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.
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.
| Тип аккумулятора | Свинцово-кислотный | Литий-ионный |
| Характеристики элемента | 7 Ач 12В 2,3 кг | 2,5 Ач 3,6 В 0,05 кг |
| Схема сборки | 3S1P (3 элемента) | 10S3P (30 элементов) |
| Характеристики батареи | 7 Ач 36 В | 7,5 Ач 36 В |
| Плата управления | Не требуется | BMS 10S 0,1 кг |
| Вес готовой батареи (без корпуса) | 6,9 кг | 1,6 кг |
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.
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.
Литий-железо-фосфатные аккумуляторы имеют ряд преимуществ:
Долгий срок службы.
Срок службы аккумулятора составляет рекордное количество циклов — до 5000. Li-ion аккумуляторы служат в 3 раза дольше. (У свинцово-кислотных 1000-1500 циклов).
Полностью необслуживаемый аккумулятор.
Аккумулятор не требует какого-либо обслуживания в течение всего срока эксплуатации.
Сверхбыстрый заряд.
Важной особенностью литийжелезофосфатных аккумуляторов является их способность заряжаться высоким током. Благодаря этому аккумулятор может быть полностью заряжен менее чем за 2 часа, что позволяет обходиться одним комплектом, даже при самом высоком уровне загрузки техники. А всего за 20 минут на 25% от номинальной ёмкости.
Подзарядка в любое время.
У литий-ионных аккумуляторов отсутствует эффект памяти, поэтому его можно в любой момент времени подзарядить силами водителя техники.
Быстрая скорость зарядки и отсутствие эффекта памяти позволяют оптимизировать по цене используемую ёмкость аккумулятора. При этом техника заряжается непосредственно на складе только во время естественных перерывов в работе операторов техники.
Альтернатива ёмкости свинцово-кислотных при режиме загрузки техники до 18 моточасов в сутки
Другими словами, оди Li-ion аккумулятор может заменить 2 кислотных или гелевых аккумулятора.
Безвредность и безопасность.
Аккумулятор полностью герметичен, у него отсутствуют токсичные и коррозионно-активные выбросы при любом режиме эксплуатации и заряде. Встроенная система защиты полностью защищает аккумулятор от нештатных режимов работы.
Экономия на содержании зарядной комнаты и дополнительного персонала. Отсутствие выделения водорода устраняет необходимость строительства зарядной комнаты, содержание дополнительного персонала и оборудования для обслуживания.
Удобство использования.
Заряд Li-ion аккумуляторной батареи может производиться непосредственно в производственном помещении от сети. Для заряда не требуется снятие аккумулятора с погрузчика.
Безотказная работа при любой температуре
Литий-ионные аккумуляторы могут использоваться в широком диапазоне температур от -40 до +50 Сo. Таким образом, они идеально подходят для холодильных установок, так как, в отличие от свинцово-кислотных аккумуляторов, при температуре от 0 до -30 °С полезная ёмкость снижается менее чем на 10%.
Зависимость рабочих характеристик от температуры
Отсутствие падения напряжения.
Полезная мощность Li-Ion аккумулятора существенно выше из-за отсутствия падения напряжения по мере разряда батареи. По мере разрядки напряжение на свинцовых аккумуляторах заметно уменьшается, с 48 до 40 В, что фактически означает увеличение тока для поддержания необходимой мощности привода.
Эффект падения напряжения
Сохранение ёмкости
Падение ёмкости в процессе службы литий ионных аккумуляторов существенно меньше по сравнению с кислотными.
Абсолютный эквивалент 500 ампер-часового свинцово-кислотного аккумулятора 300 ампер-часовой литий ионный.
Соответствие ёмкости свинцово-кислотных и литий-ионных аккумуляторов
А также ряд других преимуществ:
- Высокое КПД.
- Можно хранить в разряженном состоянии.
- Разрядка до 10% от номинальной емкости.
- Зарядное устройство 220В.
Устройство аккумулятора.
Для хранения энергии в Li-ion аккумуляторе используются литий-железо-фосфатные (LiFePO4) элементы. Этот тип элементов хорошо зарекомендовал себя как надежный и экономичный источник энергии.
Заряд аккумулятора.
Важной особенностью литий-железо-фосфатных аккумуляторов является их способность заряжаться высоким током, что позволяет полностью зарядить аккумулятор менее чем за 2 часа. Отсутствие эффекта памяти также позволяет осуществлять дробные циклы заряда любой продолжительности при любом уровне заряда. Дробный заряд продлевает срок жизни аккумулятора. Подзарядка аккумулятора осуществляется во время технического или обеденного перерыва от источника электропитания.
Индикатор уровня заряда литиевого аккумулятора может располагаться как на самом аккумуляторе
так и отдельно на панеле приборов погрузчика
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).
Виды, типоразмеры литий-ионных аккумуляторов
Литий-ионные АКБ находят широкое применение в разного рода бытовых устройствах, в электромобилях, планшетах и других видах современных гаджетов.
Также существуют промышленные Li-Ion АКБ, обладающие большой емкостью и высоким напряжением. Ниже в таблице приведем примеры более востребованных на рынке аккумуляторных батарей:
Помимо АКБ в форме цилиндра, существуют и другие формы изделий. К таковым относятся: «Крона» с U=9 Вольт и более мощные промышленные аккумуляторы с U=12 V , U=24 V , U=36 V , U=48 V.
Маркировка на корпусе аккумуляторов гласит об элементах, которые добавлены в данную батарею.
Например:
- если стоит ICR, значит, аккумулятор содержит кобальт;
- маркировка IMR означает добавление марганца в состав;
- INR — говорит о никеле с марганцем в АКБ;
- NCR — оповещает о «порции» никеля и кобальта в батарее.
Не только размер и химические добавки отличают друг от друга литий-ионные аккумуляторы, но и емкость с напряжением. Именно они помогают определить для какого электрического прибора изготовлена батарея.
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.
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.
Производство литий-ионных аккумуляторов
Принцип изготовления Li-Ion АКБ происходит поэтапно:
- сначала изготавливаются электроды;
- затем они объединяются в батарею;
- далее устанавливается плата и защита;
- потом ставится батарея в корпус;
- заливается электролит;
- тестируется АКБ и отправляется на зарядку.
Для того чтобы изделие стало невероятно высокого качества и не подводило впоследствии своей работы, необходимо строго соблюдать все этапы технологии производства, а также не забывать о мерах предосторожности в процессе работы.
В качестве электрода (-) в li-ION-ном аккумуляторе выступает фольга, поверхность которой покрыта веществом из Li.
В зависимости от того, для каких целей предназначена Li-ионная аккумуляторная батарея, в нее будут входить следующие Li-Ion соединения:
В «пальчиковых(АА)» и «мизинчиковых(ААА)» АКБ катод (-) находится в форме рулона и отделен от анода (+) с помощью сепаратора.
При большой площади отрицательного электрода, покрытого тоненькой пленкой, энергоемкость батареи становится значительно выше.
