Какие аккумуляторы лучше для электротранспорта?
- Принцип работы
- Типы аккумуляторов
- Сравнение характеристик
- Какие аккумуляторы лучше для электротранспорта?
- Сравнение допустимых токов
- Примеры хороших аккумуляторных батарей для электротранспорта
Аккумуляторная батарея – один из важнейших узлов любого электротранспорта. Именно от ее характеристик зависит, сможет ли электромотор раскрыть свой технический потенциал, и сколько времени АКБ будет обеспечивать его работу на 1 заряде. Важную роль играют также размеры, масса батареи, ее циклический ресурс, безопасность эксплуатации и требования по обслуживанию.
Стремительное развитие персонального электротранспорта и средств индивидуальной мобильности произошло благодаря широкому распространению легких и емких Li-ion аккумуляторов. Они стали прорывом в развитии аккумуляторных технологий и доказали, что мощная батарея не обязательно должна быть тяжелой и громоздкой. Сегодня мы рассмотрим лучшие аккумуляторы для электротранспорта, их виды, основные характеристики, плюсы и минусы.
Принцип работы
Аккумуляторная батарея в процессе зарядки от сети 220 В накапливает электроэнергию и при разрядке отдает ее подключенному оборудованию. На электротранспорте используют тяговые АКБ, способные длительно работать при постоянных нагрузках. Химические источники тока этой группы рассчитаны на многократное циклическое применение в режиме заряд-разряд. Это происходит благодаря протеканию в них обратимых химических реакций.
Бортовые накопители энергии используют на электромобилях, электробусах, оснащенных электромоторами велосипедах, скутерах, мопедах и других видах транспорта. Электрический мотор может быть альтернативой для ДВС практически на любом транспорте, вплоть до самолетов, морских судов и подводных лодок. Кроме бытовой электросети, для восполнения заряда АКБ могут использоваться солнечные панели, ветрогенераторы и другие источники альтернативной энергии.
Типы аккумуляторов
В ходе развития аккумуляторных технологий были созданы АКБ разных типов:
- Сурьмянистые – устаревшие обслуживаемые модели со свинцовыми пластинами, содержащими 5% сурьмы для прочности. Они отличались интенсивным испарением и требовали частой доливки дистиллированной воды.
- Малосурьмянистые – свинцово-кислотные модели с меньшим содержанием сурьмы (<5%). Малообслуживаемые – испарения незначительные, часто доливать дистиллированную воду не нужно, но контроль уровня электролита необходим. При хранении разряжаются не так быстро, как сурьмянистые.
- Кальциевые – свинцово-кислотные модели, у которых пластины выполнены из свинца с добавлением кальция. Такая замена сурьмы обеспечила менее интенсивные испарения. Некоторые производители добавляют в состав решеток электродов немного серебра. Это приводит к уменьшению внутреннего сопротивления, повышению емкости и КПД накопителя. В продаже встречаются кальциевые свинцово-кислотные батареи необслуживаемого типа – работающие без водных испарений в течение всего срока эксплуатации. Они устойчивы к глубоким разрядам, служат до 20 лет в буферном режиме и около 500 циклов в циклическом. Как и другие свинцовые накопители, имеют тяжелый вес, низкий КПД, небольшую удельную плотность энергии. Чувствительны к наклонам и не допускают быструю зарядку.
- Гибридные – модели с маркировкой «Са+» или «Са/Sb». Решетки положительных электродов у них выполнены с добавлением сурьмы, а у отрицательных электродов – с включением кальция. Таким образом производители хотели объединить плюсы аккумуляторов обоих типов. Но на практике характеристики гибридных АКБ оказались средними: с умеренными испарениями, хорошей устойчивостью к разряду и скачкам напряжения.
- AGM и GEL – необслуживаемые свинцово-кислотные модели, содержащие электролит в связанном виде (абсорбированном в пористом стекловолокне или гелеобразном, с добавлением кремния). Они безопасны в использовании –при переворачивании или повреждении батареи электролит не вытекает. Независимо от уровня заряда такие АКБ обеспечивают стабильную токоотдачу. AGM батареи обычно используют в источниках бесперебойного питания (служат до 15 лет), а гелевые модели – на водном транспорте (отрабатывают до 700 циклов).
- Щелочные АКБ – вместо кислотного электролита используют щелочь. Бывают разных видов, но наиболее распространены подвиды Ni-Cd и Ni-Fe: с гидрооксидом никеля на положительных электродах и смесью железа и кадмия или просто железа на отрицательных электродах. Электролитом у них выступает едкий калий, а пластины делают из перфорированного металла. Активную массу упаковывают в «конверты», что делает батареи устойчивыми к вибрациям. Никель-кадмиевые элементы имеют значительный саморазряд и эффект памяти, но устойчивы к токовым нагрузкам, отрабатывают около 1000 циклов и сохраняют работоспособность при температуре от 40 до +60 °С. Чтобы заменить токсичный кадмий, производители создали -аккумуляторы. У них оказался менее выраженный эффект памяти и стабильное напряжение разряда, но никель-мета
- ллгидридные элементы менее устойчивы к низким температурам, глубоким разрядам и токовым нагрузкам. Их ресурс – около 500 циклов.
- Литий-ионные – современные источники тока с наилучшими характеристиками. Заряд в них переносят ионы лития, отрицательные электроды выполнены из графита, а положительные – из нетоксичных литий-ферро-фосфатных сплавов. Аккумуляторами Li-ion типа оснащают всевозможные устройства – от электронных девайсов до современного электротранспорта. Благодаря высокой удельной емкости, стабильной токоотдаче и большому циклическому ресурсу именно они лидируют в рейтингах АКБ.
Сравнение характеристик
В таблице приведены основные плюсы и минусы аккумуляторов разных типов, используемых на электротранспорте.
|
Тип |
Преимущества |
Недостатки |
|---|---|---|
|
Гелевые |
Герметичная необслуживаемая конструкция. Способность работать в произвольном положении – вертикальном или горизонтальном. Устойчивость к вибрациям и скачкам температуры. Малое внутреннее сопротивление, высокая токоотдача. Стойкость к глубоким разрядам. Ресурс около 700 циклов. |
Небольшая удельная емкость. Просадка напряжения при разряде. Недопустимость быстрого заряда и перезаряда. |
|
Литий-ионные |
Высокая удельная емкость. Способность обеспечивать большую автономность при малых размерах и весе. Стабильная токоотдача без просадок напряжения. Малый саморазряд. Невыраженный эффект памяти – возможность дробной подзарядки. Разнообразие подвидов с отличающимся химическим составом, с большей емкостью или лучшей устойчивостью к токовым нагрузкам. Ресурс около 1000 циклов. |
Чувствительность к глубоким разрядам и низким температурам. Снижение характеристик при долгом хранении – эффект старения. Но в группе Li-ion аккумуляторов есть модели с устойчивой структурой – морозостойкие, устойчивые к глубоким разрядам и химической деградации. Например, аккумуляторы на основе литий-железо-фосфата. |
|
Литий-железо-фосфатные |
Высокая надежность, химическая и тепловая стабильность, безопасность эксплуатации (несклонность к возгораниям даже при прокалывании или перезаряде). Медленное старение. Ресурс более 2000 циклов. Высокие токи заряда и разряда – до 5 С и 25С. Способность обеспечивать питание мощного оборудования, в т. ч. электротранспорта мощностью свыше 1000 Вт. Морозоустойчивость, сохранение работоспособности от -30 до +55 °С. КПД 95%. Стойкость к скачкам температуры, вибрациям, полным разрядам, избыточным зарядам, сложным условиям эксплуатации. |
По сравнению с многими Li-ion элементами, имеющими вольтаж 3,6 или 3,7 В, у элементов LiFePO4 он ниже – 3,2–3,3 В на ячейку. И удельная энергоемкость у них ниже (на 14%). |
Какие аккумуляторы лучше для электротранспорта?
Для электровелосипедов, автомобилей, мотоциклов и в целом для транспорта на электротяге лучше всего выбирать батареи Li-ion или LiFePO4. Причем из класса литий-ионных нужны именно высокотоковые модели, способные без перегрева выдерживать значительные токи. Такие свойства имеют элементы с содержанием марганца – с маркировкой IMR или NMC (LiMn2O4 или LiNMC).
Свинцово-кислотные аккумуляторы – гелевые, необслуживаемые, в герметичном корпусе – допустимо использовать для питания лодочных электромоторов, гольфкаров, инвалидных колясок, скутеров на электротяге. Но при равных рабочих параметрах они будут гораздо тяжелее литиевых. По этой же причине свинцовые АКБ не используют на средствах индивидуальной мобильности. Утяжелять электротранспорт нежелательно, т.к. из-за этого растет потребление энергии, уменьшается время работы на 1 заряде, ухудшается маневренность, усложняется управление. Особенно это ощущается на легком транспорте.
При выборе между накопителями Li-ion и LiFePO4 учитывают мощность электромотора. Если она не превышает 750 Вт, подойдет литий-ионная АКБ подвида LiMn2O4 или LiNMC. Такие накопители хороши для гироскутеров, моноколес, электросамокатов и е-байков мощностью до 750–1000 Вт. При большей мощности лучше купить батарею LiFePO4. Она сможет генерировать высокое напряжение и позволит использовать двигатель на полную мощь. А еще LFP накопители не теряют емкости на морозе, имеют увеличенный ресурс и подходят для эксплуатации в любое время года.
Сравнение допустимых токов
У высокотоковых Li-ion ячеек (IMR, NMC) допустимые токи заряда достигают 3С, а токи разряда – 10С длительно и 50С импульсно. Литий-железо-фосфатные аккумы еще лучше выдерживают токовые нагрузки. Для них допустимы токи заряда до 5С и постоянные разрядные нагрузки до 25С. Здесь С – значение емкости в ампер-часах.
При параллельном соединении ячеек их емкость суммируется, и соответственно возрастают допустимые токовые нагрузки. Эту особенность часто используют при сборке батарей из Li-ion элементов. Что касается LFP батарей, их обычно собирают из достаточно емких ячеек с высокими значениями допустимых токов и просто соединяют последовательно для получения нужного напряжения.
Выбор технических характеристик
При выборе аккумуляторной батареи важно правильно определить подходящие вам технические параметры:
- Номинальное напряжение – его значение должно примерно равняться вольтажу электромотора. У высокотоковых Li-ion элементов напряжение по номиналу составляет 3,7 В, а у LiFePO4 – 3,2 В. Для получения батареи на 24, 36, 48 В или другого вольтажа ячейки соединяют последовательно. При расчете количества элементов в конкретной сборке обычно делают округление в большую сторону, чтобы получить более мощную АКБ. От напряжения системы электрокомпонентов зависит крутящий момент и максимальная скорость.
- Емкость (А·ч) – должна соответствовать необходимой дальности хода или времени автономной работы на 1 заряде, с учетом энергопотребления мотора. Для суммирования емкости ячейки соединяют параллельно.
- Мощность или энерговооруженность (Вт·ч) – отражает энергоемкость батареи, рассчитывается умножением значений напряжения и емкости. Показывает, сколько часов АКБ сможет обеспечивать автономную работу мотора определенной мощности.
- Допустимые токи разряда, пиковые и длительные – они должны быть выше токов потребления мотора хотя бы на 30%. При таком запасе будет исключен риск перегрева батареи, а электромотор сможет полноценно демонстрировать свои возможности.
- Размеры – должны соответствовать параметрам аккумуляторного отсека или защитного бокса.
- Диапазон рабочих температур – для LFP моделей допускается от -30 до +55 °С, а батареи Li-ion на холоде (ниже -10 °С) работают хуже. Поэтому для зимней или круглогодичной эксплуатации нужна батарея LiFePO4 или литий-ионная с хорошей теплоизоляцией и подогревом.
- Циклический ресурс – примерное количество циклов заряд-разряд, после которых батарея утратит 20% восстанавливаемой емкости. У литиевых аккумов составляет от 500 до 2000 циклов и более, в зависимости от химического состава.
- Время заряда – зависит от допустимых зарядных токов и мощности батареи.
Примеры хороших аккумуляторных батарей для электротранспорта
В интернет-магазине VirtusTec.ru представлено множество классных АКБ для разных видов транспорта на электротяге. Например, в каталоге есть батареи для конкретных моделей электровелосипедов и универсальные модели, в т. ч. предусматривающие установку в корпусы разной конфигурации.
По качеству и надежности все АКБ нашего производства одинаково хороши. Главное – выбрать тот вариант, который подойдет вам по всем параметрам. И даже если его не будет в каталоге, мы готовы собрать нужную вам аккумуляторную батарею на заказ. Рассмотрим некоторые аккумуляторные батареи наш его изготовления.
Li-ion батарея в корпусе Hailong, напряжением 36 В
Водонепроницаемый корпус Hailong выполнен из ударопрочного ABS пластика, имеет размеры 370х90х140 мм и способен вместить до 91 «банки» форм-фактора 18650. Он надежно фиксируется на раме электровелосипеда, имеет кнопку питания, индикатор уровня заряда, замок для защиты от кражи и разъем 5-pin для лучшего подключения. В этом корпусе мы собираем батареи на 36 В емкостью от 20 А·ч по схемам 10S8P и 10S9P.
По выбору заказчика сборка осуществляется из элементов разных брендов:
|
Элементы питания |
Емкость элемента, А·ч |
Схема сборки |
Запас емкости АКБ, А·ч |
Энерговооруженность АКБ, Вт·ч |
|---|---|---|---|---|
|
Chongming Li-ion 3,7 В |
2,6 |
10S8P |
20 |
720 |
|
10S9P |
22,5 |
810 |
||
|
SONY VTC6 |
3 |
10S8P |
24 |
864 |
|
10S9P |
27 |
972 |
||
|
Panasonic 18650BD |
3,2 |
10S8P |
25,6 |
921,6 |
|
10S9P |
28,8 |
1036,8 |
||
|
DLG 3200 |
3,2 |
10S8P |
25,6 |
921,6 |
|
10S9P |
28,8 |
1036,8 |
||
|
Samsung 30Q |
3 |
10S8P |
24 |
864 |
|
10S9P |
27 |
972 |
||
|
LG MJ1 |
3,5 |
10S8P |
28 |
1008 |
|
10S9P |
31,5 |
1134 |
||
|
BAK N18650CP |
3,35 |
10S8P |
26,8 |
991,6 |
|
10S9P |
30,15 |
1115 |
||
|
Zhihang 3,7 В |
2,6 |
10S8P |
20,8 |
748 |
|
10S9P |
23,4 |
842,4 |
От выбора элементов питания зависят и рабочие параметры, и цена АКБ. Такие накопители выдерживают долговременный ток разряда до 25 А и пиковый до 40 А, рассчитаны на зарядные токи до 5 А и имеют ресурс 600–700 циклов.
Батарея LiFePO4 в корпусе Back Rack – 48 В, 12 А·ч
Эта АКБ собрана в алюминиевом корпусе призматической формы и предназначена для установки на багажнике е-байка или другого легкого электротранспорта. В ее состав входит 32 элемента LiFePO4 типоразмера 32700 (3,2 В, 6 А·ч, 2С). Они соединены по схеме 16S2P, образуя аккумуляторный блок емкостью 12 А·ч и номинальным напряжением 48 В (стандартное напряжение при разрядке составляет 51,2 В). Размеры этого накопителя энергии – 365х150х80 мм, масса – 6,5 кг.
Балансировку ячеек, защиту от короткого замыкания, чрезмерного заряда или разряда обеспечивает БМС плата с параметрами 16S, 25–50 А. Она поддерживает рабочее напряжение сборки в диапазоне от 37,5 до 58,4 В (от 2,5 до 3,4 В на ячейку). Допустимые токовые нагрузки составляют 25 А в постоянном режиме и до 50 А кратковременно.
Эта батарея поддерживает функцию рекуперации энергии, отлично подходит для е-байков с электромоторами мощностью до 750 Вт и эффективно работает в широком диапазоне температур – от -20 до 45 °С. Ее ресурс ориентировочно составляет 2000 циклов (минимум). В комплекте с ней поставляется зарядное устройство с током заряда 2 А, массой 560 г, но можно использовать ЗУ с зарядными токами до 5 А. Для установки АКБ на багажник поставляется монтажная пластина, на которой аккумуляторный корпус фиксируется шпилькой от ключа.
Батарея Li-ion в корпусе Xiapu, напряжением 48 В
Эта съемная литий-ионная АКБ поставляется в прочном пластиковом корпусе обтекаемой формы и предназначена для установки на раму. Для ее сборки используются элементы типоразмера 21700 Tesla емкостью 4,8 А·ч. Они соединяются по схеме 13S2P или 13S3P – в зависимости от необходимого запаса емкости. В результате получаем АКБ емкостью 9,6 или 14,4 А·ч, энерговооруженностью 461,75 или 691,2 Вт·ч. По запросу можно использовать элементы другого бренда.
Управляет батареей встроенная BMS плата. Она выполняет балансировку, не допускает перезаряда, критического разряда и других рисков. Диапазон рабочих напряжений – от разряженного до полностью заряженного состояния – варьируется от 35,1 до 54,6 В. Такой накопитель энергии отлично подойдет для легкого персонального электротранспорта с мотор-колесами мощностью 250–500 Вт.
Литий-ионная АКБ для электромопеда, 60 В
Эта энергоемкая батарея собирается из высокотоковых марганецсодержащих Li-ion элементов форм-фактора 18650 или другого типоразмера и оснащена SmartBMS, позволяющей держать ток до 100 А длительно и до 150 А импульсно. Сборка выполняется по схеме 16S, обеспечивая номинальное напряжение 60 В и рабочий диапазон от 43,2 до 67,2 В. Емкость зависит от используемых элементов:
- при сборке из элементов BAK 18650CP по схеме 16S10P получаем батарею на 25 А·ч и 1480 Вт·ч;
- используя ячейки CATL 42 А·ч и схему 16S1P, получаем емкость 42 А·ч и энергоэффективность 2500 Вт·ч;
- при использовании ячеек CATL 70 А·ч и схемы 16S1P получаем запас емкости 70 А·ч и энергоэффективность 4144 Вт·ч;
- применяя аккумуляторы CATL 153 А·ч и схему 16S1P, получаем АКБ на 153 А·ч и 9050 Вт·ч.
Такие аккумуляторные блоки отлично подходят для мощного электротранспорта. Они способны генерировать большое напряжение, необходимое для развития высоких значений скорости и крутящего момента.
Батарея LiFePO4 для электроскутера, 72 В
Эта АКБ – отличная замена штатного свинцово-кислотного аккумулятора на любом электроскутере из Китая. Она вдвое меньше и легче, но работает без просадок напряжения и прослужит в 4 раза дольше – до 5 лет.
Этот накопитель энергии собирается из LFP элементов 40130220 по схеме 24S1P, имеет номинальный вольтаж 72 В, рабочий диапазон от 60 до 87,6 В, емкость 100 А·ч и энергоэффективность 7680 Вт·ч. При сборке из других ячеек емкость может быть меньше, от 24 А·ч. Защиту от лишнего заряда и критического разряда обеспечивает надежная BMS плата.
Другие батареи нашего изготовления представлены в каталоге.
В предыдущей статье блога ВиртусТех мы рассказали о типах АКБ для переносного автомобильного холодильника.
