Когда речь заходит об автомобильных аккумуляторах, в нашей голове сразу же возникает образ большой свинцово-кислотной АКБ, которая занимает достаточно большое место под капотом.
Самое интересное, что за всю эру автомобилетсроения данный тип батарей оставался верным спутником машины, даже не смотря на то, что на дворе ХХI век и изобретена масса других, более компактных и современных типов аккумуляторов.
К примеру, литий-ионные, встретить которые можно в любом мобильном телефоне. Почему же автопроизводители очень неохотно используют их в своей продукции? Неужели машины навсегда останутся с допотопными свинцово-кислотными АКБ?
Давайте разберёмся с этими вопросами и выясним, почему литиевый аккумулятор для автомобиля это невероятная экзотика.
Литиевый аккумулятор для автомобиля — классика или современность?
Поразительно, но тот тип батарей, которые повсеместно устанавливается в автомобили, был изобретён более века назад.
Почему же не использовать литий-ионный аккумулятор для автомобиля? Это современный тип батарей, они компактные, лёгкие и достаточно долговечные. На самом деле их можно встретить в автопроме, правда, не в массовом.
Такие АКБ штатно устанавливаются на транспортные средства, укомплектованные гибридными силовыми установками, и электромобили. Почему же их практически не встретить на обычных авто с двигателями внутреннего сгорания?
Может литиевый аккумулятор 12 вольт для автомобиля сложно сделать или они не выдерживают высоких токов, которые требуются для запуска мотора? Давайте это выясним.
Литиевые аккумуляторы
А начнём с конструкции литий-ионных АКБ.
Состоит такая батарея из катода и анода, имеющих выводы на контакты и разделённых пористым сепаратором. Все эти элементы находятся в герметичном корпусе.
Кстати, корпус, как правило, имеет предохранительный клапан, который нужен, чтобы предотвратить резкое повышение давления внутри аккумулятора. Но самое главное не в этом, а в материалах катода и анода, именно они и химические реакции между ними определяют суть устройства.
Литиевыми такие батареи именуются из-за иона лития, который и является переносчиком электрического заряда. Этот ион способен взаимодействовать с кристаллическими решётками различных материалов, образовывая новые соединения.
Углубляясь в химию, можно увидеть, что и у этого вида аккумуляторов бывают разновидности.
Как правило, отличается катодная часть.
Наиболее интересными являются АКБ с литий-феррофосфатной катодной частью.
Они самые долговечные и меньше теряют ёмкость со временем, их напряжение практически не меняется в процессе разряда, а учитывая тот факт, что одна ячейка такого «аккума» выдаёт около 3,2 В, то, соединив четыре штуки, получим практически стандартное напряжение бортовой сети большинства автомобилей — 12,8 В.
Помимо этого, они выдают хорошие пиковые токи.
Замена свинцового аккумулятора на литиевый
Существует несколько причин, для замены дополнительного аккумулятора в автомобиле.
- Во-первых, это приходится делать тогда, когда аккумулятор перестает держать напряжение под нагрузкой или разряжается настолько быстро, что владелец вынужден заводить двигатель, чтобы поддерживать аккумулятор генератором.
Яркий пример – аккумулятор, к которому в автомобиле подключен инвертор. Во время движения он никогда не заряжается полностью, поэтому уже через год эксплуатации теряет емкость настолько, что не может служить источником питания для инвертора без помощи генератора двигателя
Результаты испытаний нескольких аккумуляторов глубокого разряда разного типа.
Специальное устройство разряжало четыре аккумулятора током 25 А до 10,5 вольт и затем заряжало их таким же током до 14,4 Вольт. В реальной жизни аккумуляторы часто подвергаются таким же нагрузкам.
В испытаниях участвовали недорогой жидко-кислотный аккумулятор, две модели AGM и LiFePo4 аккумулятор. Аккумулятор с жидким электролитом вышел из строя после 18 циклов. AGM — после 180. Состояние литиевого аккумулятора не изменилось
- Во-вторых, свинцово-кислотный аккумулятор глубокого разряда требует внимания. Его приходится регулярно подзаряжать даже тогда, когда он не используется по назначению. Но тщательно следить за аккумуляторами готовы далеко не все. Многие просто хотят эксплуатировать систему при минимальных затратах времени на ее обслуживание
И наконец вопрос о замене аккумулятора возникает, когда необходимо освободить место для полезного груза или уменьшить вес автомобиля.
При равной номинальной емкости литий-железо-фосфатный аккумулятор в три раза легче свинцово-кислотного и занимает на 50% меньше места. Литиевые ячейки без повреждения выдерживают высокий разрядный ток, а их напряжение остается постоянным почти до полного разряда, поэтому аккумулятор отлично подходит для питания инвертора.
Литиевый аккумулятор не обязательно хранить полностью заряженным. Он не теряет емкость из-за сульфатации и его можно оставлять без присмотра на месяцы, не подзаряжая.
Единственный недостаток литий-железо-фосфатного аккумулятора — это его первоначальная стоимость. Аккумулятор дороже свинцово-кислотного той же емкости. Но при его регулярном использовании затраты окупаются.
Поскольку литиевая батарея выдерживает в 5-10 раз больше циклов, чем свинцово-кислотная, то вырабатываемый ей кВтч электрической энергии оказывается дешевле, а эксплуатация выгодней.
LiFePO4 аккумулятор в автомобиле
Перед покупкой LiFePO4 аккумулятора необходимо точно понять, в каком режиме он будет работать, с какой нагрузкой и с какими зарядными токами ему предстоит иметь дело.
Ток зарядки литиевого аккумулятора может быть равен емкости. Это значит, что при наличии мощного источника зарядки полностью разряженный аккумулятор емкостью 100 Ач можно зарядить всего за 1 час.
Скорость зарядки очень важна для батареи, установленной в автомобиле. Ведь в основном заряжать ее придется во время движения машины и времени зарядку будет мало. Однако не все LiFePO4 аккумуляторы одинаковы.
Стремясь уменьшить стоимость, изготовители при сборке батарей часто используют компоненты, не рассчитанные на высокий ток. Цена в результате становится привлекательной, но зарядный ток такого LiFePO4 аккумулятора не превышает 30% от емкости.
Схема подключения литиевого аккумулятора в автомобиле при помощи реле.
Реле развязки соединяет стартовый и сервисный аккумуляторы. Но оно не обеспечивает литиевый аккумулятор правильным зарядным напряжением и не защищает его от высокого тока. Реле не увеличивает напряжение, если оно слишком низкое и не уменьшает его до безопасного уровня, когда оно слишком высокое.
Полностью заряженный литиевый аккумулятор остается под тем же напряжением, как и во время зарядки. Реле не ограничивает ток генератора, поэтому ток, потребляемый аккумулятором, может в несколько раз превзойти безопасный уровень, определенный производителем.
При такой схеме подключения литиевый аккумулятор заряжается неправильно и подвергается опасности
Максимальный ток заряда и разряда аккумулятора зависит не только от качества ячеек, но и от непрерывного тока BMS. Важен именно непрерывный, а не максимальный ток. Максимальное значение не имеет смысла, если не указано время, в течении которого проводилось испытание.
Непрерывный ток BMS должен примерно на 20% превышать предполагаемые зарядный или разрядный токи в цепи. В противном случае плата будет работать на пределе своих возможностей, сильно нагреется и может раньше времени выйти из строя. Хорошая BMS отключает аккумулятор при перегрузке, высоком или низком напряжении и повышенной температуре ячеек
LiFePO4 и генератор автомобиля
Мощность автомобильных генераторов в последние годы неуклонно росла и в современных автомобилях достигает 2000-2500 Вт. Это значит, что при напряжении 14 Вольт генератор способен отдавать потребителям 140 – 180 Ампер.
Однако следует различать номинальный и реальный токи генератора.
- Номинальная сила тока – это сила тока, которую прогретый генератор отдает при частоте вращения ротора 6 000 оборотов в минуту. Номинальный ток определяют в ходе стандартизованных испытаний, и именно его указывают в характеристиках устройства.
- Реальный ток зависит от оборотов двигателя, температуры и нагрузки.
C DC-DС зарядным устройством переносной бензиновый генератор становится не нужен. Ведь под капотом уже имеется автомобильный генератор мощностью 1500-3000 Вт. Все что необходимо – это организовать доступ к такому мощному источнику энергии. Правильно подобранное зарядное устройство не только передает сервисным аккумуляторам большую мощность, но и представит доступ к энергии генератора вспомогательным устройствам, например инвертору
Нагрузкой для генератора служит стартовый аккумулятор и различные компоненты электрической системы автомобиля. Часть потребителей в электросистеме работает постоянно, часть не постоянно, но долго, а такие устройства как звуковой сигнал, вентилятор охлаждения радиатора или фонарь заднего хода включаются время от времени не на долго.
Стартовый аккумулятор разряжается только во время запуска двигателя, поэтому на восстановление его заряда генератор тратит всего несколько минут, в течении которых отдаваемый им ток резко возрастает. По мере зарядки аккумулятора, ток снижается и в дальнейшем зависит от работающих компонентов электрической системы автомобиля – чем меньше устройств включено, тем меньше ток генератора.
Два DC-DC зарядных устройства могут работать параллельно. В этом случае литиевой аккумулятор будет заряжаться быстрее
Поскольку часть устройств потребляет ток в течении очень короткого промежутка времени и почти никогда все потребители не работают одновременно, на полной мощности генератор работает редко.
Исключения составляют экстремальные ситуации, например, пробка на кольцевой дороге вечером в снегопад или прогрев автомобиля перед поездкой после запуска двигателя морозной зимней ночью.
С появлением в автомобиле сервисного литиевого аккумулятора и подключенного к нему оборудования нагрузка на генератор двигателя может значительно возрасти.
После того, как в автомобиле появляется сервисный LiFePO4 аккумулятор, и на его основе создается дополнительная электрическая система у генератора возникает новая мощная нагрузка, поведение которой зависит от состояния LiFePO4 аккумулятора.
Разряженный литиевый аккумулятор способен потреблять ток более 150% от емкости. Сила тока зависит от приложенного к аккумулятору напряжения и от его текущей заряженности. Чем выше напряжение источника зарядки и чем сильнее разряжен аккумулятор, тем больше ток.
При напряжении источника 14 Вольт ток не уменьшается до тех пор, пока батарея не зарядится до 75-80%, а при напряжении 14,4 Вольта почти до полной зарядки аккумулятора. Это значит, что разряженный LiFePO4 аккумулятор емкостью 100 Ач заставит автомобильный генератор отдавать около 100 А.
Если 100 Ампер — это номинальный ток генератора то, как показывают эксперименты, температура внутри его корпуса через пять минут работы возрастет до 160 С, а на пониженных оборотах, когда поток охлаждающего воздуха через корпус уменьшается, до 200 С. Под капотом автомобиля тепло отводится хуже, поэтому температура внутри генератора окажется еще выше и приблизится к 250-300 С.
Как поведет себя в таких условиях генератор неизвестно. Модель всемирного признанного производителя скорее всего выдержит нагрузку. В безымянном устройстве могут сгореть обмотки статора, диоды выпрямителя или расплавится пайка, соединяющая их между собой. В любом случае 2-3 часа работы на полной мощности не пройдут для генератора бесследно.
Предсказать как долго генератор конкретной марки при заданных оборотах двигателя сможет обеспечивать ток, равный стольким-то процентам номинала в реальных условиях можно, но очень сложно.
Поэтому вместо того, чтобы контролировать все три параметра – состояние генератора, отношение потребляемого тока к номинальному и обороты двигателя гораздо проще ограничить ток, потребляемый LiFePO4 аккумулятором до безопасного для генератора значения.
Безопасной считается длительная нагрузка, которая на 20-30% меньше номинальной силы тока генератора.
