Особенности применения литиевых АКБ в автомобилях

Литиевые батареи известны достаточно давно, но вплоть до последнего десятилетия они использовались преимущественно как тяговые батареи, обслуживая кары, подъёмники и подобную технику. И только совсем недавно появились стартовые АКБ, которыми уже оснащают гибридные автомобили от Toyota, Ford и некоторых других автобрендов. Такие аккумуляторы намного легче традиционных кислотных, обладают большей ёмкостью и другими достоинствами. Однако имеются у них технологические особенности, которые мешают литиевым батареям выйти в массы.

Преимущества и недостатки литиевых АКБ

Главный недостаток этого типа автомобильных батарей – их высокая стоимость. Особенно если сравнивать с обычным кислотным аналогом: одно дело заплатить 6 тысяч рублей, и совсем другое – 60.

Но давайте начнём с достоинств:

• вес таких батарей гораздо меньше кислотных аналогов;
• они способны дольше держать заряд;
• количество циклов заряд–разряд примерно втрое больше;
• их эффективность (способность взять или отдать определённое количество электроэнергии) гораздо выше;
• время зарядки тоже несоизмеримо: некоторым моделям достаточно 1 часа, чтобы полностью восстановить заряд.

Звучит привлекательно. Но недостатков у этой технологии никак не меньше, и они весьма серьёзные:

1. Они очень плохо переносят постоянную подзарядку (вернее – перезаряд), так что подпитываться электроэнергией от генератора – это не для них. Решение проблемы – использование специальных конверторов, которые будут управлять процессом зарядки. Пока такие контроллеры весьма несовершенны.
2. Литиевые аккумуляторы для автомобиля нельзя заряжать при отрицательных температурах, да и холод они переносят плохо. Высокие температуры не менее опасны, поскольку перегрев таких АКБ чреват воспламенением и взрывом.
3. Есть проблемы и с адаптацией бортовой системы под литиевые АКБ, без которых их использовать невозможно.

Наконец, стоит упомянуть о таком важном факторе, как ресурс батареи. Он у LiFePo4 аккумуляторов по современным меркам невысок – порядка трёх лет.

Количество циклов литиевых батарей

Среди специалистов принято измерять жизненный цикл автомобильных аккумуляторов количеством циклов заряд–разряд. Безусловно, этот показатель нельзя назвать точным, но в качестве ориентира он используется часто. У литиевых АКБ этот показатель примерно втрое выше, чем у свинцово-кислотных, порядка 1000 циклов.

Читателю будет интересно сравнить результаты тестов, в которых участвовали два AGM-аккумулятора, один классический свинцово-кислотный и литиевая батарея типа LiFePo4. Все участники подвергались глубокому разряду током 25 А с падением напряжения до 10.5 В, после чего заряжались таким же током до номинальных 14.4 В – подобные режимы встречаются и в реальной жизни.

Батарея с жидким электролитом «умерла» после 18 таких циклов, AGM аккумуляторы продержались 180 циклов, на состоянии литий-ионного автомобильного аккумулятора такое количество разрядов-зарядок никак не сказалось.

Впрочем, старение характерно и для этого типа батарей. Факторы, влияющие на этот показатель, известны – это величина тока заряда/разряда, глубина разряда, температура. Современные модели литиевых АКБ оснащаются системой BMS, которая следит за состоянием батареи, не давая ей перезаряжаться и способствуя защите ячеек при глубоких разрядах.

Зарядка LiFePo4 аккумулятора

Способность таких батарей быстро принимать необходимый заряд является преимуществом только на первый взгляд. Скорость внутренних химических реакций далека от мгновенной, вследствие чего состояние электролита при быстром заряде не будет одинаковым. Слои, расположенные в непосредственной близости от электродов, будут заряжены «под завязку», а периферические почти не получат заряда. Чем мощнее АКБ, тем заметнее будет эта разница.

На практике это означает, что вы сможете быстро получить номинальное напряжение на клеммах батареи, но на насыщение электролита потребуется больше времени.

Обычно ток заряда измеряют процентами от ёмкости батареи. Но если для обычных аккумуляторов это 9–10%, то для литиевых – от 50 до 100%. Это много, ведь номинал ёмкости таких батарей может составлять до 100 А*час, так что для их зарядки нужны мощные ЗУ с соответствующими значениями по амперажу.

Скажем, заряжать литиевый автомобильный аккумулятор ёмкостью 75–100 А*час необходимо током 50–100 А. Если в процессе зарядки начнёт подниматься температура электролита, BMS отключит ЗУ, но это будет свидетельством неполадок в батарее или неправильного выбора алгоритма.

Особенности выбора литиевой АКБ для автомобиля

При выборе LiFePo4 аккумулятора необходимо учитывать следующие факторы:

1. Возможности BMS по току, зависящие от ёмкости батареи. Непрерывный ток заряда для этого типа АКБ составляет 50–100% от ёмкости, поэтому обращайте внимание именно на характеристику непрерывного тока заряда, а не на максимально допустимое значение – оно не имеет смысла без указания времени, на протяжении которого проводились соответствующие испытания. BMS должна также уметь отключать АКБ при перезаряде, предельных нагрузках, перегреве, при подаче слишком высокого напряжения.
2. Стоимость. Она может в разы различаться для двух схожих по характеристикам литиевых батарей. Зачастую трудно определить, насколько совершеннее более дорогостоящая модель, поэтому ориентироваться только на ценник не стоит.
3. Предельная скорость зарядки – ещё один важный фактор при выборе литиевого автомобильного аккумулятора. У бюджетных моделей этот показатель может указываться в пределах 0.3С (С – ёмкость батареи), то есть для 100-амперной АКБ это будет 30 А. У премиальных моделей часто указывается значение в 1С. Важно понимать, что скорость зарядки пропорциональна току заряда, то есть чем больше этот показатель, тем быстрее будет происходить восстановление ёмкости аккумулятора. Но здесь возможны нюансы. Скажем, если в моторном отсеке достаточно места для установки ещё одной 100-амперной бюджетной батареи, то вы получите в итоге 200 А*час за те же деньги, что потратите на дорогую модель, пожертвовав при этом скоростью зарядки.
4. Время работы АКБ. Свинцово-кислотные батареи способны отдать только малую часть своего заряда, литиевые – все 100%, причём можно использовать несколько АКБ, соединённых параллельно. В этом случае время работы батареи без подзарядки увеличивается примерно на 25–30% (не удваивается!);
5. Мощность, получаемая батареей от генератора. Данный параметр оказывает влияние на ёмкость литиевого аккумулятора, а также на выбор подходящего зарядного устройства. На современных легковых авто среднего и высокого ценового уровня стоят очень мощные генераторы, на 2000 Вт и больше. Если в автомобиле имеется место только для одной бюджетной 100-амперной литиевой батареи, для зарядки дополнительного источника питания потребуется зарядное устройство номиналом 30 А. Генератор с его помощью получит возможность заряжать батарею током в пределах 25 А, а всего расходовать на основную и дополнительную АКБ примерно 350 Вт. Если использовать АКБ ёмкостью 60 А*час, отдаваемая генератором мощность вырастет до 800 Вт.

Ставить в автомобиль дорогой и мощный LiFePO4 аккумулятор имеет смысл, если все три главные характеристики (допустимый ток заряда АКБ, номинал по току ЗУ и мощность генератора) соответствуют друг другу.

Так, если автомобиль оснащён генератором мощностью 1500 Вт, при номинале ЗУ в 120 А батарея ёмкостью 100 А*час и показателем тока заряда 0.5С будет неподходящей – зарядный ток для неё будет слишком высоким, она будет греться, что недопустимо. Но если ток заряда будет иметь рейтинг 1С, то таких проблем не возникнет.

Установка литиевого аккумулятора

Итак, главное правило – все компоненты системы (сама батарея, генератор и зарядное устройство) должны соответствовать друг другу по номиналам. В противном случае BMS будет просто отключать АКБ из соображений безопасности. Если вы планируете использовать Li-Ion аккумулятор с возможностью зарядки от генератора на автомобилях, соответствующих экостандарту Евро 6, вам, скорее всего, потребуется заменить зарядное устройство на подходящее.

Вместо корпуса машины, используемого в качестве массы, лучше подключать провод, идущий от минусовой клеммы сервисной АКБ к минусовой клемме стартового аккумулятора.

Все провода, используемые для подключения литиевой АКБ, необходимо оснащать предохранителями, причём ставить их нужно возле клемм. Номинал такого предохранителя выбираем из расчёта, чтобы он превышал максимально допустимую нагрузку на 30%. К примеру, если литиевая АКБ на 100 А*час работает в паре с зарядкой, выдающей 60 А, предохранитель на этом участке цепи должен иметь номинал 80 А.