Литиевый (литий-ионный) аккумулятор для авто

Почему вместо тяжелых свинцовых аккумуляторов мы не используем маленькие и легкие литиевые

Батареи на основе лития сегодня повсюду – они практически вытеснили все остальные типы аккумуляторов. Однако традиционный автомобиль с двигателем внутреннего сгорания упорно сопротивляется «литиевой экспансии», по-прежнему используя для запуска мотора классические свинцово-кислотные батареи, которым, кстати, в этом году исполнилось 160 лет! Почему так происходит?

160 лет назад, благодаря парижскому профессору физики, электротехнику Гастону Планту, появился первый свинцово-кислотный аккумулятор – знакомая каждому в наши дни деталь любого автомобиля. Когда автомобильный век вошел в свои права, «свинец» долгие годы удерживал монополию под капотом, будучи оптимальным типом химического источника тока с величиной, достаточной для вращения стартера ДВС.

Однако литиевые батареи (технологий батарей с катодами на основе соединений лития достаточно много, на мы сейчас не будем углубляться в нюансы и все их поименуем для простоты «литиевыми») превзошли своих свинцовых дедушек, обеспечивая те же параметры емкости и токоотдачи в существенно меньшем весе и объеме. Почему же до сих пор на прилавках магазинов автозапчастей мы не видим литиевых стартерных батарей? Попробуем разобраться!

Для чего вообще нужен аккумулятор в автомобиле?

Этот вопрос может показаться странным – вроде бы тут всё и ежику понятно. Однако значение аккумулятора не всегда было одинаковым…

Возьмем сперва для примера простенький старый автомобиль – типа всем известной «копейки-жигулей». В принципе чтобы поехать на таком авто, 12-вольтовая батарея нужна фактически только для запуска мотора – питания стартера и начального кратковременного питания обмотки возбуждения генератора. После начала устойчивого вращения коленвала стартер выключается, а генератор переходит в режим «самоподхвата» – то есть обмотка возбуждения начинает питаться от того же напряжения, что он сам и вырабатывает. Все энергообеспечение машины, от зажигания до освещения, взял на себя генератор, и аккумулятор больше в процессе не участвует. Если теперь батарею отключить, или даже вообще выкинуть из-под капота, двигатель продолжит стабильную работу и без нее.

При наличии же «кривого стартера» простейшие карбюраторные машины фактически и вовсе могли обходиться без полноценного аккумулятора – для езды было бы достаточно маленькой и маломощной батарейки с напряжением 5-10 вольт, отдающей ток 3-5 ампер и необходимой лишь для того, чтобы кратковременно подать напряжение на обмотку возбуждения генератора во время верчения заводной рукоятки.

Впрочем, подобный пионерский минимализм – езда без аккумулятора – был возможен (да и то с оговорками) лишь на авто с предельно примитивным электрооборудованием без электроники. На машинах, получивших коммутатор в зажигании, транзисторный радиоприемник, и, тем более, на первых инжекторах, аккумулятор после запуска отключать уже стало рискованно. Несмотря на то, что после начала ровной работы мотора батарея по-прежнему выходит из игры, уступая роль источника электричества генератору, на автомобилях с электроникой аккумулятор сохраняет важное значение – фильтрующе-стабилизирующее. Батарея, как огромный конденсатор, помогает током на холостых оборотах, когда отдача генератора слабеет, сглаживает возникающие изредка высоковольтные пики-выбросы напряжения и делает пульсирующий постоянный ток стабильным – «чистым», как говорят электронщики. Для «дубовых» потребителей, типа лампочки или обогрева стекла, это несущественно, но вот для полупроводников – жизненно важно.

Ну а на современных продвинутых авто классом выше среднего значимость аккумулятора и вовсе резко возросла. Тут уже в принципе нереально завестись без батареи с буксира, даже если вдруг попадется модификация машины без АКП. Множество электронных блоков, сидящих на цифровой шине, включаются перед запуском мотора, и еще до начала работы стартера успевают провести мгновенный опрос состояния различных датчиков и систем, дав в итоге одобряющую или запрещающую команду на старт.

В процессе работы мотора многочисленная электроника требует стабильного и чистого питания в бортсети, а после глушения электронные модули продолжают функционировать некоторое время, завершая процессы сохранения разнообразной адаптивной информации. Резкое исчезновение батареи через скидывание клеммы может вогнать электронику продвинутой современной машины в ступор. После возвращения аккумулятора на место (или зарядки разряженного в ноль) двигатель, конечно же, заведется, но наверняка закидает водителя множественными «чеками», некоторые из которых еще и не пропадут сами, а погасятся только с помощью фирменного диагностического софта у официалов…

Существуют ли литиевые стартерные батареи?

Итак, надо признать, что в современном автомобиле на аккумуляторе лежит куда большая ответственность, нежели полвека назад. Но обязательно ли ему, как те же полвека назад, быть таким здоровенным и массивным? Сегодня у многих автовладельцев имеется так называемый «пусковой бустер» или «джамп-стартер» – портативный 12-вольтовый пауэрбанк с литиевой батареей и проводами-«крокодилами», который способен запустить двигатель практически любого автомобиля с напрочь севшим штатным аккумулятором. Эти миниатюрные гаджеты легко заводят не только бензиновые моторы малолитражек, но и многолитровые дизельные двигатели внедорожников и легких грузовиков. Держа такую игрушку в руках, невольно задаешься вопросом: зачем нужны 20 килограмм свинцовой батареи, если вполне достаточно полкило «лития»?

Вопрос, лежащий на поверхности, и вполне закономерный. Польза от замены «свинца» на «литий» была бы очевидна и бесспорна – в автопроме никогда не прекращалась борьба за снижение массы, и любые, даже самые незначительные победы на этом фронте всегда преподносятся производителями как успехи инжиниринга и движение по пути прогресса. Да и чисто практический профит налицо – срок службы «лития» вдвое-втрое должен превышать таковой у «свинца». Но, обойдя все магазины автозапчастей в городе, литиевого аккумулятора вы не найдете… Почему? Их не существует?

Читайте также:
Shell Helix Ultra 5W-40: характеристики и отзывы про моторное масло

Существуют. Однако распространенность настолько невелика, что выпускаются они исключительно самими автомобильными брендами для считанных моделей и не имеют альтернативных аналогов. Имена же машин, на которых устанавливаются литиевые стартерные АКБ, говорят сами за себя, и удивляться отсутствию таких батарей в магазинах не приходится – «литий» крутит стартеры у гражданских моделей McLaren (570S, 650S, MP4-12C), у Porsche Cayman R, 911 GT3, Boxster Spyder, у Mercedes S-klasse W221, W222, CLS-klasse C218 и ряда других, у BMW M3, M4 и тому подобных единичных моделях некоторых иных марок. Серийные штатные литиевые батареи существуют уже около десяти лет, но их по-прежнему весьма немного, и применяются они исключительно в высокотехнологичных премиальных и спортивных машинах.

Особенности конструкции литиевых АКБ и эксплуатации машин с ними

Как правило, корпуса литиевых батарей повторяют геометрию стандартных свинцовых. Идентичны у них и силовые клеммы. Электрические параметры «повседневных» литиевых батарей – те же, что и у свинцовых, подходящих для аналогичных моторов. Например, литиевая батарея Mercedes имеет емкость 78 ампер-часов и максимальный ток холодной прокрутки 550 ампер. Разве что вес существенно ниже – 12 килограммов. Хотя ниже он в лучшем случае вдвое… Не в десять раз, не в пять и даже не в три, как можно было бы ожидать.

«Повседневная» литиевая батарея BMW имеет емкость 69 ампер-часов, ток холодной прокрутки 770 ампер и вес 14 килограммов. А вот «спортивная» литиевая батарея Porsche, способная заменить свинцовый аккумулятор на 60 ампер-часов с пусковым током 480 ампер, имела емкость всего… 18 ампер-часов, но при этом вес 6 килограммов и высоту, как у пачки сигарет!

Литиевую стартерную батарею чаще всего «нельзя просто взять и поменять» (с) на свинцовую, традиционной конструкции. Помимо стандартных силовых контактов у такого аккумулятора имеется дополнительный информационный разъем – с помощью него происходит подключение к цифровой шине данных, которая обеспечивает постоянный диалог аккумулятора с машиной и контроль за батареей. В принципе, переконфигурировать некоторые автомобили с «с лития на свинец» возможно, но эта процедура делается только официалами, и сосед Вася (который уверяет, что он – диагност), тут не поможет. А официалы дешево не перепрограммируют, ибо заинтересованы в первую очередь продать вам новую оригинальную литиевую батарею за $2000, а не свинцовую за $100…

Впрочем, на некоторых машинах «свинец» можно применять временно и без вмешательства в софт и хард. Например, в руководстве пользователя суперкара McLaren MP4-12C сказано, что в экстренной-преэкстренной ситуации (когда литиевый стартерный аккумулятор полностью неисправен или отсутствует) таки можно временно воспользоваться традиционной свинцово-кислотной батареей. Автомобиль отчасти «сойдет с ума»: станет некорректно работать ряд функций – индикация разряженной батареи, поворотники, парктроники, в качестве меры безопасности не поднимутся до конца стекла дверей и т.п. Однако машина все же заведется и поедет.

А вот тот же Porsche, когда в свое время презентовал свою шестикилограммовую «спортивную» батарею, проявил клиентоориентированность, предложив ее в качестве дополнительной совместимой опции к традиционному свинцово-кислотному аккумулятору. И предупредил пользователей своих автомобилей: легкая батарея оптимальна для теплого времени года, и даже при небольшом минусе на улице ее емкость (и без того крошечная!) заметно упадет. А поскольку батареи взаимозаменяемые, ввиду климатической привередливости лития владельцам спорткаров рекомендовалось повседневно ездить на «свинце», а при визите на гоночный трек временно менять аккумулятор на облегченный для улучшения управляемости и динамики.

Собственно, о холоде… Вот мы и подобрались к едва ли не главной проблеме литиевых стартерных батарей – боязни отрицательных температур и сопутствующей ей боязни глубокого разряда. Безусловно, литиевая химия эволюционирует, современные аккумуляторы существенно расширили температурный диапазон своих предшественников десятилетней давности, но все же свинцу (который, к слову, тоже сильно страдает от морозов) литий до сих пор в хладостойкости уступает.

В электромобилях высоковольтные литиевые батареи имеют принудительный подогрев, но если у тяговой батареи емкостью не менее 30 киловатт-часов есть ресурс для самообогрева, то со стартерной 12-вольтовой батареей такое не прокатит. Риск не завестись зимой в ситуации, когда аналогичное авто со «свинцом» успешно прокрутит свой стартер, у «лития» существенно выше, и поделать с этим ничего пока не удается.

Продолжительные простои на небольшом холодке (а то и в тепле!), кстати, не менее опасны, чем внезапно ударивший сильный мороз. К примеру, владельцы BMW M-линейки с литиевыми аккумуляторами уже жаловались на выход АКБ из строя из-за длительного простоя машины. Батареи уходили в глубокий разряд, электроника в них блокировалась и не реагировала ни на «прикуривание», ни даже на внешние зарядные устройства. С подобным сталкивались даже некоторые американские покупатели новых баварских «Эмок», чьи аккумуляторы успевали умереть, пока заказанная клиентом машина шла 2-3 месяца из Европы к штатовскому дилеру. А тем, кто сам не уследил за уровнем заряда, приходилось покупать новую уже за свой счет…

Читайте также:
Шкив коленвала: съемник, болт, демпферный и зубчатый шкив

А если все же… очень хочется?

Приходится признать, что по большому счету литиевые стартерные батареи на сегодняшний день способны принести реальную пользу либо очень искушенному автогонщику, всерьез «отлавливающему» каждый грамм веса, либо самому автопроизводителю, который использует их фактически лишь для подчеркивания собственной инновационности, ощутить которую конечный владелец вряд ли сумеет. А вот геморроя отгрести – это запросто… В общем, никаких объективных доводов для массового автовладельца в пользу приобретения стартерного «лития» нет – и даже срок службы в якобы десять лет не убедит покупателя: редко кто сегодня держит автомобиль столь долго, да и сменить за этот срок 2-3 свинцовых аккумулятора по $100 каждый объективно гораздо дешевле, чем вложиться в «литий» за $1000-2000 с его нюансами и ограничениями.

И тем не менее круг желающих обрести такую батарею существует, и он шире, чем кажется на первый взгляд. Низкий вес и полную герметичность ценят, к примеру, любители бюджетного автоспорта, профессиональные джиперы, готовящие свои машины к суровым соревнованиям, или фанаты спортивного автозвука. А также непоседливые владельцы самых обычных машин, которым просто хочется поставить под капот «что нибудь интересненькое».

На легкие 12-вольтовые автомобильные аккумуляторы имеется хотя и не слишком большой, но вполне стабильный и даже растущий спрос, и он удовлетворяется небольшими кустарными мастерскими. Заказать литиевую стартерную батарею можно с любыми параметрами – как в стандартном аккумуляторном корпусе, так и в любом по размерам заказчика, с полной защитой от перезаряда, глубокого разряда и короткого замыкания или с более дешевой частичной. Изготовители обычно подчеркивают, что электроника их батарей обеспечивает полную совместимость по режимам работы со свинцовыми – достаточно просто заменить аккумуляторы один на другой и все. Не нужно поднимать напряжение генератора, что-то перепрограммировать и т. п.

Максимальный стартерный ток мелкосерийных литиевых батарей, собираемых на достаточно современных элементах, составляет 530-550 ампер, чего достаточно для большинства автомобилей. Цена же зависит от емкости, и для моторов до двух литров хватает даже… 10 ампер-часов! На такой батарее вполне можно повседневно эксплуатировать машину в качестве транспортного средства, избегая, конечно, ситуаций типа простоя со включенной музычкой на пикнике. Поэтому все же батареи-«десятки» обычно покупают любители недорого погонять на треке – владельцы горячих хетчбеков, типа Opel Astra GTS или Renault Megane RS, которым совсем невредно скинуть килограмм пятнадцать-двадцать с передней оси. Стоимость подобного «спортивного» аккумулятора – около 14-15 тысяч рублей: это вам не коробочка из Porsche за $3000, хотя и машины – далеко не Porsche…

Литиевая же батарея, пользоваться которой можно так же, как и штатной свинцовой на 55-65 ампер-часов, – это уже около 20-25 ампер-часов емкости и полный комплекс защит, включая защиту по нижнему порогу разряда. Стоить такая будет примерно 25-30 тысяч рублей. На фоне штатных батарей, упомянутых выше, цены весьма скромные, хотя и не всех устроит незаводское происхождение аккумуляторов.

Кстати, нельзя под конец не упомянуть сферу транспорта, куда литиевые стартерные батареи успешно проникли и даже закрепились. Это мототехника – скутеры, мотоциклы, квадроциклы. Для них в продаже доступен относительно широкий (хотя и не сопоставимый пока со свинцом) выбор литиевых аккумуляторов промышленного (а не кустарного!) изготовления, которые при емкости 3-7 ампер-часов более-менее недороги, совершенно безразличны к любого рода тряске и кренам, легки и герметичны. Ну а вопрос холодобоязни решился сам собой – мототехника, за исключением снегоходов, эксплуатируется все же в подавляющем большинстве случаев при плюсовых температурах или в крайнем случае при легком минусе, для батарей нестрашном.

Литиевые аккумуляторы для автомобилей

Многие автомобилисты задаются вопросом, есть ли смысл заменять кислотный АКБ на щелочной, литиевый. Уже есть прецеденты, Toyota Prius C, Ford Fusion Hybrid сходят с конвейера со стартовыми АКБ нового поколения. Литиевые стартовые аккумуляторы легче, имею большую емкость, но стоят дорого и есть особенности, мешающие их широкому внедрению. Тяговые литиевые аккумуляторы успешно работают на карах, подъемниках и другой аккумуляторной технике.

Литиевый аккумулятор 12 вольт для автомобиля

Что представляет ионно-литиевые аккумуляторы для автомобилей? В корпусе упаковано определенное количество элементов одного вида, соединенных между собой для обеспечения нужной емкости и напряжения батареи.

Для этого можно взять аккумуляторы с разными активными компонентами. Все они содержат ионы лития в разных химических соединениях, меняющих характеристики изделия.

Все литий-ионные элементы представляют призматические или цилиндрические герметичные упаковки, в которых внутри имеется катод, в виде графитового слоя на подложке из металлической фольги. На другой ленте расположен активный состав. Прокладка, сепаратор, пропитана неводным раствором литиевой соли. Она проницаемая, ион лития внедряется в структуру графита или уходит из нее, создавая разность потенциалов.

Читайте также:
Замена и прокачивание сцепления Рено Сценик 1 и 2

Состав и свойства разных литий-ионных аккумуляторов:

Параметр LiCoO2 Li MnO4 LiFePO4
Уд. плотность энергии, Втч/кг 150-190 100-135 90-120
Жизненный цикл 500-1000 500-1000 1000-2000
Время быстрой зарядки, ч 2-4 Менее 1 Менее 1
Терпимость к перезарядке отсутствует отсутствует отсутствует
Номинальное напряжение V 3,6 3,8 3,3
Максимальное V 4,2 4,2 3,6
Минимальное V 2,5-3,0 2,5-3,0 2,5-2,8
Миним. t работы -10 -10 -30

Однако кобальтовый состав больше склонен к возгоранию. Температура ниже +10 способствует резкой потере емкости.

Самыми нетребовательными считают ферритные аккумуляторы. Они не склонны к взрыву, работают на морозе до -30 градусов и легче справляются с восстановлением после глубокой посадки, но не ниже, чем до 2 В. Именно они могут обеспечить пусковой ток в 60С.

Все батареи собираются из отдельных аккумуляторов, используя последовательное и параллельное подключение. Это позволяет создать напряжение 12 В поставив последовательную цепь из 4 групп с параллельным включением 6 элементов. При этом обязательно требуется использовать балансиры и MBS для обеспечения равномерной зарядки до номинала всех банок, и специальная зарядная станция.

Преимущества и минусы стартовых литиевых АКБ для авто

Что для автомобилиста лучше, поставить на автомобиль аккумулятор нового поколения, стоящий около 120 000 рублей или купить дорогой (120$), но привычный кислотный АКБ?

К преимуществам литиевого аккумулятора относят его малый вес. Но так ли важно десять лишних килограмм для многосильного мотора? Да, зарядная емкость у литиевого аккумулятора выше раза в 2, циклов перезарядки он выдержит раза в 3 больше. Пусковой импульс стартер будет получать безотказно и стабильно, если выполнить условия эксплуатации.

  1. В первую очередь, новый аккумулятор нельзя заряжать напрямую от генератора. Вспомните, он не терпит перезаряд и очень быстро выйдет из строя. Значит, потребуется конвертор, который будет преобразовывать ток от генератора для питания аккумулятора.
  2. Характеристики любых литиевых аккумуляторов резко падают при понижении температуры и в этом они уступают свинцовым АКБ.
  3. Еще более опасна для батареи температура выше +60 0 С. Перегрев может привести к пожару и взрыву.
  4. В бортовой системе не должно быть высоких токовых нагрузок. И стартер, и лебедка и другие инструменты должны принять условия работоспособности аккумулятора. А это выльется в дорогостоящую модернизацию электрической схемы.
  5. Моторесурс аккумулятора зависит от равномерности заряда банок, постоянной вибрации, разрушающей контакты и способствующие коррозии корпуса. Емкость банок в таких условиях резко уменьшается.

Адаптация автомобиля под литиевый-литиевый аккумулятор выльется в сумму, больше стоимости самого источника энергии. Однако рассчитывать на длительную работу АКБ не приходится – максимум 3 года.

Вывод

Как тяговый, на транспорте литиевый аккумулятор уже занял рабочую нишу. Как стартовый – еще не находит широкого применения из-за высокой стоимости и адаптации к условиям эксплуатации. Посмотрите видео, почему нельзя ставить литиевый аккумулятор на неприспособленные автомобили.

Литий-ионные батареи для электромобилей

Статья обновлена: 2021-07-22

Основой конструкции электромобиля является силовая установка. В ее состав входит несколько электродвигателей и аккумуляторных батарей. В отличие от автомобилей с ДВС, работающих на стартерных аккумуляторах, электромобили используют тяговые АКБ. Их главное отличие заключается в постоянном снабжении работающих двигателей запасенной электроэнергией.

Стартерные аккумуляторы работают только в момент включения мотора, а тяговые выдают меньшие токи, но работают в постоянном режиме. Они выступают непосредственными источниками питания электродвигателей и обеспечивают высокую эффективность преобразования полезной энергии – свыше 90%. Для сравнения, автомобили на ДВС получают от своих двигателей всего 40% полезной энергии.

Какие батареи используются в электромобилях?

Преимущественно современные электромобили ездят на Li-ion батареях. По прогнозам экспертов эта технология будет доминировать еще несколько лет, что подтверждают и инвестиции ведущих производителей экомобилей. Технологии развиваются, и весь мир ожидает революции в производстве аккумуляторных батарей. Но пока Li-ion аккумуляторы остаются вне конкуренции.

Некоторые изменения коснулись только химического состава катода. В частности, компания Tesla сейчас использует никель-кобальт-алюминиевые (NCA) аккумуляторы Panasonic и никель-марганцево-кобальтовые (NMC) ячейки LG Chem со сниженным содержанием кобальта. Использование катода с 80% Ni, 15% Co и 5% Al позволило повысить емкость элементов без ущерба для их температурной стабильности. Иногда применяется соотношение компонентов Ni:Mn:Co=8:1:1. Компания CATL производит NMC-аккумуляторы с 20% кобальта.

Особого внимания заслуживают литий-железо-фосфатные АКБ – LiFePO4. Эта разновидность Li-ion аккумуляторов минимум вдвое превосходит аналоги по циклическому ресурсу, имеет расширенный диапазон рабочих температур и максимально безопасна в эксплуатации. Такие батареи используются, например, в китайском электроседане BYD Han и обеспечивают ему пробег на 1 заряде до 605 км.

Емкость и запас хода

Пробег на 1 заряде зависит от энергоемкости используемых в электромобиле литиевых батарей и других факторов: силы и направления ветра, рельефа местности, загруженности автомобиля и т.д. В таблице приведены ориентировочные характеристики самых дальнобойных электромобилей:

Максимальное расстояние пробега на 1 заряде, км

Ford Mustang Much-E

Читайте также:
Где находится датчик стоп сигнала

Hyundai Kona Electric

Volvo XC40 Recharge

Многие модели электромобилей поставляются в разных вариантах комплектации – с АКБ различной емкости. Поэтому и дальность пробега на 1 заряде даже у автомобилей одной марки отличается.

Ресурс Li-ion батарей в электромобилях

Срок службы литий-ионных батарей для электромобилей составляет 1000–1500 циклов заряд-разряд, что в среднем соответствует 8–10 годам эксплуатации. Вдвое больший ресурс имеют АКБ типа LiFePO4. Производители электромобилей дают на свою продукцию гарантию 5–8 лет. Поэтому если при эксплуатации экомобиля какой-либо модуль батареи преждевременно выйдет из строя, покупатель может рассчитывать на его замену.

Срок службы литиевых АКБ сокращается при частом использовании технологии быстрой зарядки. Этот способ удобен, т.к. позволяет за полчаса или час восполнить 80% заряда, но он в 1,5–2 раза ускоряет естественную деградацию Li-ion аккумуляторов. Поэтому чтобы продлить срок службы батареи, ее нужно заряжать меньшими токами.

Стоит отметить, что батареи типа LiFePO4 менее чувствительны к быстрому заряду и более устойчивы к деградации, чем Li-ion АКБ остальных видов.

Зарядка АКБ электромобилей

Заряжать аккумуляторные батареи электромобилей можно на специальных зарядных станциях или в домашних условиях от сети 220 В. Встроенные зарядные устройства преобразуют переменный ток сети в подходящий для АКБ переменный ток нужного напряжения. Для зарядки от обычной розетки используются ЗУ мощностью от 3,6 кВт. Они обязательно имеют защиту от короткого замыкания, перезаряда и перегрева.

Зарядка от обычной электросети длится дольше, чем от специальной станции. Например, батарея емкостью 70 кВт·ч может заряжаться от обычной розетки 15–18 часов, а на зарядной станции – не более 5 часов. В режиме быстрой зарядки запас энергии восполняется всего за полчаса или час, но часто использовать этот способ не рекомендуется.

Снижение емкости АКБ

Емкость Li-ion батарей постепенно снижается, даже если они просто лежат на складе. Через несколько лет номинальная емкость АКБ уменьшается на 20–30%. Например, батареи популярных электромобилей Tesla Model S и Nissan Leaf на практике теряют 5–10% емкости за первые 2 года эксплуатации и еще 15–20% за следующие 3 года. В дальнейшем ежегодное снижение емкости у них составляет 1–5%.

В связи с этим сокращается и расстояние пробега на 1 заряде. Так, приобретенный более 5 лет назад Nissan Leaf может преодолевать без подзарядки до 130 км пути, хотя изначально проезжал 160 км. Выпущенные в 2013 году электромобили Tesla Model S и сейчас преодолевают на 1 заряде не менее 200 км, но изначально проезжали 335 км. Похожие тенденции наблюдаются и у экомобилей других марок.

Замена аккумуляторных модулей

Батарея электромобиля состоит из последовательно соединенных модулей, каждый из которых собирается по определенной схеме для получения необходимых значений напряжения и емкости. Если какой-либо модуль поврежден или преждевременно вышел из строя по другой причине, он подлежит замене. Модульная конструкция батарей электромобилей позволяет менять аккумуляторные блоки выборочно.

Но для эффективного применения Li-ion батарей в электромобилях и других видах техники важно, чтобы характеристики всех модулей были максимально идентичными. Если же использовать вместе с новыми модулями старые блоки со значительно меньшей емкостью, они быстрее выйдут из строя.

Утилизация и переработка литиевых АКБ

Для полноценного развития электротранспорта важно организовать безопасную утилизацию и эффективную переработку литиевых батарей. С одной стороны, это важно для экономного расходования природных ресурсов: лития, кобальта, никеля, алюминия и других минералов. С другой стороны, нельзя допустить загрязнения планеты опасными химическими отходами.

Батареи электромобилей подлежат замене в среднем через 8–10 лет эксплуатации, когда их начальная энергоемкость снижается на 30%. Такими аккумуляторами можно оснащать солнечные электростанции и другие системы.

Батареи, полностью отработавшие свой ресурс, подлежат переработке с извлечением и повторным использованием содержащихся в них компонентов. В дальнейшем их можно использовать не только для производства батарей, но и для других целей.

Важный плюс переработки литиевых батарей – возможность сократить добычу минералов, а также снизить стоимость химических элементов и самих аккумуляторов. Ожидается, что именно переработка отходов позволит минимизировать затраты и повысить доступность электромобилей. Пока еще мало батарей электромобилей отработали свой ресурс. Но постепенно их количество будет расти, поэтому переработка аккумуляторных отходов считается очень перспективным и необходимым направлением.

Особенности использования литиевых аккумуляторов для автомобилей

Литиевый аккумулятор для автомобиля набирает все большую популярность. Легкие литиевые аккумуляторы разработаны для целого ряда транспортных средств, начиная от мотоциклов и заканчивая военной техникой. Растущий спрос на них заставил поставщиков и ученых сосредоточиться на повышении плотности энергии, рабочей температуры, безопасности, долговечности, времени зарядки и выходной мощности литий-ионных батарей.

Разработка литиевых АКБ началась с 1912 года под руководством Г.Н Льюиса, но появились первые литиевые неперезаряжаемые источники питания только в начале 1970-х годов. В 1980-х годах попытались разработать перезаряжаемый питающий элемент, но разработка не удалась из-за нестабильности в металлическом литии, используемом в качестве основного материала.

Литиевая батарея использует литий в качестве анода. АКБ Lion используют графит в качестве анода и активных материалов в катоде.

Читайте также:
Газовый редуктор для автомобиля: устройство и эксплуатация

В связи с нестабильностью лития во время зарядки ученые стали использовать неметаллический раствор с использованием лития. В 1991 году фирма «SONY» запатентовала первый ион Li батарею. Продолжая развиваться, она остается популярной и перспективной на мировом рынке.

С другой стороны, цена на автомобильные литиевые аккумуляторы в несколько раз превышает стоимость свинцово-кислотных.

Автомобильный литий-ионный аккумулятор часто используется в электромобилях. Электромобиль приводится в движение, используя энергию источника питания.

Типы батарей электромобиля

В электромобилях используется три типа аккумуляторных батарей: свинцово-кислотные, батареи гидрида металла никеля и литий-ионные источники питания.

Свинцово-кислотные АКБ изобретены в 1859 году и считаются привычной формой источника питания. Они использовались во всех типах автомобильного транспорта. Это вид жидких батарей, которые содержат емкости со слабым раствором серной кислоты.

Свинцовые электроды и кислота используется для производства электроэнергии в АКБ. Источник питания не имеет сложности в обслуживании и отличается небольшой стоимостью. Но содержит опасные газы, которые приводят к взрыву при неправильной эксплуатации.

Никель-металлогидридные аккумуляторы используются с 1980 года. Это маленькая, легкая и вместительная батарея, которая имеет высокую плотность и не содержит никаких токсических металлов.

Литий-ионные аккумуляторы для автомобилей используются с начала 1990 года. Они отличаются очень высокой плотностью энергии.

Этот тип питающих элементов считается лучшим для питания электромобилей.

Какие бывают типы литий-ионных батарей и где используются

В настоящее время используются три вида LIB, которые отличаются материалами катода.

Катоды лития, содержащие кобальт (Limo2).

Этот тип особенно эффективен. Кобальтовый ион Со3+ маленький, поэтому катод построен таким образом, что литий-ионные катоды легко перемещаются. Это важно для высокой плотности энергии и емкости, чтобы выпускать маленькие и легкие батареи. Используется в портативной электронике и электромобилях.

Литий-кобальтовый оксид LiCoO2 (LCO) – это тонкое устройство чувствительно к повреждениям, поэтому используется лишь в электроприборах.

Литий-Никель-Кобальт-Оксид Алюминия (LiNiO.8Co0.15Alo.05 или NCA) является надежным соединением. Обеспечивая хорошую плотность энергии и высокую мощность, эти материалы используются как литиевые аккумуляторы 12 вольт для автомобиля.

Литий-Никель-Марганец-Кобальт-Оксиды (NMC) – прочнее и долговечнее, чем тип NCA. Большинство производителей электромобилей используют этот катодный материал. При этом существует несколько вариантов, в которых металлы содержат никель, марганец и кобальт в различных соотношениях. Чем больше доля никеля – тем выше содержание энергии.

Катоды из оксида фосфора-железа-лития (LiFePO4 или LFP).

Этот вид также прочен, но имеет низшую плотность энергии, чем катоды LiMО2. Китайские производители используют для электромобилей городского цикла. Заряда хватает на короткие расстояния.

Катоды из оксида марганца-лития (LiMn2O4 или LMO).

Этот вид раньше использовался в электромобилях, но катоды, содержащие кобальт, превосходят их по стабильности и плотности энергии.

В этом видео описаны подробные характеристики ионных аккумуляторов, размеры, состав и расшифровки маркировок.

Преимущества литиевых аккумуляторов

  • Очень высокая плотность энергии. Превосходит в четыре раза свинцово-кислотные источники питания.
  • Высокое напряжение клеток. Литий-ионная ячейка заменяет три ячейки NiCd или NiMH, которые обеспечивают только 1,2 вольта. Ученые в настоящее время работают над обеспечением более высокого напряжения в клетках. Чем больше напряжение в клетках, тем меньше клеток требуется. Это дает возможность сделать батарею легче и вместительнее.
  • Переносят высокие токи разряда. Это позволяет работать автомобильным приборам, таким как холодный стартер или приводы для гибридных автомобилей с маленькой емкостью АКБ.
  • Увеличивают мощность и производительность, в зависимости от требований.
  • Имеют возможность быстрой зарядки.
  • Отсутствует эффект памяти – полная разрядка не влияет на продолжительность срока службы.
  • Низкая скорость саморазряда (от трех до пяти процентов в месяц, сохранят работоспособность до десяти лет).
  • При заряде батареи на 100 % способна отдать энергию тока без технических повреждений.

Вариации базового химического состава (например, различные анодные и катодные материалы) позволяют разнообразить характеристики производительности для конкретных применений.

Также доступны батареи маленького размера. Материал электрода и керамические электролиты могут быть разделены на твердые (оксид алюминия/силикагель) или гибкие (акриловые волокна) подложки для производства энергии высокой плотности для тонких и плоских батарей.

Недостатки литий-ионных батарей

  • Чувствительность к глубокой разрядке, перегрузка и слишком высокая температура. Но на практике это редко является проблемой. Аккумуляторы уже имеют встроенную электронику, которая защищает от негативных влияний. При использовании LIB без встроенной электроники рекомендуется использовать зарядное устройство, которое для нее предназначено.
  • Повышенная чувствительность к высоким и низким температурам. Оптимальная рабочая температура в пределах 10–35 градусов. При низких температурах мощность батареи падает. Также существуют специально предназначенные ионные источники питания для низких температур, которые поддерживают заряд при температуре -40 градусов, только с ограниченными разрядными потоками.

Безопасность литиевых батарей

При перегреве или перезарядке LIB могут подвергаться разрушению. Это приведет к утечке ядовитых газов, взрыву и пожару. Чтобы этого избежать, батарея лития содержит отказоустойчивую схему, которая отключает источник питания, когда напряжение находится в опасном диапазоне.

Литий-ионный аккумулятор для автомобиля имеет множество положительных характеристик, но использование его в бензиновых и дизельных двигателях не эффективно и в данное время не применяется. Генератор, который вырабатывает переменный ток в автомобиле, не приспособлен заряжать данный вид аккумуляторов.

Читайте также:
Ремонт Рено Сценик 1, 2, 3 и 4: пошаговые мануалы, схемы, видео

Это видео расскажет об использовании литий-ионных аккумуляторов для бензиновых и дизельных двигателей.

Литиевый аккумулятор для автомобиля

Преимущества литиевых аккумуляторов хорошо известны. При равной номинальной емкости литиевая батарея весит в три раза меньше свинцово-кислотной и занимает в два раза меньше места. Заряжаемый током 0,5С литиевый АКБ выдерживает в 20 раз больше циклов чем свинцово-кислотный, поэтому с учетом срока службы он на сегодня самый дешевый и выгодный.

Характеристики литиевых аккумуляторов делают их идеальными источниками автономного питания на автомобилях с дополнительным бортовым оборудованием и на тех транспортных средствах где свободного места для установки массивной свинцово-кислотной аккумуляторной батареи недостаточно.

Количество циклов литиевого АКБ

Срок службы аккумулятора измеряют в циклах заряда – разряда. Аккумулятор считается непригодным для дальнейшего использования когда его емкость падает ниже 80% от первоначального номинального значения. Количество циклов можно рассматривать как способность ячеек сохранять и передавать энергию потребителям. Литиевые батареи обычно выдерживают не менее 1000 циклов.

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

Со временем ячейки стареют. Активные химические вещества в них разрушаются, емкость падает, а внутреннее сопротивление возрастает. На скорость старения влияют величина зарядного и разрядного тока, температура и глубина разряда. Устройством, продлевающим срок службы литиевого аккумулятора, является BMS. Хорошо продуманная электронная система управления контролирует состояние батареи, предотвращает ее перезарядку и защищает ячейки от повреждения при глубоком разряде

Зарядка LiFePO4 аккумулятора

Электрическую энергию можно «накачать» в аккумулятор быстро. Однако химические реакции не протекают мгновенно, поэтому состояние электролита между электродами окажется разным. Ближайшие к электродам слои «зарядятся», а расположенные дальше нет. Разница будет особенно заметна в ячейках с большой емкостью и объемом электролита.

Графики тока и напряжения во время зарядки LiFePO4 аккумулятора

Высокий зарядный ток не сильно ускоряет полную зарядку аккумулятора. Хотя заданное напряжение достигается быстрее, этап насыщения занимает больше времени. При высоком токе первая стадия оказывается короче, но зато вторая длиннее.

Максимально допустимый зарядный ток для аккумуляторов принято выражать в долях емкости. Например, если для литиевого аккумулятора емкостью 100 Ач указан ток 0,5C (где C — емкость аккумулятора), то его непрерывной ток зарядки не должен превышать 50 А. Как правило для литий-железо фосфатных (LiFePO4) аккумуляторов максимальный ток равен 0,5-1С

Повышенная температура сигнализирует о неправильном алгоритме зарядки или о внутренних проблемах аккумулятора

LiFePO4 аккумулятор в автомобиле

Литиевые аккумуляторные батареи чувствительны к величине тока и напряжения зарядки. Несоблюдение рекомендованных значений сокращает срок службы ячеек, уменьшает их емкость и может даже разрушить, причинив много дорогостоящих повреждений.

Источник зарядки аккумуляторов в автомобиле – это генератор двигателя. Стандартный регулятор автомобильного генератора настроен на 14,0-14,4 Вольта, что позволяет быстро заряжать стартовый аккумулятор и защищает его от сульфатации. Небольшой перезаряд для свинцово-кислотного аккумулятора не страшен, поэтому напряжение остается постоянным в течении всего времени работы двигателя.

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 получаемый аккумулятором может в несколько раз превзойти безопасный уровень, определенный производителем. При такой схеме подключения литиевый аккумулятор заряжается неправильно и подвергается опасности во время эксплуатации

14,4 Вольта подходит и для заряда LiFePO4 аккумуляторов. Но заряженный на 100% литиевый аккумулятор не должен постоянно находится под таким напряжением. Оно опасно для батареи и может повредить ее во время продолжительной поездки.

Несовместимость между зарядным напряжением и требованиями LiFePO4 аккумулятора возрастает еще сильнее на автомобилях с двигателями Euro 5/6+. Напряжение на «интеллектуальном» генераторе во время движения колеблется от 12 до 16 Вольт, а значит прежде чем заряжать LiFePO4 аккумулятор напряжение нужно как-то выровнять. Необходимо промежуточное устройство, связывающее BMS аккумулятора с системой зарядки автомобиля.

Зарядное устройство устраняет недостатки реле. Ток, получаемый аккумулятором, ограничен номиналом устройства. Напряжение завит от состояния аккумулятора и изменяется по заданному алгоритму. Сначала зарядка аккумулятора идет максимальным током до 14,4 Вольт. После того как аккумулятор полностью зарядится напряжение уменьшается до 13,8 Вольт.

Задача буферного устройства обеспечить литиевый АКБ правильными профилями напряжения и тока. BMS же позаботится о безопасности ячеек и предотвратит неисправности, которые могут возникнуть. Промежуточное устройство – это управляемый микропроцессором DC-DC конвертер. Он поддерживает на выходе заданное стабильное напряжение и при слишком высоком, и при слишком низком напряжении генератора. Конвертер не только заряжает LiFePO4 аккумулятор по правильному алгоритму, но и ограничивает ток, не давая мощному автомобильному генератору повредить аккумуляторную батарею.

Читайте также:
Кузов универсал: машина типа универсал
Модель BBW1212 BB1230 BB1260
Максимальный ток, А 28 30 60
Входное напряжение, В 12 12 12
Выходное напряжение, В 12 12 12
Тип аккумуляторов LiFePO4, а так же GEL, AGM, жидкий электролит. Всего 6 режимов зарядки LiFePO4, а так же GEL, AGM, жидкий электролит. Всего 9 режимов зарядки LiFePO4, а так же GEL, AGM, жидкий электролит. Всего 9 режимов зарядки
Вес, кг 3,5 1,2 1,4
Размеры, мм 190 х 160 х 50 190 х 160 х 50 190 х 160 х 70
ЗАКАЗАТЬ ЗАКАЗАТЬ ЗАКАЗАТЬ

Как выбрать литиевый АКБ в автомобиль

Чтобы полностью использовать в автомобиле возможности LiFePO4 аккумулятора, нужно хорошо понимать как он будет эксплуатироваться и с какой нагрузкой ему предстоит работать. При создании электрической системы, работающей от дополнительного аккумулятора необходимо обращать внимание на следующее

Аккумуляторная батарея большей емкости работает дольше, а время ее зарядки меньше. 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 представляет доступ к энергии генератора вспомогательным устройствам, например инвертору. Пусть в автомобиле установлен дополнительный литиевый аккумулятор емкостью 100 Ач, DC-DС зарядное устройство номиналом 30А и инвертор мощностью 2000 Вт. Суммарная мощность устройств переменного тока, подключенных к инвертору, 1,5 кВт. Когда все они работают одновременно, инвертор потребляет 150 А, и заряда аккумулятора хватает на 45 минут. Если завести двигатель, то через зарядное устройство от генератора потребителям поступит 25 А, а 125 А отдаст в цепь аккумулятор. В результате аккумуляторная батарея разрядится за 48 минут. Предположим зарядное устройство на 30А заменили максимально допустимой для этого аккумулятора моделью на 60А. Если нагрузка не изменилась, то от генератора через зарядное устройство будет поступать уже 50 А, а 100 А предоставит аккумуляторная батарея. Время работы аккумуляторов увеличится до 60 мин. В дополнение к уже имеющемуся литиевому аккумулятору можно установить точно такой же второй, увеличив тем самым емкость батареи до 200 Ач. Большая емкость позволит использовать зарядное устройство номиналом 120 А. При такой установке 100 А поступит потребителям от генератора, а 50 А даст аккумуляторная батарея и время ее непрерывной работы возрастет до 4 часов

BMS, рассчитанная на высокий ток. Непрерывный ток разряда и заряда аккумулятора должен быть 0,5 — 1C . Необходимо смотреть именно на непрерывный, а не максимальный рейтинг аккумулятора. Максимальное значение бессмысленно, если не указывается время в течении которого проводилось испытание. Хорошая BMS должна отключать аккумулятор при перегрузке, перезарядке, перегреве и слишком высоком напряжении. Для аккумулятора это жизненно важно

Стоимость. Один литиевый аккумулятор может быть почти в два раза дороже другого. Если это так, то очевидно, что в технологии изготовления и в способах использования аккумуляторов существуют различия. Однако нет смысла устанавливать дорогую модель, если более дешевая справится со своими задачами. Важно понять, что для вашей системы имеет решающее значение.

Максимальная скорость зарядки — одна из важных характеристик литиевого аккумулятора. У дешевых моделей ток зарядки может составлять всего 0,3C (30 А для аккумулятора емкостью 100 Aч). У дорогих — 1С или 100 А для аккумулятора той же емкости. Если необходимо максимально быстро заряжать единственный аккумулятор, потребуется модель рассчитанная на высокий ток. Но если в автомобиле есть место, то два менее дорогих аккумулятора так же дадут возможность использовать ток силой 100 А, скорость зарядки снизится, но зато емкость батареи увеличится до 200 Ач.

На автомобиле может быть установлено две сервисных аккумуляторных батареи, одна 12, а другая 24-вольтовая. Для их зарядки потребуется два устройства: 12-12 и 12-24 с суммарным номиналом не превышающим возможности генератора. В противном случае для эффективной работы у генератора не останется избыточной мощности. Это не создаст технических проблем, но расчеты придется скорректировать соответствующим образом

Время работы аккумулятора без подзарядки. В отличии от свинцово-кислотного у литиевого аккумулятора доступно 100% емкости. Параллельно можно соединять любое количество аккумуляторов. При последовательном соединении менее дорогие модели часто имеют ограничение в 48 В

Мощность получаемая от генератора. Эта характеристика влияет как на емкость литиевой батареи, так и на выбор зарядного устройства. Современные автомобильные генераторы имеют мощность около 2000 Вт. Если в автомобиле есть место только для одного дополнительного аккумулятора емкостью 100 Ач, то для его зарядки подойдет устройство номиналом 30 А. С его помощью генератор сможет заряжать дополнительный аккумулятор током примерно 25 А и будет передавать аккумуляторам 350 Вт. Модель, номиналом 60 А, увеличит передаваемую мощность до 800 Вт. Для аккумулятора емкостью 100 Ач с максимальным током 0,5С этого окажется достаточно

Читайте также:
Диагностический разъем на Рено Сценик 1 и 2

Использовать в автомобиле дорогой LiFePO4 аккумулятор выгодно, когда все три параметра — мощность генератора, номинал зарядного устройства и допустимый ток зарядки аккумуляторов соответствуют друг другу. Например, если мощность автомобильного генератора 1400 Вт, а номинал зарядного устройства 120 А, то для аккумуляторной батареи емкостью 100 Ач с рейтингом 0,5С зарядный ток окажется недопустимо высоким. Но для аккумулятора с рейтингом 1С выбранное оборудование вполне подойдет.

Установка литиевого аккумулятора

Перед установкой аккумулятора необходимо убедится, что выбранные зарядные профили и разрядный ток соответствуют его характеристикам. Если это не так, BMS просто отключит аккумулятор из соображений безопасности. Если литиевый АКБ планируется заряжать от автомобильного генератора, особенно на автомобилях EURO 6, необходимо использовать специальное зарядное устройство.

Вместо корпуса автомобиля в качестве отрицательного проводника, лучше использовать кабель, идущий от отрицательной клеммы сервисного к отрицательной клемме стартового аккумулятора.

Все кабели, подключенные к литиевой батарее, необходимо защищать предохранителями, установленными как можно ближе к аккумуляторной клемме. Номинал предохранителя должен на 30% превосходить максимально ожидаемый в цепи ток. Например, если к литиевому аккумулятору емкостью 100Ач подключено зарядное устройство на 60 А, то на входе и выходе устройства ставят предохранители по 80А

Задайте вопрос,

и получите консультацию по электрооборудованию для катера, яхты, автодома или кемпера

Сера вместо кобальта: решит ли новая технология проблемы электромобилей

Исследователи из США и Китая опубликовали в журнале Nature Communications статью об экспериментальном аккумуляторе. Он впятеро превосходит по емкости литий-ионные батареи. Кроме того, такое устройство обойдется дешевле и нанесет меньше вреда окружающей среде. Интересно, что ключевые решения разработчики подсмотрели у живой природы.

Вообще-то такие аккумуляторы не помешали бы во всех отраслях, от производства гаджетов до управления энергетикой. Но, наверное, самая заманчивая сфера применения — производство электромобилей. Впрочем, так ли все просто с идеей заменить бензобаки на батарейки?

Слабое звено

Электромобили имеют много преимуществ перед машинами, работающими на ископаемом топливе. КПД электродвигателя превышает 90%, против 25-30% у карбюраторного бензинового двигателя. Кроме того, электродвигатель проще и, как следствие, надежнее двигателя внутреннего сгорания. Наконец, электромобиль в процессе работы не загрязняет окружающую среду и не выделяет в атмосферу парниковые газы (чего, впрочем, нельзя сказать о производстве самого автомобиля и необходимой ему энергии).

Конечно, у электромобилей есть и недостатки, но многие из них связаны не с машинами как таковыми, а с литий-ионными аккумуляторами. Эти батареи дороги, у них сравнительно небольшая емкость, из-за чего типичный запас хода автомобиля составляет 200-400 км, а потом ему требуется долгая зарядка. Температурный диапазон нормальной работы этих аккумуляторов тоже невелик: от –20 до +50°C, так что с ними могут возникнуть проблемы как на русском морозе, так и под жарким солнцем юга. Наконец, такие батареи содержат токсичные металлы.

Поэтому многие научные группы разрабатывают аккумуляторы других типов. В числе возможных альтернатив называются литий-серные, алюминий-ионные, металл-воздушные и другие устройства. Однако все они имеют те или иные недостатки, мешающие выйти на рынок.

Хрящи из бронежилетов

Литий-серные аккумуляторы похожи на литий-ионные. Анод в них тоже сделан из лития, и ионы этого металла выступают переносчиками заряда. Но катод литий-серного элемента сделан из серы, а не из кобальта или его сплавов.

Такое решение имеет целый ряд преимуществ. Во-первых, оно в несколько раз повышает емкость аккумулятора. Во-вторых, сера намного дешевле кобальта. В-третьих, она безопаснее с точки зрения экологии. Чистая сера, в отличие от кобальта, не ядовита (хотя токсичны ее летучие соединения, например, образующийся при горении сернистый газ).

Ахиллесова пята литий-серных аккумуляторов — срок службы. Он измеряется всего лишь десятками циклов зарядки и разрядки. Правда, некоторые разработчики демонстрировали аккумуляторы, выдерживающие сотни циклов перезарядки, но это всегда делалось за счет других параметров — емкости, скорости зарядки, отказоустойчивости или безопасности.

Проблемой становятся полисульфиды лития — соединения лития и серы, быстро облепляющие литиевый анод и снижающие емкость батареи. Кроме того, на аноде нарастают узкие и длинные литиевые шипы (дендриты). Дотянувшись до катода, они вызывают короткое замыкание.

Напрашивается решение: поставить между анодом и катодом перегородку, не пропускающую молекулы полисульфидов и достаточно прочную, чтобы устоять перед литиевыми дендритами. Проблема в том, что она должна пропускать ионы лития, дрейфующие от катода к аноду, иначе аккумулятор просто не будет работать.

Теперь новаторы создали именно такую перегородку, «подсмотрев» ее конструкцию у живых организмов.

Мембрана состоит из тех же молекул, что и кевлар — популярный материал для бронежилетов. Но это не просто тонкий кусок кевлара. Перегородка состоит из нановолокон, сплетенных в структуру, имитирующих хрящ животного или человека. Особое строение придает хрящевой ткани удивительную прочность, хотя состоит она далеко не из самых прочных веществ. Такая же структура из кевларовых нановолокон представляет собой неодолимую преграду для литиевых дендритов.

Читайте также:
Масло Мобил 10W-40 полусинтетика: отзывы и характеристики

Вторая половина задачи — пропускать через мембрану одни ионы и задерживать другие. Ионы лития и его полисульфидов имеют примерно одинаковый размер, поэтому перегородку нельзя было сделать по принципу решета. Здесь материаловеды тоже позаимствовали технологию у природы, а именно — у ионных каналов в мембране клетки.

Отрицательные ионы полисульфидов лития быстро прилипают к нановолокнам. И этот тончайший слой отталкивает новые ионы полисульфидов (вспомним, что одноименные заряды отталкиваются). В то же время положительные ионы самого лития свободно проходят сквозь нанометровые поры.

Важно, что изготовление хитроумно устроенной мембраны не требует «ручной работы»: оно происходит методом самосборки. Иначе говоря, химики ставят субстрат в такие условия, при которых эта сложная структура возникает самопроизвольно. Учитывая, что материалом для мембраны могут быть списанные кевларовые изделия, это решение не выглядит слишком дорогим.

В лаборатории прототип нового аккумулятора выдержал более 3500 циклов перезарядки. Ученые надеются, что при реальной эксплуатации его хватит на тысячу циклов. Примерно столько же служат и литий-ионные аккумуляторы, но емкость новой батареи будет впятеро выше, а значит, заряжать ее придется впятеро реже. А еще система успешно работает при температуре до +80°C, что выгодно отличает ее от литий-ионных батарей.

Баррель дегтя

Однако нельзя сказать, что замена литий-ионных аккумуляторов на литий-серные решит все проблемы. В частности, вопросы останутся у экологов. Замена токсичного кобальта на более безопасную (хотя и вовсе не безобидную) серу — это хорошая новость, но как быть с литием? Конечно, он составляет считанные проценты от массы аккумулятора. Но при массовом производстве электромобилей нужно будет предотвратить попадание этого вещества в окружающую среду. При этом извлечение лития из отработавших свой срок аккумуляторов нерентабельно: такой металл обходится дороже, чем добытый из руды. Конечно, этим все равно стоит заниматься из экологических соображений, но разницу в цене придется перекладывать на плечи либо покупателей электромобилей, либо налогоплательщиков.

Между тем перспектива окончательного искоренения бензиновых двигателей упирается в куда более серьезную проблему: откуда, собственно, мы возьмем столько электроэнергии?

Устройство и принцип работы кислородного датчика

Кислородный датчик – устройство, предназначенное для фиксирования количества оставшегося кислорода в отработавших газах двигателя автомобиля. Он расположен в выпускной системе вблизи катализатора. На основе данных, полученных кислородником, электронный блок управления двигателем (ЭБУ) корректирует расчет оптимальной пропорции топливовоздушной смеси. Коэффициент избытка воздуха в ее составе обозначается в автомобилестроении греческой буквой лямбда (λ), благодаря чему датчик получил второе название – лямбда-зонд.

  1. Коэффициент избытка воздуха λ
  2. Назначение датчиков кислорода
  3. Конструкция и принцип работы кислородного датчика
  4. Ресурс кислородника и его неисправности
  5. Виды лямбда-зондов

Коэффициент избытка воздуха λ

Прежде чем разбирать конструкцию датчика кислорода и принцип его работы, необходимо определиться с таким важным параметром, как коэффициент избытка воздуха топливовоздушной смеси: что это такое, на что влияет и зачем его измеряет датчик.

В теории работы ДВС существует такое понятие как стехиометрическое отношение – это идеальная пропорция воздуха и топлива, при которой происходит полное сгорание топлива в камере сгорания цилиндра двигателя. Это очень важный параметр, на основании которого рассчитывается топливоподача и режимы работы двигателя. Оно равняется 14,7 кг воздуха к 1 кг топлива (14,7:1). Естественно, такое количество топливовоздушной смеси не поступает в цилиндр в один момент времени, это всего лишь пропорция, которая пересчитывается под реальные условия.

Зависимость мощности (P) и расхода топлива (Q) от коэффициента избытка воздуха

Коэффициент избытка воздуха (λ) – это отношение действительного количества воздуха, поступившего в двигатель, к теоретически необходимому (стехиометрическому) для полного сгорания топлива. Говоря простым языком, это “на сколько больше (меньше) воздуха поступило в цилиндр, чем должно было бы”.

В зависимости от значения λ различают три вида топливовоздушной смеси:

  • λ = 1 – стехиометрическая смесь;
  • λ 1 – “бедная” смесь (избыток – воздух; недостаток – топливо).

Современные двигатели могут работать на всех трех типах смеси, в зависимости от текущих задач (экономия топлива, интенсивное ускорение, снижение концентрации вредных веществ в отработавших газах). С точки зрения оптимальных значений мощности двигателя, коэффициент лямбда должен иметь значение около 0,9 (“богатая” смесь), минимальный расход топлива будет соответствовать стехиометрической смеси (λ = 1). Наилучшие результаты по очистке отработавших газов будут также наблюдаться при λ = 1, поскольку эффективная работа каталитического нейтрализатора происходит при стехиометрическом составе топливовоздушной смеси.

Назначение датчиков кислорода

Стандартно в современных автомобилях используется два датчика кислорода (для рядного двигателя). Один перед катализатором (верхний лямбда-зонд), а второй после него (нижний лямбда-зонд). Различий в конструкции верхнего и нижнего датчиков нет, они могут быть одинаковыми, но выполняют разные функции.

Верхний или передний кислородный датчик определяет содержание оставшегося кислорода в отработавших газах. По сигналу с данного датчика блок управления двигателем “понимает”, на каком типе топливовоздушной смеси работает двигатель (стехиометрической, богатой или бедной). В зависимости от показаний кислородника и требуемого режима работы, ЭБУ корректирует количество топлива, подаваемого в цилиндры. Как правило, топливоподача корректируется в сторону стехиометрической смеси. Следует отметить, что при прогреве двигателя сигналы с датчика игнорируются ЭБУ двигателя до достижения им рабочей температуры. Нижний или задний лямбда-зонд используется для дополнительной корректировки состава смеси и контроля исправности работы каталитического нейтрализатора.

Читайте также:
ZIC XQ 5W30: LS, TOP и FE, отзывы про моторное масло

Конструкция и принцип работы кислородного датчика

Существует несколько видов лямбда-зондов, применяемых на современных автомобилях. Рассмотрим конструкцию и принцип работы наиболее популярного из них – датчика кислорода на основе диоксида циркония (ZrO2). Датчик состоит из следующих основных элементов:

  • Наружный электрод – осуществляет контакт с выхлопными газами.
  • Внутренний электрод – контактирует с атмосферой.
  • Нагревательный элемент – используется для подогрева кислородного датчика и более быстрого вывода его на рабочую температуру (около 300 °C).
  • Твердый электролит – расположен между двумя электродами (диоксид циркония).
  • Корпус.
  • Защитный кожух наконечника – имеет специальные отверстия (перфорацию) для проникновения отработавших газов.

Устройство наконечника лямбда-зонда

Внешний и внутренний электроды покрыты платиновым напылением. Принцип работы такого лямбда зонда основан на возникновении разности потенциалов между слоями платины (электроды), которые чувствительны к кислороду. Она возникает при нагревании электролита, когда через него происходит движение ионов кислорода от атмосферного воздуха и выхлопных газов. Напряжение, возникающее на электродах датчика, зависит от концентрации кислорода в отработавших газах. Чем она выше, тем ниже напряжение. Диапазон напряжений сигнала кислородного датчика находится в пределах от 100 до 900 мВ. Сигнал имеет синусоидальную форму, у которой выделяются три области: от 100 до 450 мВ – бедная смесь, от 450 до 900 мВ – богатая смесь, значение 450 мВ соответствует стехиометрическому составу топливовоздушной смеси.

Ресурс кислородника и его неисправности

Лямбда-зонд – один из наиболее быстро изнашиваемых датчиков. Это связано с тем, что он постоянно контактирует с отработавшими газами и его ресурс напрямую зависит от качества топлива и исправности двигателя. Например, циркониевый кислородник имеет ресурс порядка 70-130 тысяч километров пробега.

Поскольку работа обоих кислородных датчиков (верхнего и нижнего) контролируется системой бортовой диагностики OBD-II, при выходе из строя любого из них будет зафиксирована соответствующая ошибка, а на панели приборов загорится контрольная лампа неисправности “Check Engine”. Диагностировать неисправность в данном случае можно с помощью специального диагностического сканера. Из бюджетных вариантов стоит обратить внимание на Scan Tool Pro Black Edition.

Сканер Scan Tool Pro Black Edition

Данный сканер корейского производства отличается от аналогов высоким качеством сборки и возможностью диагностики всех узлов и агрегатов автомобиля, а не только двигателя. Также он способен отслеживать показания всех датчиков (в том числе и кислородного) в режиме реального времени. Сканер совместим со всеми популярными диагностическими программами и, зная допустимые по вольтажу значения, можно судить об исправности датчика.

Сигнал исправного кислородного датчика

При исправной работе кислородного датчика характеристика сигнала представляет собой правильную синусоиду, демонстрирующую частоту переключений не менее 8 раз в течение 10 секунд. Если датчик вышел из строя, то форма сигнала будет отличаться от эталонной, либо его отклик на изменение состава смеси существенно замедлится.

Основные неисправности кислородного датчика:

  • износ в процессе эксплуатации (“старение” датчика);
  • обрыв электрической цепи нагревательного элемента;
  • загрязнение.

Все эти виды проблем могут быть спровоцированы использованием некачественного топлива, перегревом, добавлением различных присадок, попаданием в зону работы датчика масел и чистящих средств.

Признаки неисправности кислородника:

  • Индикация сигнальной лампы неисправности на приборной панели.
  • Потеря мощности.
  • Слабый отклик на педаль газа.
  • Неровная работа двигателя на холостых оборотах.

Виды лямбда-зондов

Помимо циркониевых используются также титановые и широкополосные датчики кислорода.

  • Титановые. Этот вид кислородников имеет чувствительный элемент из диоксида титана. Рабочая температура такого датчика начинается от 700 °C. Титановые лямбда-зонды не требуют наличия атмосферного воздуха, поскольку принцип их работы основан на изменении выходного напряжения, в зависимости от концентрации кислорода в выхлопе.
  • Широкополосный лямбда-зонд представляет собой усовершенствованную модель. Он состоит из цикрониевого датчика и закачивающего элемента. Первый измеряет концентрацию кислорода в отработавших газах, фиксируя напряжение, вызванное разницей потенциалов. Далее происходит сравнение показания с эталонной величиной (450 мВ), и, в случае отклонения, подается ток, провоцирующий закачивание ионов кислорода из выхлопа. Это происходит до тех пор, пока напряжение не станет равным заданному.

Лямбда-зонд является очень важным элементом системы управления двигателем, а его неисправность может привести к сложностям в управлении автомобилем и стать причиной повышенного износа остальных деталей двигателя. А поскольку он не подлежит ремонту, его необходимо сразу заменить на новый.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: