Литий-ионный аккумулятор на морозе
Литий-ионные (Li-Ion) аккумуляторы стали наиболее распространенными на данный момент. Одной из немногих сфер, где литиевые АКБ не прижились — это транспорт с двигателем внутреннего сгорания, где батарея используется лишь для зажигания и питания основных узлов.
С популяризацией электротранспорта потребность в литиевых аккумуляторных батареях выросла еще сильнее. Под электротранспортом понимаются не только электрокары, но и электровелосипеды, электросамокаты и прочая техника, приводимая в движение при помощи электродвигателя.
Из-за того, что li-ion АКБ используются практически везде, пользователи часто интересуются, чего боятся литий-ионные аккумуляторы. Это полезно знать, особенно если эксплуатируется дорогостоящая сборка из большого количества элементов, которую не хочется менять почти каждый год.
Чего боятся Li-ion аккумуляторы
Каждый тип аккумулятора имеет определенные требования по эксплуатации, которым следует соответствовать для достижения максимально длительного срока службы, близкого к заявленному. Обычно эти требования одинаковы, отличаясь лишь конкретными цифрами. Среди них можно выделить следующие:
- Ток заряда и разряда. Каждая АКБ имеет максимально допустимый ток заряда и разряда. Для многих литий-ионных аккумуляторов это не очень актуально из-за наличия BMS контроллера, управляющего всеми процессами и защищающего от неправильной эксплуатации;
- Уровень заряда. Любой аккумулятор можно испортить, разрядив его “в ноль” и оставив в таком состоянии на хранение. АКБ всегда должна быть заряжена. Оптимальный для хранения уровень заряда обычно составляет порядка 60%. На 100% разрядить литиевую АКБ также не получится из-за контроллера BMS, но от саморазряда при хранении ничего не защитит;
- Температурный режим. Как хранение, так и эксплуатация должны происходить при подходящей для конкретного типа АКБ температуре. В большинстве случаев АКБ эксплуатируется в помещении, либо есть возможность его туда переместить, поэтому литиевые аккумуляторы на морозе эксплуатируются нечасто. Так было раньше до популяризации электротранспорта. Сейчас работа литий-ионных и полимерных АКБ в мороз волнует пользователей куда больше.
Что происходит с Li-ion аккумулятором на морозе
Несмотря на то, что проблема эксплуатации li-ion батарей при отрицательных температурах стала острой относительно недавно, в некоторых сферах она была актуальна уже много лет назад.
Многие, наверное, помнят ситуации, когда смартфон (обычно это касалось уже устаревших поколений iPhone) отключался после длительного нахождения на открытом воздухе в минусовую температуру. Это связано с тем, что литий-ионный аккумулятор на морозе сильно теряет в токоотдаче и уровне заряда.
А теперь представьте, что речь идет не о смартфоне, а, скажем, об электровелосипеде. Да, многие разумно предпочитают подождать до весны, однако любителей зимних велопрогулок быстрая потеря заряда может застать врасплох. С электрокарами ситуация аналогичная. Суть проблемы заключается в том, что многие химические реакции замедляются при низких температурах, а литий-ионный аккумулятор — это как раз химический источник питания. Соответственно, в мороз аккумулятор рискует глубоко разрядиться даже находясь в состоянии простоя. Это стоит учитывать и вовремя заряжать АКБ. Обращаем внимание, что заряжать аккумулятор сразу после мороза не рекомендуется. Он должен естественным образом согреться перед началом процесса.
Если не усмотреть за литий-ионным аккумулятором и допустить саморазряд до критически низких напряжений (ниже 2,5В на элемент), то спустя некоторое время хранения аккумулятор может выйти из строя без возможности восстановления. В рамках, скажем, одного элемента типоразмера 18650 это не кажется проблемой, однако если речь идет о десятках или даже тысячах (в автомобилях Tesla установлено более 7 тысяч ячеек 18650 от Panasonic), потери будут значительными. Поэтому внимательно следите за состоянием аккумулятора и поддерживайте стабильно средне-высокий уровень заряда для его хранения.
Как решить проблему эксплуатации литиевого аккумулятора на морозе
Если избежать эксплуатации литиевой аккумуляторной батареи на морозе не получится, есть пара способов немного облегчить ситуацию.
Очевидным решением является утепление аккумулятора. В роли утеплителя может быть любой теплоизоляционный материал вплоть до пенопласта. Главное, чтобы пространство позволяло. Благодаря изоляции тепло, вырабатываемое аккумуляторами в процессе эксплуатации, будет поддерживать приемлемую температуру. Во время простоя это тепло поможет некоторое время согревать батарею. Таким образом, как минимум процесс эксплуатации и непродолжительный простой будут происходить в более-менее приемлемых условиях.
Второй вариант решения проблемы более радикальный. Он заключается в том, чтобы подобрать другой тип литиевых аккумуляторов, который лучше переносит эксплуатацию при низкой температуре окружающей среды. К таким типам относятся литий-железо-фосфатные аккумуляторы (LiFePO4). Они прекрасно работают даже при температурах -20°C, однако отличаются не самым стандартным напряжением одного элемента. Еще одним крайне перспективным типом литиевых АКБ для электротранспорта являются литий-титанатные аккумуляторы. Они предлагают не только уверенную работу в мороз, но и длительный срок службы (срок службы некоторых моделей может превышать период эксплуатации самого электротранспорта), а также возможность быстрой зарядки. Для литий-титанатной батареи зарядка за 5-10 минут — стандартное явление.
ТОП-5 аккумуляторов, работающих даже в сильные морозы
Комментарии: 1 29.12.2020 Многим россиянам приходится эксплуатировать свой автомобиль в сильные морозы. Ниже мы предлагаем список проверенных аккумуляторных батарей, для которых мороз не помеха. У бренда Varta имеется серия аккумуляторов «Сильвер динамик». Данная АКБ имеет емкость 63А/часа и совершенно не боится морозов.
Аккумуляторы «Сибирь» от компании «Тюмень», также хорошо зарекомендовали себя во время работы на холоде. При относительно низкой стоимости, аккумуляторы линейки «Top» от компании Topla, выдают до 600А. Им не страшен даже лютый холод. Аккумуляторы от компании Bosch не относятся к бюджетным. При этом, представители линейки «Сильвер плюс», кроме качественной работы на морозе, могут похвастать еще и длительным сроком службы (6 лет).
Аккумулятор для крепкого мороза
Тест автомобильных аккумуляторов проводился при температуре до 32 градусов мороза. Столь суровые условия для испытаний обусловлены тем, что во многих частях России тридцатиградусные морозы стали обычным делом. Поэтому водителям будет полезно узнать, как показывают себя различные аккумуляторы при сильном похолодании. Чтобы проверить возможности АКБ в низкотемпературных условиях, эксперты провели сравнительный тест аккумуляторов от нескольких знаменитых зарубежных производителей.
Какие модели сравнивали
В эксперименте приняли участие 14 аккумуляторов, которые разделили на две равные группы: для автомобилей западных (европейских) и восточных (азиатских) марок. В данном случае речь пойдёт об аккумуляторах для автомашин азиатской группы. Такие батареи представлены моделями от следующих фирм: южнокорейских Sebang, Delkor и Hankook, американской Deka, словенской Topla, японской Furukawa и испанской компании Exide. Для теста подбирались АКБ с максимальной ёмкостью (65-70 ампер-часов) и наибольшими номиналами пускового тока (580-660 ампер).
Что измеряли
В ходе эксперимента специалисты проверяли и сравнивали как вес батарей, так и их пусковые характеристики в низкотемпературных условиях.
Весовые показатели измерялись на специальных весах. Проверка проводилась для того, чтобы обнаружить вероятные несовпадения реальных характеристик с заявленными. Как и ожидалось, особых расхождений с официальными данными обнаружено не было. Когда весовые измерения завершились, все аккумуляторы поставили заряжаться.
Заряжали каждый образец до ста процентов ёмкости. Чтобы условия для всех батарей были одинаковы, зарядка проводилась с помощью идентичных устройств. После каждого этапа тестирования все АКБ подзаряжали до максимума в течение нескольких часов.
Главный этап
Главным этапом проверки стало исследование максимального ТХП в низкотемпературных условиях. Максимальным ТХП (током холодной прокрутки) считался ток, десятисекундный разряд которого не ослаблял напряжение на аккумуляторных клеммах ниже, чем до семи с половиной вольт. Чем больше ТХП и чем сильнее остаточное напряжение, тем эффективнее батарея.
На этой стадии исследования проводились при трёх разных температурах: минус 18, 24 и 32 градуса. Перед каждым тестом аккумуляторы на сутки помещали в камеру с соответствующей температурой. После этого модели поочерёдно доставали и пропускали через них десятисекундный разряд силой в несколько сотен ампер. Применяли для этого особое разрядное устройство с изменяемой мощностью.
Итоги основного этапа
Результаты лишний раз подтвердили известное правило: чем больше величина ТХП у батареи, тем больше МПТ (максимальный пусковой ток) после снижения температуры.
Однако к аккумулятору Furukawa это правило не относится. Несмотря на большую ёмкость этой батареи (68 ампер-часов), заявленная производителем величина ТХП не соответствует действительности (620 ампер против обещанных 660). Остальные модели в этом плане не подвели.
В тестах, которые проходили при температуре менее 24 градусов, японская АКБ тоже уступала всем прочим, хотя по идее результат должен был получиться прямо противоположным.
Лидерами по итогам теста стали аккумуляторы от компаний Deka и Topla. Именно они продемонстрировали самый высокий показатель пускового тока (примерно 650 ампер). Далее следуют модель от Delkor, затем Hankook, потом Sebang и, наконец, Exide. Последнее место заняла уже упомянутая батарея Furukawa.
Если учитывать цены
Но сравнение будет неполноценным, если не брать в расчёт розничные цены на аккумуляторы. Хоть разница в пару тысяч рублей и не становится обычно решающим фактором при покупке батареи, стоимость всё равно играет роль. Поэтому при итоговом сравнении учитывалась и она тоже.
Сопоставление цен изменило первоначальные результаты. Единственным лидером стала батарея Topla (4900 рублей), а модели Delkor (6800 рублей) и Deka (6000 рублей) оказались на втором месте. Третье место поделили между собой АКБ Exide (4600 рублей), Hankook (4700 рублей) и Sebang (4600 рублей). Аккумулятор Furukawa, средняя цена которого — 5900 рублей, так и остался единственным аутсайдером.
Влияние мороза на Li-Ion аккумуляторы
Большинство аккумуляторов группы Li-Ion на морозе теряют емкость. Внутри таких устройств находится электролит. Его температура влияет на подвижность ионов, быстроту протекания химических реакций и в целом на эффективность работы АКБ. Источники питания различных типов отличаются друг от друга составом электролита и поэтому по-разному реагируют на отрицательные температуры. Низкие температурные значения не ухудшают параметры аккумуляторов, а только временно снижают токоотдачу и повышают скорость саморазряда. Но длительное пребывание на холоде нежелательно для Li-Ion батарей, поскольку ускоренный саморазряд может привести к полной разрядке АКБ. Если же литий-ионную батарею 3 месяца или дольше хранить с напряжением меньше 2,5 В, произойдет необратимая потеря ее емкости – устройство станет незаряжаемым.
Какие литиевые батареи меньше боятся холодов?
Наиболее ощутимо влияние мороза на Li-Ion аккумуляторы таких видов как LiCoO2, LiMn2O4, LiNiMnCoO2 (сокращенно NMC). Более устойчивы к потере емкости в холодное время некоторые разновидности литий-железо-фосфатных аккумуляторов LiFePO4. К тому же, они имеют:
- хорошие электрохимические характеристики;
- низкое сопротивление;
- долгий срок службы;
- термическую стабильность;
- терпимость к полному заряду;
- возможность длительного хранения при высоком напряжении;
- высокие показатели безопасности, даже при полном заряде.
Самая стойкая к снижению емкости на морозе литиевая батарея Li4Ti5O12 (литий -титанат). Она безопасна в эксплуатации, быстро заряжается, имеет большой эксплуатационный ресурс и широкий диапазон рабочих температур. Но такие источники питания редко используются для оснащения электротранспорта из-за высокой стоимости и малой удельной энергоемкости.
Как защитить литиевый аккумулятор на морозе?
Для защиты аккумулятора от низких температур обычно используется утепление – АКБ прикрывается подходящим теплоизоляционным материалом. Эта защитная мера помогает сохранить емкость и продлить ресурс источника питания. Некоторые энтузиасты даже делают на зимний сезон подогрев литий-ионных батарей.
Если вы планируете использовать свой электротранспорт зимой, учтите следующие рекомендации:
- Боятся ли литиевые аккумуляторы мороза – зависит от типа батареи и значения температуры. Источники питания на основе LiMn нежелательно использовать при значениях ниже -20 °С, а батареи LiFePO4 – ниже -30 °С. При этом стоит помнить, что при холоде и встречном воздушном потоке, возникающем при движении электротранспорта, температура АКБ будет еще на 3–5 °С ниже, чем окружающего воздуха. Поэтому без утепления батареи допустимая температура ее эксплуатации снижается до -15 °С для LiMn и до -25 °С для LiFePO4 аккумуляторов.
- Нельзя заряжать Li-Ion аккумуляторы на улице, в гараже и других помещениях с отрицательной температурой воздуха.
- После поездки на электротранспорте в холодную погоду нужно на протяжении 2–3 часов выдержать аккумулятор в теплом помещении, чтобы он прогрелся до плюсовой температуры, и только после этого заряжать его.
- При поездке на электротранспорте в зимнюю пору следует помнить, что дальность пробега при холоде и наличии снежного покрова обычно в 1,5-2 раза меньше, чем в теплое время года. Это объясняется снижением емкости литий-ионного аккумулятора в мороз и наличием дополнительного сопротивления при езде по снегу.
Подробнее о разновидностях литий-ионных аккумуляторов читайте в нашем предыдущем материале.