Как правильно выбрать емкость тягового аккумулятора

Содержание

• Что такое емкость аккумулятора и почему она важна.
• Преимущества LiFePO4 аккумуляторов для тяговых применений.
• Определение необходимой емкости: пошаговый подход.
• Выбор емкости LiFePO4 аккумулятора в зависимости от применения.

Для работы различного электротранспорта преимущественно используются тяговые аккумуляторные батареи. Сейчас для этого по большей части применяют литиевые батареи, потому что они обеспечивают должную емкость, хорошие технические характеристики, а еще достаточно быстро заряжаются (предусмотрена возможность организовать быструю зарядку аккумуляторной сборки). Именно от правильного выбора АКБ напрямую зависит то, насколько эффективно и надежно будет работать транспорт, его электроника.

Как правильно выбрать аккумулятор? На какие характеристики стоит обращать внимание?

Чем отличается от силового

Условно все аккумуляторные батареи, которые применяются в транспортных средствах, делят на два типа:

1. Стартовые. Это те АКБ, которые способны выдавать мощный ток, но только на короткий промежуток времени. Именно такие аккумуляторы используются в автомобилях и прочем транспорте с двигателями внутреннего сгорания. За счет своих характеристик позволяют раскрутить стартер и сам двигатель, обеспечить его запуск.
2. Тяговые. Это те АКБ, которые выдают ток, пригодный для использования в транспорте с электрическими двигателями. Мощность — умеренная, но зато они могут её выдавать продолжительный период времени без нагрева, перегрузки и быстрого износа ячеек.

То есть, главное отличие — это пусковой ток. В стартовых он может достигать и 800А, но в таком режиме батарея может работать лишь короткое время, буквально до 10 секунд. Этого как раз достаточно для запуска стартера и мотора. Тогда как в тяговых — всего около 150 – 200А. Этого не хватит для раскрутки стартера и пуска двигателя. Но зато при такой нагрузке АКБ может работать до полной разрядки.

Можно ли использовать стартовые в качестве тяговых? В теории — да, но их эксплуатационный ресурс будет снижаться очень быстро. Его хватит примерно на 20 – 30 циклов зарядки и разрядки, после чего АКБ полностью придет в негодность.

Точно так же и наоборот: использовать тяговой в качестве стартового нельзя. Он, в теории, сможет запустить мотор. Но может возникать перегрев, выход из строя платы контроллера (BMS), износ ресурса будет очень быстрым.

На сегодняшний день для электротранспорта лучшим вариантом является использование тяговых аккумуляторов, произведенных по технологии LiFePO4 (литий-железо-фосфатные). Ключевое их преимущество — это огромный эксплуатационный ресурс. В среднем, они рассчитаны до 4000 циклов зарядки/разрядки до полного износа. Для сравнения: свинцово-кислотные и гелевые АКБ выдерживают всего около 400 циклов, при этом их необходимо регулярно обслуживать, не допускать перегрузки.

Что такое емкость аккумулятора и почему она важна

Емкость аккумулятора — это условное «количество» электрического тока, который может в ней временно храниться «до востребования». Чем больше емкость — тем дольше сможет работать электротранспорт на одном полном заряде. Чаще всего эта характеристика указывается как A*h (ампер*часов). Это означает, сколько часов батарея сможет проработать при статической нагрузке в 1А (условно). Например, если приобретен аккумулятор на 200 А*ч, то это означает, что если он даёт 1А тока, то на его полную разрядку понадобится примерно 200 часов.

Но важно учитывать не только емкость, но и напряжение. Можно описать на примере:

1. АКБ на 200 А*ч с напряжением 12В. Соответственно, при нагрузке в 1А он выдает 12 Ватт мощности (напряжение умножить на силу тока). А его суммарная выдаваемая мощность составит 200*12=2400 Вт*ч.
2. АКБ на 200 А*ч с напряжением 24В. Соответственно, при нагрузке в 1А он выдает 24 Ватт мощности (напряжение умножить на силу тока). А его суммарная выдаваемая мощность на одном полном заряде составит 200*24=4800 Вт*ч. Аж в 2 раза больше.

По умолчанию в емкость, обозначаемую как А*ч не включено напряжение. Но чем оно больше — тем выше общая суммарная емкость аккумуляторной батареи.

Выбирая аккумулятор для электротранспорта, нужно обязательно подбирать ту АКБ, которая соответствует его техническим требованиям. Двигатели, которые в них устанавливаются, рассчитаны на определенное напряжение. Превышать его нельзя!

Что такое глубина разряда

В технических характеристиках аккумуляторов есть ещё такой параметр, как допустимая глубина разряда. Имеется ввиду, до какого напряжения её можно разряжать в процессе эксплуатации. Например, в свинцово-кислотных батарея при просадке напряжения до 10,5 Вольт нагрузку обязательно нужно отключать. При этом в АКБ может оставаться остаточный заряд ещё свыше 30 – 40%. Почему так происходит? Из-за характеристик внутреннего сопротивления ячеек.

В литий-железо-фосфатных батареях параметры глубины разряда гораздо стабильней. Во-первых, большинство АКБ такого типа допускается разряжать вплоть до 9,8 Вольта без их повреждения или уменьшения эксплуатационного ресурса. Во-вторых, они гораздо эффективней держат нагрузку. То есть, напряжение у них снижается постепенно, по мере разряда.

Поэтому используя свинцово-кислотные АКБ, по факту пользователь сможет эффективно тратить всего 60 – 70% их реальной емкости. Остальную часть он не сможет использовать, потому что при включении нагрузки свыше 100 Вт просадка по напряжению будет критической. Тогда как в литий-железо-фосфатных АКБ с этим проблем нет. И можно будет эффективно использовать все 100% емкости.

Плотность заряда

При выборе типа АКБ обязательно ещё нужно учитывать такой параметр, как плотность заряда. Что подразумевается под этим? Если взять условно ячейку аккумулятора размером 100х100х100 миллиметров, то максимальная её емкость составит примерно 1С для свинцово-кислотных батарей. Если же это литий-железо-фосфатная батарея, то её емкость при аналогичных параметрах будет намного больше, в районе 2С.

Поэтому не всегда более крупная по габаритам аккумуляторная батарея лучше. Гораздо важнее то, по какой технологии она изготовлена, какой материал выступает электролитом, анодом, катодом.

Для электротранспорта вес АКБ — это критически важная характеристика. Потому что в современных электроавтомобилей около 60% — это именно вес аккумуляторных батарей. Чем больше общая масса, тем больше нужна мощность, чтобы автомобиль ехал. Это дополнительный плюс в пользу литий-железо-фосфатных аккумуляторов. Ведь они одновременно легче, но плотность заряда, который они способны в себе хранить, на порядок больше.

Преимущества LiFePO4 тяговых аккумуляторов

Дополнительных преимуществ у литий-железо-фосфатных аккумуляторных батарей достаточно много. В частности:

• более стабильное напряжение;
• высокая токоотдача;
• очень быстрая скорость заряда;
• безопасность и термостабильность;
• низкий коэффициент саморазряда;
• их не нужно обслуживать;
• экологичность.

Более стабильное напряжение

Литий-железо-фосфатные аккумуляторы отлично выдерживают нагрузку. Даже при критической выдаваемой мощности коэффициент просадки напряжения у них редко превышает 20%. И это важно для электротранспорта. Потому что чем стабильнее напряжение, тем медленнее изнашивается электродвигатель, который выступает в качестве основного силового элемента.

Высокая токоотдача

Свинцово-кислотные АКБ в тяговом режиме можно нагружать всего на около 0,1С от их емкости (из расчета силы тока). Например, если это обычный автомобильный аккумулятор с емкостью около 65 A*h, то в тяговом режиме его нельзя нагружать больше 6А. При напряжении в 12 Вольт это всего 72 Ватт*ч мощности. Для электротранспорта, где нагрузка может достигать и свыше 1000 Ватт*ч это никоим образом не подойдет.

Литий-железо-фосфатные АКБ лишены этого недостатка. Они в тяговом режиме продолжительный период времени способны выдавать около 100 – 200А. Точные технические характеристики нужно уточнять в техдокументации. Но уже в этом случае из одной ячейки можно брать около 2400 Ватт*ч. И это будет нормальным эксплуатационным режимом. Без перегрузки и с минимальным нагревом.

Очень быстрая скорость заряда

LiFePO4 заряжаются достаточно быстро. В среднем, рекомендуемый для них ток заряда около 0,5С в щадящем режиме. Это означает, что на зарядку АКБ суммарно потребуется потратить всего 2 – 2,5 часа.

Свинцово-кислотные АКБ таким образом нельзя заряжать. Для них допустимый ток зарядки в районе 0,05 – 0,1С. И на зарядку, соответственно, нужно потратить от 10 до 20 часов. Если сила тока будет больше, то электролит в них попросту начнет закипать и испаряться. В критических случаях возможность и повреждение ячеек.

Естественно, что для электротранспорта это важный параметр. Ведь никто не будет тратить десятки часов на то, чтобы зарядить автомобиль, если этого хватит всего на 30 – 40 километров езды.

Безопасность и термостабильность

LiFePO4-ячейки сами по себе практически не нагреваются в процессе работы. Они герметичны, электролит в них не испаряется. Они в разы термостабильней нежели любые другие разновидности аккумуляторных батарей. В том числе в тяговом режиме работы.

И не нужно путать литий-железо-фосфатные АКБ и литий-ионные. Последние значительно уступают в плане термостабильности, могут действительно разогреваться до критических температур в процессе эксплуатации. LiFePO4 в большинстве случаев даже при длительной пиковой нагрузке не разогреваются свыше 45 градусов по Цельсию.

И даже условное замыкание их контактов не приводит к воспламенению, взрыву. Хотя и повреждает их (подобного в процессе эксплуатации необходимо избегать). Опять же, для электротранспорта это важный критерий для соблюдения безопасности водителя, пассажиров. Все случаи, когда электромобили загорались во время езды, связаны именно с использованием литий-ионных элементов или их вариаций.

Низкий коэффициент саморазряда

Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи достаточно быстро разряжаются при хранении. В среднем, около 25% за 3 месяца. Соответственно, если их хранить в гараже, то потребуется хотя бы 1 раз в 6 месяцев выполнять их дозарядку. В противном случае напряжение на ячейках опустится ниже критического уровня. А дальше начинается их деградация. Всего за 1 – 2 года такой аккумулятор полностью приходит в негодность.

В LiFePO4 аккумуляторах саморазряд значительно медленнее. Всего около 1,5 – 3% в месяц. Это означает, что их дозарядку нужно выполнять хотя бы 1 раз в 5 лет при хранении. Естественно, электротранспорт столько времени в простое вряд ли будет находиться.

Как правило, в технической документации производитель указывает точный коэффициент саморазряда, а также приводит детальные рекомендации касательно того, как часто аккумуляторную сборку необходимо повторно заряжать, если она не используется или эксплуатируется в буферном режиме.

Их не нужно обслуживать

LiFePO4-аккумуляторы действительно не нужно обслуживать. Они выпускаются в герметичных ячейках. За балансировку напряжения в них отвечает специальная BMS-плата.

Свинцово-кислотные, для сравнения, нужно регулярно обслуживать. В дополнение к этому контролировать плотность их электролита. Если она слишком высокая, то нужно добавлять дистиллированную воду. Если она слишком низкая электролит (концентрат) — до достижения необходимой плотности. Что будет, если не обслуживать такие АКБ? Эксплуатационный ресурс у них резко уменьшиться, деградация ячеек будет ускоренной.

Для LiFePO4 ничего подобного не требуется. Их средний эксплуатационный ресурс — около 10 лет при умеренном использовании. За весь этот период не нужно доливать электролит, измерять его плотность и так далее.

Экологичность

LiFePO4-аккумуляторы на сегодня являются самыми экологичными. Объясняется это тремя основными факторами:

1. Они не выделяют никаких вредных веществ в процессе эксплуатации. Потому что ячейки полностью герметичны.
2. Их допускается перерабатывать. Во многих странах уже на государственном уровне введены программы, направленные именно на переработку LiFePO4-ячеек с их последующим повторным использованием.
3. В LiFePO4-ячейках минимум тех компонентов, которые теоретически могут навредить окружающей среде при неправильной их утилизации. Те же свинцово-кислотные или литий-ионные наносят ущерб практически в 10 раз больше.

Электромобили сами по себе появились именно из-за борьбы за экологичность. И именно с LiFePO4-АКБ они становятся действительно безопасными для окружающей среды.

Как определить необходимую емкость АКБ для электротранспорта

Чтобы рассчитать необходимую емкость литий-железо-фосфатного аккумулятора под свои потребности, необходимо учитывать следующие факторы:

• какую мощность требует используемое оборудование;
• подобрать напряжение для системы;
• необходимое время автономной работы, то есть, от аккумулятора;
• общая емкость АКБ, исходя из вышеперечисленных критериев;
• условия эксплуатации.

И ещё нужно учитывать, какое именно оборудование планируется дополнительно подключать для обеспечения автономной работы.

Какую мощность требует оборудование

Необходимо составить список всего оборудования, что планируется питать от аккумуляторной батареи. На каждом из них (на этикетке либо в технической документации) указывается, сколько именно потребляет то или иное устройство в Ватт*ч. Как правило, там может быть 2 значения: номинальное и пиковое. Необходимо обращать внимание именно на пиковую мощность. Это максимум, который в теории может потреблять оборудование.

Рассчитав мощность каждого устройства, их необходимо суммировать. Полученная цифра и нужна. Это та самая мощность, которую должен выдать аккумулятор или сборка из LiFePO4.

Напряжение системы

Если говорить об электротранспорте, то там в большинстве случаев требуется аккумуляторная сборка, которая суммарно дает от 48 до 120 Вольт. Естественно, допускается использовать несколько аккумуляторов, подключенных последовательно. В этом случае их напряжение суммируется. Например, если взять 2 АКБ по 12 Вольт и подключить их последовательно, то получится батарея на 24 Вольта. При параллельном соединении напряжение остается таким, как на одной батарее. А вот емкость АКБ суммируется.

Если же планируется запитать систему резервного питания в доме, то её подключают через инвертор. Это специальный преобразователь, который из статического напряжения делает переменное (220 или 380 Вольт, в зависимости от потребностей пользователя и оборудования, которое планируется подключить). Он работает в определенном диапазоне напряжения. Подбирать нужно по данному критерию.

Опять же, если речь идет об инверторах, то многие из них являются универсальными. То есть, способны работать от АКБ с разным напряжением. В диапазоне от 40 до 60 Вольт например. Имеет ли значение, какое напряжение делать в аккумуляторной сборке в этом случае? Зависит от того, до каких параметров ток нужно преобразовывать.

К примеру, если нужно получить переменное электричество на 220 Вольт, то рекомендуется подбирать АКБ с максимально доступным напряжением, например, в 100 Вольт постоянного тока. Чем меньше «скачок» в преобразовании — тем меньше будет затрат на сам процесс инвертирования и КПД всей сборки будет больше.

Необходимое время автономной работы и расчет емкости

Здесь все предельно просто: нужно взять общую потребляемую мощность и умножить её на количество часов. То есть, на то время, когда необходимо в автономном режиме питать оборудование. Например, ранее было рассчитано, что для пользовательского оборудования необходимо 2000 Вт*ч. Питать его потребуется на протяжении 12 часов (столько занимает кемпинг). Соответственно, в запасе нужно иметь аккумуляторную сборку на 24000 Вт*ч. Если напряжение аккумуляторной сборки 60 Вольт, то получается, что емкость потребуется 24000:60=400А*ч.

Нужно понимать, что оборудование вряд ли будет всегда выдавать пиковую мощность. Так что в теории останется еще определенный запас по емкости. Какой именно нужен — тоже зависит от потребностей пользователя.

В случае если подключается оборудование через преобразователь или блок питания, то будут весомые потери. Какие именно — зависит от КПД того самого инвертора. У большинства современных моделей он на уровне 95%. Это означает, что около 5% заряда батареи будет уходить именно на работу инвертора. Это тоже обязательно нужно учитывать при подборе оптимальной аккумуляторной сборки.

Кстати, для более точного расчета можно использовать Ваттметр. Такие продаются в магазинах бытовых товаров. Это небольшой прибор, который подключается в розетку или последовательно в цепь питания устройства. И на дисплее будет отображаться текущее потребление тока, его остальные характеристики (сила тока, текущее напряжение, частота и так далее). Есть ваттметры, которые умеют «подсчитывать» общее потребление за заданный промежуток времени. С помощью такого прибора можно точно рассчитать, какую общую мощность потребляет электротранспорт и все установленное в нём электрооборудование.

Условия эксплуатации

Дополнительно обязательно при выборе АКБ нужно учесть условия эксплуатации, а именно:

1. При какой температуре планируется использовать батарею. Например, свинцово-кислотные нормально переносят условия, когда на улице меньше 0 градусов по Цельсию. А вот литий-ионные — не лучшим образом. LiFePO4 тоже допускается эксплуатировать при отрицательных температурах (до -10 или -20 градусов, в зависимости от модели АКБ).
2. Необходимая скорость зарядки и каким оборудованием это будет производиться. Одно из преимуществ LiFePO4 — это быстрое заряжание. Буквально за два часа можно полностью восполнить емкость сборки до 100%.
3. Количество циклов заряда-разряда. Опять же, лучшим АКБ на этот счет является LiFePO4. Литий-ионные выдерживают всего около 500 циклов. Свинцово-кислотные в районе 200. А вот LiFePO4 свыше 3000 циклов. При этом их емкость снижается примерно на 25% от номинально заявленного, который указан в техническом паспорте.

Самым «непривередливым» к условиям эксплуатации является аккумулятор типа LiFePO4. Это ещё один плюс для того, чтобы его использовать как для питания электротранспорта, так и прочего оборудования в быту.

А можно ли заменить аккумуляторную сборку бензиновым или дизельным генератором? В теории — да, но у этого варианта есть ряд недостатков. Во-первых, для работы генератора нужно топливо. Во-вторых, он огромный, тяжелый, иногда его непрактично использовать (например, на лодке или катере). В-третьих, бытовые генераторы не рассчитаны на большие нагрузки. Как правило, они выдают ток номинальной мощностью до 10 кВт. А вот для зарядки АКБ его использовать действительно можно.

В то же время существуют LiFePO4-аккумуляторы, которые адаптированы для эксплуатации при сверхнизких температурах (до -40 градусов). В некоторых из них предусмотрена система автономного подогрева до рабочих условий. То есть, при хранении АКБ самостоятельно подогревается, сохраняя необходимую рабочую температуру. Нужно лишь учесть, что в таком режиме длительное хранение у них не предусмотрено. Потому что подогрев затрачивает достаточно много энергии.

Другой важный нюанс: в LiFePO4-аккумуляторах при низкой температуре емкость частично снижается.

Проще говоря:

1. АКБ на 100 А*ч выдаст именно такую емкость при температуре окружающей среды в 20 градусов.

2. АКБ на 100 А*ч выдаст всего около 85% своей емкости, если температура будет от 0 до 5 градусов по Цельсию.

Это актуально для всех типов аккумуляторных батарей. Связано с тем, что плотность электролита при низких температурах окружающей среды увеличивается. Соответственно, вместе с этим возрастает и внутреннее сопротивление сборки. Но именно у LiFePO4 этот минус наименее выраженный. У таких батарей снижение емкости при низкой температуре составит всего в районе 10%. Для сравнения: у свинцово-кислотных этот показатель может быть более 40%. Особенно если допустить частично загущение электролита.

Выбор емкости в зависимости от сферы применения

Необходимая емкость аккумулятора во многом зависит от того, для чего именно планируется использовать сборку.

Для автомобилей

Как правило, для электротранспорта требуются АКБ с напряжением в диапазоне от 24 до 60 Вольт. Для автомобилей необходима емкость от 30 до 100 кВт*ч (у большинства моделей заявлены именно такие показатели).

Для электровелосипедов или электромопедов потребуется намного меньше, всего в районе 2 – 10 кВт*ч. Зависит от того, какой требуется запас по километражу. Но, как правило, именно в мобильном электротранспорте всегда предусматривается возможность для быстрой замены аккумуляторной сборки на запасную.

Питание дополнительной электроники

Если АКБ нужен для питания дополнительной электроники в поездках, например, холодильника, ноутбука, фонарей, электронагревателя, то в большинстве случаев необходим АКБ с напряжением от 12 до 24 Вольт (зависит от моделей используемого оборудования). Емкости до 100 А*ч в большинстве случаев будет достаточно. Этого, например, хватит почти на 48 часов беспрерывной работы автомобильного холодильника.

Для лодок и катеров

Как правило, в них ставятся относительно небольшие АКБ. С напряжением до 60 Вольт и суммарным запасом мощности до 10 кВт*ч. Этого хватит примерно на 2 – 3 часа умеренной работы (не на пиковых оборотах).

Если же это небольшая резиновая лодка с электромотором, то для неё запаса в 2 кВт*ч будет достаточно. Опять же, зависит от того, сколько суммарно планируется плавать.

Также частично АКБ будет использоваться для питания дополнительного оборудования: эхолота, навигатора. Но у них потребление относительно небольшое, в районе 20 – 30 Вт*ч суммарно. Для них можно приобрести отдельный небольшой АКБ, который обеспечит их автономную работу примерно на 12 – 24 часа.

Для автодомов

В автодомах суммарное потребление всех приборов (холодильник, нагреватель для воды, освещение) может достигать 5 кВт. Среднее потребление — 2 кВт. В большинстве случаев нужно, чтобы в автономном режиме он мог проработать хотя бы пару суток на кемпинге. Соответственно, для таких целей рекомендуется покупать АКБ типа LiFePO4.

Если же планируется использовать электричество и для отопления, то там уже нужно дополнительно учитывать потребление нагревателя. У большинства траков это в районе 3 кВт.

LiFePO4-аккумуляторы на сегодня являются самыми популярными для питания электротранспорта или дополнительного оборудования, которое в нем устанавливается. Но чтобы подобрать верный по емкости АКБ, который в полной мере удовлетворит потребности покупателя, необходимо учитывать общую мощность, что потребляет оборудование, напряжение, а также нужно время автономной работы.