Литий-ионные аккумуляторы

Литий-ионные аккумуляторы

Алессандро Вольта, один из основоположников электротехники, с именем которого связано и название компании «Volta bikes», в 1800 году изобрел первый химический источник электрического тока – гальваническую батарею, получившую впоследствии название «вольтов столб». С этого момента и начался отсчет использования автономных источников электрического тока, к которым относятся и аккумуляторы.

Одной из важнейших технических характеристик электровелосипеда,  являются емкость, вес и количество циклов заряда – разряда установленных на нём аккумуляторов.

Самый важный параметр любого аккумулятора – плотность запасаемой энергии, или соотношение количества энергии  на 1 килограмм веса аккумулятора.
Наиболее эффективные на сегодняшний день аккумуляторы, назовем их, обобщая всю группу, литиевыми, -  запасают 110 -200 ватт часов  на 1 килограмм  собственного веса.
 
Первые опыты с  аккумуляторами на основе лития начались ещё  100 лет назад – в 1912 году, но  серийное производство литиевых батарей началось только в 1970-х, к тому же  они были не перезаряжаемые. Этот тип литиевых батарей и сейчас используется во многих небольших электронных устройствах: часах, сигнализациях, медицинских приборах, игрушках.
 
В восьмидесятых годах 20 века, разработкой аккумуляторов на основе  лития, занялась фирма Sony, озабоченная отсутствием мощных, легких и долговечных источников тока для своей портативной электроники.

В 1991 годы Sony вывела на рынок первую в мире модель литий-ионного аккумулятора. В его конструкции применили органический электролит на основе соли лития, который взаимодействовал с кобальтатом лития на угольном катоде и аноде.
Серьёзным недостатком новых аккумуляторов была их   взрывоопасность при нарушении режимов  заряда или разряда.

В последнем десятилетии 20 века, вслед за Sony, перспективные источники тока начали разрабатывать и выпускать множество других компаний, как известных, так и новых. В это время были разработаны более дешёвые аккумулятора, по сравнению с  первой конструкцией Sony, с формулами: LiMn2O4 , LiMnO2, LiFePO4, LiNiO2.
 
Аккумуляторы на основе лития  на сегодняшний день остаются лучшим автономным источником тока для электротранспорта. Технологии их производства усовершенствуются и удешевляются, повышается плотность запасаемой энергии на единицу массы. Долговечность современных аккумуляторов,  по расчётам производителей должна достигать 10 лет, что является приемлемым сроком эксплуатации электромобиля.

Всё идёт к тому, что литий-ионные аккумуляторы  станут основным источником энергии для  электромобилей и другого электротранспорта уже в ближайшие годы.
Все аккумуляторы на основе лития имеют похожие характеристики,  режимы эксплуатации, достоинства и недостатки.

Преимущества  Li-ion батарей:
- Наибольшая плотность  запасаемой энергии на единицу веса и  объёма аккумулятора, по сравнению с другими видами;
- Более высокое напряжение  на одном элементе литиевого аккумулятора – до 4.2 вольта (по сравнению с никель-металлогидридными, никель-кадмиевыми и свинцово-кислотными аккумуляторами);
- Короткое время зарядки  (более 80 % ёмкости   за 30 – 40 минут с начала зарядки)
- Долговечность – более 1000 циклов заряда/разряда
- Незначительный саморазряд – не более 3 % в месяц;
- Безвредность для окружающей среды, низкая стоимость утилизации;
- отсутствие эффекта памяти.

Недостатки:
- Существует  вероятность  взрывного разрушения при некоторых нештатных режимах или повреждениях аккумулятора
- Реальный средний возраст жизни существующих литиевых аккумуляторов, пока составляет около 5 лет, даже если они не использовались.
- Высокая цена аккумуляторов по сравнению со свинцово-кислотными батареями.
 
Так как определяющим фактором эффективной эксплуатации литиевых аккумуляторов, является не количество циклов заряда / разряда и даже не время эксплуатации, а время, прошедшее с момента их производства, одним из наиболее важных моментов, на который нужно обратить внимание при покупке,  является дата выпуска аккумулятора. Если аккумулятор выпущен более 2 лет назад, - даже не используясь по назначению, треть своего ресурса он уже израсходовал.

Больше всего старение литиевых аккумуляторов ускоряет высокая температура окружающей среды при их эксплуатации и даже хранении. Именно поэтому все производители электромобилей, при использовании литий-ионных аккумуляторов, проектируют для них  системы принудительного охлаждения или даже кондиционирования.

Следует учитывать температурный фактор  при эксплуатации Li-ion аккумуляторов в электровелосипедах –   эксплуатация (разряд аккумулятора) может проходить без ущерба для них, при температурах до – 10 С и даже ниже, а вот подзарядку нужно выполнять только на прогретых до положительных температур, желательно не менее чем  +10С, аккумуляторах.

Как уже говорилось, количество циклов заряда / разряда, не имеют определяющего значения  для  уменьшения их времени эксплуатации. При хорошем охлаждении и небольшими промежутками между зарядом и разрядом с рабочим током, как заряда, так и разряда,-  примерно в половину  ёмкости  аккумуляторов, их ресурс может достигать 1000 циклов и даже больше.

При зарядке литиевых аккумуляторов, нежелательно в конце заряда повышать напряжение с 4.2 вольта до 4.35 вольт или других значений, что иногда практикуется для полной зарядки аккумуляторов. Регулярное использование этой технологии для 100% «добивки» ёмкости  аккумулятора, срок службы батарей уменьшается в 4-6 раз.

Так же нежелательно  проводить зарядку аккумуляторов слабыми токами.
Оптимальное значение тока заряда и разряда для увеличения сроков эксплуатации – 0.5С (половина от номинальной ёмкости аккумулятора)

Соблюдение этих  параметров зарядки гарантируют автоматические зарядные устройства, которыми комплектуются литиевые аккумуляторы и электротранспорт с использованием литиевых аккумуляторов.
С целью предотвращения негативных последствий глубокого разряда, в контроллерах, устанавливаемых на электротранспорт ТМ «Volta bikes»  также предусмотрена защита, которая отключает аккумуляторы от мотор-колеса при падении напряжения ниже допустимого уровня. Эта важная конструктивная особенность аккумуляторов ТМ «Volta bikes», позволяет избежать преждевременного выхода из строя самой дорогой детали электровелосипеда.

Для исключения возможности взрывного разрушения при перезаряде или перегреве, литий-железофосфатные аккумуляторы,   применяемые в электровелосипедах «Volta bikes», снабжены специальной электронной схемой, выполняющей роль предохранителя от перезаряда и перегрева (она хорошо видна на фотографии разобранного аккумулятора).
Наилучшие условия для  долговременного хранения литий-ионных аккумуляторов достигаются при температуре 10-18 градусов и  их зарядке примерно на 40% полной емкости.

Для аппаратного контроля за состоянием литий-ионных  аккумуляторов разработаны специальные приборы, которые при подключении к разъему аккумулятора показывают, сколько циклов заряда-разряда аккумулятор уже перенес, какой срок его эксплуатации, какова остаточная емкость и напряжение. Для считывания всей этой информации аккумулятор должен быть оборудован специальным микрочипом, стоимостью в несколько долларов. Учитывая цену аккумулятора в несколько сотен долларов, такие затраты для обеспечения полного контроля за  аккумулятором, не кажутся  чрезмерными.

Литий-ионные и литий-железофосфатные аккумуляторы для электровелосипедов  выпускаются в металлических или пластиковых корпусах различной формы, с вариантами крепления:
-  во внутреннем  объёме рамы,
-  на подседельную трубу,
-  на заднем багажнике,
-  внутри объёмного каркаса заднего багажника
-  внутри рамных труб
-  внутри колёс (встречается  редко)
-  небольшие по емкости литий-ионные аккумуляторы, особенно в складных моделях электровелосипедов,размещаются прямо внутри рамы довольно часто. При этом они не имеют своего  корпуса, а размещаются во всем пространстве утолщенной трубы рамы в виде составных элементов.

 В комплектацию  каждого электровелосипеда входит автоматическое импульсное зарядное устройство, которое обеспечивает оптимальные значения напряжения и силы тока для зарядки аккумулятора, для каждой модели электровелосипеда. Зарядное устройство имеет два светодиода. Красный светится в процессе зарядки, а зелёный загорается после завершения зарядки.

Резюме: 
Таким образом,   правильная эксплуатация литий-ионных аккумуляторов всех типов заключается в:
1) использовании только штатного зарядного устройства
2) обязательной зарядке полностью разряженного аккумулятора
3) соблюдении температурных режимов, рекомендованных для эксплуатации и хранения.  

Литий-железофосфатные аккумуляторы – самые легкие, емкие и экологичные аккумуляторы, выпускаемые на сегодняшний день промышленностью. Если Вас не смущает более высокая цена по сравнению с свинцово-кислотными аккумуляторами, тогда это лучший выбор.