Поведение Li-ion АКБ на морозе
- Как защитить АКБ от холодов?
- Организация подогрева Li-ion батареи
- Эксплуатация Li-ion батарей на холоде
- Выводы
Большинство Li-ion аккумуляторов чувствительно к низким температурам. Лучше всего к работе на холоде адаптированы модели подвидов LiFePO4 (LFP) и Li4Ti5O12 (LTO).Снижение работоспособности в морозных условиях особенно выражено у элементов питания с типами химии LiCoO2 (краткое обозначение ICR), LiMn2O4 (IMR), LiNiMnCoO2 (NMC или INR).
При работе на морозе у них происходит:
- прирост внутреннего сопротивления;
- быстрый саморазряд;
- временное падение емкости;
- просадка напряжения;
- ухудшение токоотдачи;
- повышение риска глубокого разряда – если АКБ долго находится на холоде, она может разрядиться до критических значений из-за ускоренного саморазряда;
- снижение способности накапливать и отдавать энергию;
- сокращение времени автономной работы – в среднем в 2 раза, в зависимости от значения отрицательной температуры и формулы используемого электролита;
- снижение количества отдаваемой в нагрузку электроэнергии;
- сокращение срока службы аккумуляторов.
Эти последствия вызваны изменениями свойств электролита при минусовых температурах. На морозе он слабее проводит ионы лития и наблюдается замедленное протекание химических реакций. Поэтому, несмотря на допустимый диапазон рабочих температур (при разряде) от -20 до +50 °С, наиболее эффективно Li-ion аккумуляторы работают при температурных значениях от +5 до +25 °С.
Как защитить АКБ от холодов?
Улучшить поведение литий-ионной АКБ на морозе позволяет их защита от замерзания – утепление и подогрев. В роли утеплителей используют войлок, пенофол и другие теплоизоляционные материалы. Из них по выкройке, соответствующей геометрии АКБ, вырезают детали термокейса. Для их соединения и фиксации термошубы на аккумуляторной батарее используют скотч, застежки-липучки или ремни.
Полученный термочехол надевают на батарею комнатной температуры, чтобы он сохранял тепло аккумуляторов и удерживал комфортный температурный диапазон для их эффективной работы. Если же термокейс неспособен кардинально улучшить поведение Li-ion батареи на морозе, в дополнение к нему используют систему подогрева. В простейшем исполнении она состоит из тонкой пластины текстолита или пластика с внедренными в нее низковольтными нагревателями.
Организация подогрева Li-ion батареи
Пластины с подогревом размещают внутри термошубы по бокам от АКБ. Питание они получают от отдельных элементов питания, через зарядное устройство от сети или от самой батареи. При скромной мощности (20–40 Вт) они надежно оберегают батарею от замерзания. Температуру аккумуляторной сборки контролирует терморегулятор. Он же регулирует интенсивность нагрева: при снижении температуры ниже 14–15 °С (или другого установленного значения) инициирует подогрев, а при достаточном нагреве – отключает систему подогрева.
Такие приборы применяют и для предварительного отогрева аккумуляторных блоков перед подзарядкой или эксплуатацией, и для поддержания заданного теплового режима при их непосредственном использовании. В первом случае греющие пластины получают питание от сети через зарядное устройство, а во втором – от самой АКБ. На работу низковольтной системы подогрева расходуется не более 10% заряда батареи, в то время как падение емкости переохлажденных АКБ составляет около 40%. Поэтому установка систем подогрева для аккумуляторов Li-ion типа выгодна.
Эксплуатация Li-ion батарей на холоде
Литий-ионные АКБ могут применяться при температуре окружающей среды до -30 °С. Например, такими накопителями энергии может оснащаться складская техника в морозильных камерах, неотапливаемых помещениях и на холодных складах, электровелосипеды, квадроциклы, снегоходы и другие виды персонального электротранспорта на улице зимой. Литиевые батареи не будут бояться отрицательных температур при условии качественного утепления и использования низковольтных нагревательных элементов.
Наличие системы подогрева позволяет не только использовать и хранить, но и заряжать Li-ion батареи при низких температурах. Несмотря на требование заряжать такие элементы питания только при плюсовых температурах, зарядка на морозе допустима, если при подключении к ЗУ выполняется предварительный прогрев батареи.
Выводы
При эксплуатации, хранении и восполнении заряда Li-ion аккумуляторов важно придерживаться рекомендованных производителем температур. Для работы на морозе лучше всего подходят модели подвидов LFP и LTO.
Но и остальные литий-ионные АКБ подходят для применения в холодное время года. Главное – защитить их от переохлаждения, используя утепляющий чехол и приборы с низковольтными греющими пластинами. В таком случае накопители энергии будут стабильно работать даже в низкотемпературной среде.
Читайте в предыдущей статье блога VirtusTec о возможностях использования Li-ion аккумуляторов форм-фактора 18650 и собранных из них батарей.
