFePO4 способны заряжаться за 10 минут, а если еще модифицировать покрытие, то время заряда сократится до 1-3 минут. В перспективе, именно этот материал сможет обеспечить питание электромобилей в течение 10 лет. Уже сейчас технологически возможен цикл зарядки-разрядки за 5-10 минут при полной безопасности.
4.Литий-никель-кобальт-алюминиевые аккумуляторы (LiNiCoAlO2). Литий-никель-кобальт-алюминиевые аккумуляторы используются в широком спектре устройств, включая электромобили, ноутбуки и мобильные устройства. Они сочетают в себе преимущества литий-ионных аккумуляторов с высоким уровнем энергетической плотности и надежностью. Однако у литий-никель-кобальт-алюминиевых аккумуляторов есть и некоторые недостатки. Они могут быть дороже, чем некоторые другие типы аккумуляторов, и они могут иметь низкую стойкость к высоким температурам и перегрузкам. Также они содержат кобальт, который является редким металлом и может быть дорогим и экологически вредным при добыче.
5.Литий-титанат-аккумуляторы Li4Ti5O12. Эти аккумуляторы при безупречных характеристиках безопасности, долговечности, температурной стойкости (эффективнее других в морозы -30°C) и при высоком токе разряда (в десять раз превышает его ёмкость, то есть «10C»), быстрой зарядке, напряжении всего ~1,8-2,8В. Литий-титанат невероятно дорогой и обладает относительно невысокой ёмкостью. Считается многообещающей и перспективной технологией с точки зрения скорости усовершенствования производственных линий (удешевление продукции) и улучшения электрохимических процессов (увеличение ёмкости). Используется сейчас в основном в силовых агрегатах (например, электропоезда, водный и спецтранспорт) и в энерго накопителях (аккумуляция энергии от возобновляемых источников и аварийное питание).
6.Литий-полимерные аккумуляторы (LiPo). Это тип литий-ионных аккумуляторов, в которых электролитом является полимерный гель. Они используются в различных электронных устройствах, таких как мобильные телефоны, планшеты, ноутбуки и другие портативные устройства.
Литий-полимер имеет большую плотность энергии в плане веса, чем литий-ионные АКБ. В очень тонких ячейках (до 5 мм) литий-полимер обеспечивает высокую объемную плотность энергии. Великолепная стабильность в перенапряжениях и высоких температурах.
В отличие от других типов литий-ионных аккумуляторов, литий-полимерные аккумуляторы не имеют жидкого электролита, что делает их более безопасными и более гибкими в проектировании. Это позволяет производителям создавать аккумуляторы, которые легко адаптируются к различным формам и размерам устройств.
Недостатки литий-полимерных аккумуляторов включают более высокую стоимость производства, более низкую удельную емкость по сравнению с некоторыми другими типами литий-ионных аккумуляторов и более низкую энергетическую плотность по сравнению с литий-кобальтовыми аккумуляторами.
6.Литий-титанат-свинца – это относительно новый класс литий-ионных АКБ —Он характеризуется очень длинным жизненным циклом, который измеряется в тысячах циклов. Литий-титанат свинца является также очень безопасным и сравним в этом плане с фосфатом железа. Энергетическая плотность ниже, чем у других литий-ионных источников тока и его номинальное напряжение 2.4 В. Oн нашел свое применение в основном в электромобилях и наручных часах. В последнее время они используются в мобильных медицинских устройствах, благодаря своей высокой безопасности. Одна из особенностей технологии заключается в том, что используются нанокристаллы на аноде вместо углерода, что обеспечивает гораздо более эффективную площадь поверхности. К сожалению, эта батарея имеет более низкие напряжения, чем другие типы литиевых АКБ.
7. Литий диоксид серы (батарея Li и SO2) – эти батареи имеют высокую плотность энергии и хорошую устойчивость к разряду на высокой мощности. Такие элементы используются, в основном, в военной промышленности, метеорологии и космонавтике. Аккумуляторы на базе литий диоксида серы с металлическим литиевым анодом (самый легкий из всех металлов) и жидким катодом, содержащим пористый углеродный токосъемник с наполнением диоксида серы (SO2), выдают напряжение 2.9 В и имеют цилиндрическую форму.
Особенности аккумуляторов:
–высокое рабочее напряжение, стабильное на протяжении большей части разряда;
–чрезвычайно низкий саморазряд;
–работоспособность в экстремальных условиях;
Конец ознакомительного фрагмента.
Текст предоставлен ООО «Литрес».
Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на Литрес.
