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?
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…
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.
Правда и мифы о литий-ионных и свинцово-кислотных аккумуляторах
Рано или поздно каждый собственник складской техники сталкивается с тем, что ему нужно купить новый электропогрузчик или заменить на своём погрузчике отслужившую свой срок аккумуляторную батарею. Такая же задача может стоять и в отношении остальной складской техники — электротележек, штабелёров, комплектовщиков и т.д. Одной из важных задач в этом случае будет вопрос, какой тип аккумулятора выбрать? Поставщики тяговых батарей для напольного грузоподъемного транспорта предлагают как классические свинцово-кислотные аккумуляторы, так и необслуживаемые клапанно-регулируемые или гелевые батареи. Альтернативой свинцово-кислотным аккумулятором является более современный литий-ионный (литий-железо-фосфатный) источник питания. Правда многие потребители до сих пор опасаются данной технологии и по старинке используют аккумуляторы старого типа. Такой подход на наш взгляд может быть из-за недостатка информации о плюсах и минусах тяговых аккумуляторов различных типов. Ниже мы попытаемся развеять мифы о литий-ионных аккумуляторах.
Миф первый
Литий-ионные аккумуляторы не безопасны и лучше их не использовать в качестве источника питания электрического погрузчика, штабелёра, электротележки. Они могут взрываться, самовозгораться, поэтому лучше с ними не связываться
Трудно было бы с этим спорить, если бы мы были в 80-х годах прошлого века. Действительно первые образцы литий-ионных батарей не отличались высокой безопасностью. При работе такой батареи существовал риск короткого замыкания внутри элементов, нагрева и даже возгорания. Обычно это могло произойти в конце срока службы по причине низкой химической стабильности компонентов батареи.
В первых коммерческих литий-ионных батареях, выпущенных компанией Sony в 1991 году, металлический литий был заменен на более безопасную ионную форму. Однако даже после этого сфера использования данных аккумуляторов ограничивалась мелкой бытовой электроникой. Речи об использовании литий-ионных батарей в качестве источника питания складской техники тогда даже не было.
Ситуация кардинально изменилась в 1997 году, когда было изобретено новое соединение – литий-железо-фосфат (LiFePo4) в качестве катодного материала литий-ионных аккумуляторов. Это соединение является безопасным, и не содержит ядовитых веществ. Правда только в 2005-2006 годах ученым в США удалось окончательно доработать эту «химию», так чтобы стало возможным её коммерческое использование. В результате появились на свет литий-железо-фосфатные аккумуляторы с поистине революционными характеристиками в сравнении с обычными свинцово-кислотными батареями. Именно литий-железо-фосфатные батареи используются для питания электропогрузчиков и складской техники.
Кроме безопасного химического состава каждая литий-ионная тяговая батарея имеет блок управления (BMS), который управляет процессом заряда-разряда, защищает ячейки батареи от перезаряда и глубокого разряда. Даже если по какой-то причине BMS не отключит батарею в экстренной ситуации, то каждая ячейка имеет предохранительный клапан на случай перезаряда или короткого замыкания. Клапан сбросит внутреннее давление в ячейке в нештатной ситуации, чтобы избежать взрыва.
А как же относится к случаям возгорания и/или взрыва литий-ионных батарей смартфонов, планшетов, электронных сигарет и прочих девайсов, которые то и дело появляются в СМИ? К счастью эти аккумуляторы имеют мало общего с тяговыми батареями. В основном все эти случаи связаны с коротким замыканием внутри аккумулятора по причине физической деформации в результате ударов или других повреждений.
Миф второй
Я привык работать со свинцово-кислотными батареями и меня всё в них устраивает. Литий-ионные батареи для вилочных погрузчиков — это что-то из области фантастики и мне это не очень интересно
Разница между литий-ионными и свинцово-кислотными аккумуляторами примерно такая же, как между современной электричкой и паровозом. Свинцово-кислотный аккумулятор был изобретён в 1859 году. Это даже не прошлый, а позапрошлый век. Широко известны главные недостатки этих аккумуляторов, от которых они никогда не избавятся.
Перечислим пять самых критичных:
- Во-первых, это использование в качестве электролита свинцово-кислотных аккумуляторов раствора серной кислоты. Отсюда едкий запах, взрывоопасное выделение газа при зарядке, необходимость доливки воды. Как результат нам нужно оборудовать зарядную комнату и нести затраты на обслуживание таких батарей.
- Во-вторых, риски значительного сокращения срока службы в силу небрежного отношения персонала. Срок службы может серьезно сократиться по причине отсутствия контроля за уровнем и плотностью электролита, хранения разряженной батареи, разрядов ниже допустимой глубины, нарушений температурного режима использования, не соблюдения полных циклов заряда-разряда. Другими словами свинцово-кислотный аккумулятор это довольно капризная вещь, требующая регулярного присмотра.
- В-третьих, длительное время зарядки. Чтобы полностью нормально зарядить классическую кислотную батарею с жидким электролитом необходимо как минимум 7,5-8 часов. Возможны более быстрые режимы зарядки, но это нельзя делать ежедневно. Для быстрой зарядки необходимы высокие токи, что сильно сокращает срок службы свинцово-кислотных батарей в силу особенности данной технологии.
- В-четвертых, для организации многосменной работы требуется не просто оборудовать зарядную комнату, но и иметь комплект из 2-х батарей на каждую единицу техники. Обычно тяговые кислотные батареи весят от нескольких сотен килограмм до 1 тонны и более. Поэтому необходимо ещё и оборудование для транспортировки и безопасной замены. Как правило это специальные рольганги, столы или кран-балки.
- В-пятых, низкий КПД. Свинцово-кислотные батареи только 80% потраченной на их зарядку энергии затем отдают на питание складской техники. Остальное улетучивается в виде тепла.
Давайте посмотрим сколь это в деньгах, к примеру, для ричтрака с кислотной батареей 48 В 750 Ач. Такая батарея за один цикл с учётом глубины разряда 80% отдает 48*750*80%/1000 = 28,8 кВт. За средний срок службы 5 лет при условии 1 цикла в день и 250 рабочих дней получится 28,8*250*5= 36 000 кВт. Но реально мы потратим на электричество на 20% больше, что составит при цене 0,15 евро/1 кВтч — 36 000*20%*0,15=1080 евро. Больше 1000 евро просто улетучится с каждой батареи. Это еще не при самом интенсивном режиме работы.
Всех этих недостатков лишены литий-железо-фосфатные батареи для питания напольного электрического транспорта. Они ничего не выделяют во время зарядки и разрядки, не требуют какого-либо обслуживания, сами автоматически выключаются, чтобы не допускать глубокого разряда и могут без ущерба сроку службы подвергаться любому количеству промежуточных зарядов. Время полной зарядки составляет как правило 1,5-2 часа. Можно использовать одну батарею для многосменной работы, если есть хотя бы небольшие перерывы для промежуточных зарядов. КПД литий-железо-фосфатных аккумуляторов составляет 96%, срок службы в среднем 3000-5000 циклов в зависимости от производителя.
Миф третий
Свинцово-кислотные батареи постоянно совершенствуются. Есть гелевые необслуживаемые батареи, для которых не требуется зарядная комната. Есть батареи типа HFC (Hawker NexSys), которые не выделяют газов при зарядке и могут подвергаться промежуточным зарядам
Действительно, такие батареи есть, но всё это похоже на попытки ехать на загнанной лошади. Сама свинцово-кислотная технология уже себя исчерпала. Никакие ухищрения производителей не позволят побороть основные её недостатки.
Клапанно-регулируемые батареи действительно почти не выделяют газов. Однако они являются условно не обслуживаемыми. Электролит в них представляет собой тот же раствор серной кислоты в связанном состоянии. Соответственно на эти батареи распространяются все те же недостатки свинцово-кислотных батарей, перечисленные выше, в том числе и необходимость отвода газов при зарядке. В руководстве по эксплуатации клапанно-регулируемых батарей указывается, что батареи в процессе зарядки выделяют крайне мало газов. Однако при их эксплуатации необходимо соблюдать те же требования безопасности, как и для батарей с жидким электролитом (Стандарт EN 50272-3/ IEC 62485_3 «Тяговые батареи для промышленных погрузчиков»). Другими словами, необходимо предусмотреть отвод газов.
Что касается стандартных гелевых батарей, то это самый неэффективный источник питания для электропогрузчиков и складской техники. Срок службы таких батарей составляет всего 1200 циклов при глубине разряда не более 60%. Для нормального режима заряда таких аккумуляторов можно использовать относительно небольшие токи заряда, обычно 0,25-0,3 С. Поэтому время полного заряда составляет обычно 10-12 часов, а у некоторых батарей 12-14 часов. По этой причине их невозможно использовать для многосменной работы. Не слишком любят такие батареи и эксплуатацию при низких температурах окружающей среды. Работа в условиях отрицательных температур значительно снижает полезную ёмкость гелевой батареи.
Миф четвёртый
Литий-ионные батареи для вилочных погрузчиков — это что-то диковинное. Их пока мало кто покупает
На самом деле рынок литий-ионных аккумуляторов для грузоподъемной складской техники бурно развивается как минимум последние пять-семь лет. Ведущие производители техники активно добавляют в свою производственную линейку модели техники с литий-ионными источниками питания.
Наша компания, как официальный дилер немецкого производителя STILL, не безуспешно предлагает купить погрузчики, штабелёры, электрические тележки с литий-ионным аккумулятором нашим постоянным клиентам в Минске и по всей территории Республики Беларусь. Благодаря нашей помощи в экономическом обосновании покупки литий-ионных батарей в последние годы практически каждая вторая единица техники поставляется нашим клиентам с современным источником питания.
Очень интересной тенденцией является еще и то, что в последние годы в литий-ионную технологию поверили даже производители традиционных свинцово-кислотных батарей. Если пять-семь лет назад они и слышать о литий-ионных батареях не хотели, то теперь сами их производят на ряду с традиционными свинцово-кислотными. Тенденция на наш взгляд такова, что в скором будущем литий-ионные батареи полностью вытеснят обычные свинцово-кислотные.
Миф пятый
Литий-ионные батареи слишком дорогие. Они в разы дороже свинцово-кислотных и нет смысла тратить на них деньги. Подождем пока они подешевеют
Конечно, подождать всегда можно. Действительно есть вероятность, что бурное развитие литий-ионной технологии приведёт к появлению новых игроков на рынке и цены могут пойти вниз. Но даже при нынешнем уровне цен стоит обратить внимание на данный тип аккумуляторов. Если смотреть не просто на покупную стоимость, а ещё учесть срок службы, то окажется, что во многих случаях «дешёвые» свинцово-кислотные батареи обходятся потребителю дороже, чем современные литий-ионные.
Возьмём к примеру ситуацию, когда предприятие имеет парк складской техники, но не имеет специальной комнаты для зарядки обычных свинцово-кислотных батарей. В таком случае приходится либо инвестировать в строительство зарядной, либо использовать гелевые батареи, которые почти не имеют газовыделения в процессе зарядки. Многие идут по второму варианту.
Теперь давайте сравним две простые цифры. Срок службы гелевой батареи любого премиального бренда при соблюдении всех условий эксплуатации составляет не более 1200 циклов заряда-разряда. При этом максимальная глубина разряда допускается не более 60%. Другими словами, если ваша батарея имеет номинальную емкость 100 Ач, то реально вы используете только 60Ач и можете «снять» с неё за весь срок службы 100 Ач х 60% х 1200 = 72 000 Ач. Срок службы такой же литий-железо-фосфатной батареи, собранной, к примеру, на ячейках Winston составляет 5000 циклов при допустимой глубине разряда 80%. Её ресурс составит 100 Aч х 80% х 5000 = 400 000 Ач.
Теперь попробуйте сопоставить стоимость той и другой батареи с учётом ресурса. Литий-ионная батарея заряжается за 2 часа, а не за 11-12 часов, как гелевая. Если сюда добавить более высокий КПД (96% у Li-Ion против 80% у гелевой), то выбор становится очевидным.
Подведем итог:
Литий-железо-фосфатные аккумуляторы для электрических вилочных погрузчиков и другой складской грузоподъёмной техники уверенно отвоёвывают позиции у традиционных свинцово-кислотных батарей. Свинцово-кислотные батареи никогда не избавятся от своих основных недостатков в силу особенностей данной устаревшей технологии. Единственное их преимущество — это низкая покупная стоимость.
При выборе типа аккумуляторов для складской техники мало учитывать только их покупную стоимость. Стоит сопоставить срок службы, допустимую глубину разряда, время полной зарядки, необходимость обслуживания и пр.
ТЕХНОЛОГИИ, ИНЖИНИРИНГ, ИННОВАЦИИ
Измеритель диаметра, измеритель эксцентриситета, автоматизация, ГИС, моделирование, разработка программного обеспечения и электроники, БИМ
Литий-ионные аккумуляторы против свинцовых: какой на самом деле дешевле с учетом эксплуатации?
Принято считать, что масштабное внедрение литий-ионных аккумуляторов останавливает их слишком высокая цена. Почему это утверждение ошибочно в случае источников бесперебойного питания, давайте разбираться. Предположим, у нас есть некоторое оборудование, для которого нужно обеспечить бесперебойное питание на протяжении определенного времени. Для максимальной объективности в качестве такого оборудования возьмем оборудование собственных нужд электрических подстанций. Поскольку от бесперебойного питания этого оборудования в аварийных ситуациях зависит безопасность людей и энергосистемы, к выбору аккумуляторных батарей энергетики относятся очень внимательно, методики их выбора стандартизованы, вдоль и поперек проверены компетентными организациями, а главное практикой. Методические указания по выбору аккумуляторных батарей для этих целей подробно и с примерами расчета прописаны в стандарте организации СТО 56947007-29.120.40.216-2016 (далее – СТО)
Федеральной Сетевой Компании Единой Энергетической Системы (ФСК ЕЭС) – по сетям которой ежедневно передается половина совокупного потребления электроэнергии в России.
Коротко в обобщенном виде алгоритм выбора емкости аккумуляторной батареи в данном стандарте состоит из следующих шагов:
- Определение тока, потребляемого оборудованием на интервале времени, в течение которого должно обеспечиваться бесперебойное питание
- Выбор емкости аккумуляторов с учетом интенсивности разряда аккумуляторной батареи и запаса емкости, обеспечивающего номинальные параметры работы батареи в конце ее срока службы
В Приложении А СТО выбор емкости свинцово-кислотных аккумуляторных батарей разобран на трех примерах. Для наших целей возьмем самый простой пример, в котором показан выбор свинцово-кислотной аккумуляторной батареи без устройства стабилизации напряжения и дополнительной группы аккумуляторов (Пример А.2.). По исходным данным этого примера выберем литий-ионные аккумуляторы и сравним стоимость выбранных батарей.
Определение тока, потребляемого оборудованием
На этом шаге моделируется самый сложный для батареи алгоритм включения оборудования, бесперебойность которого должна быть обеспечена. Моделирование проводят исходя из двух условий:
- если точный момент включения оборудования во время разряда батареи не известен, то это оборудование включается в конце разряда батареи
- если известно, что какое-либо оборудование не работает одновременно с другим, то предполагается, что оно включается последовательно в порядке возрастания токов
Эти правила обусловлены тем, что на протяжении разряда батареи напряжение на клеммах аккумуляторов снижается, и для выполнения оборудованием одной и той же работы требуется больший ток.
Получившийся алгоритм включения оборудования для наглядности представляется в формате диаграммы нагрузки. Если алгоритм составлен верно, то величина тока на диаграмме нагрузки будет ступенчато возрастать с течением времени (Диаграмма 1).
Диаграмма 1. Трехступенчатая диаграмма нагрузки
Основу этой диаграммы составляет ток постоянной нагрузки, которая в аварийном режиме не отключается, а переводится на питание от батареи. Дополнительно в аварийном режиме подключается временная и кратковременная нагрузки. Кратковременная нагрузка это, как правило, максимальный толчковый ток выключателя, который должен быть гарантировано обеспечен после разряда батареи остальными нагрузками.
Выбор емкости аккумуляторов
Сила тока, которую может выдать аккумулятор, нелинейно зависит от продолжительности тока нагрузки. Поэтому для каждой ступени диаграммы нагрузки отдельно рассчитывается необходимая емкость батареи, после чего полученные значения суммируются. Эта сумма принимается, как предварительно рассчитанная емкость батареи.
Влияние продолжительности тока нагрузки на требуемую емкость аккумулятора зависит от его свойств, и для использования в расчетах выражается коэффициентом интенсивности разряда (, Ач/А).
С учетом коэффициента интенсивности разряда предварительная величина требуемой емкости батареи определяется по формуле:
где, – номер интервала (ступени) диаграммы нагрузки, – продолжительность разряда, определяемая от начала интервала до конца разряда, – ток нагрузки на интервале .
Например, в результате оценки работы запитываемого от батареи оборудования получилась трехступенчатая диаграмма нагрузки общей продолжительностью и токовыми нагрузками , , на интервалах , , (Диаграмма 2).
Диаграмма 2. Расчетные участки и интервалы диаграммы нагрузки
Для этой диаграммы указанная выше формула примет вид:
Так как значения токов нам уже известны, для расчета емкости требуется определить коэффициенты интенсивности разряда. Коэффициент интенсивности разряда представляет собой отношение номинальной емкости аккумулятора, выраженной в ампер-часах, при температуре 20°С и определённом напряжении на аккумуляторе в конце разряда, к силе тока в амперах, которую может обеспечить этот аккумулятор при разряде продолжительностью t (СТО 56947007-29.120.40.216-2016, стр.15).
Значения коэффициентов интенсивности разряда определяют с помощью предоставляемых производителями аккумуляторов разрядных характеристик, используя значения продолжительности разряда и необходимого напряжения на аккумуляторе в конце разряда.
На следующем шаге предварительно рассчитанная емкость батареи корректируется чтобы учесть ухудшение характеристик аккумуляторов с течением времени.
Для компенсации снижения емкости под влиянием рабочей температуры и старения аккумуляторов в процессе всего срока эксплуатации полученное значение емкости дополнительно увеличивают на коэффициент эксплуатации .
По условиям СТО, коэффициент эксплуатации должен формировать запас, обеспечивающий размер располагаемой емкости батареи не менее 80% от номинальной к концу ее срока службы в условиях работы при температуре 10°С.
Таким образом, коэффициент интенсивности разряда и коэффициент эксплуатации позволяют выразить различия технических характеристик аккумуляторов при выборе их номинальных емкостей.
Чтобы увидеть влияние рассмотренных коэффициентов на различие номинальных емкостей литий-ионных и свинцово-кислотных аккумуляторов для питания одной и той же нагрузки, рассмотрим их выбор на конкретном примере – Пример А.2 из СТО.
Сравнение требуемой емкости литий-ионных и свинцово-кислотных аккумуляторов
В выбранном примере рассмотрен выбор свинцово-кислотной аккумуляторной батареи без устройства стабилизации напряжения и дополнительной группы аккумуляторов по следующим исходным данным: расчетная продолжительность режима аварийного разряда аккумуляторной батареи = 3 часа, суммарный ток постоянной и временной нагрузки (первая ступень графика) = 30 A, ток кратковременной нагрузки (вторая ступень графика) = 50 А имеет продолжительность = 5 секунд. Наибольшее допустимое напряжение на клеммах электроприемников 231 В (1.05 номинального напряжения или 1.05 * 220 В). Расчетное напряжение на клеммах батареи с учетом потерь в цепи должно быть не менее 194.44 В.
В течение аварийного разряда аккумуляторной батареи суммарно нагрузка потребляет 90.075 Ач.
Исходя из наибольшего допустимого напряжения на клеммах электроприемников равного 231 В и напряжения поддерживающего заряда свинцово-кислотных аккумуляторов 2.23 В в примере определено число аккумуляторов в батарее равное 104 шт. Поэтому минимальное напряжение на одном элементе батареи в конце заряда составит 194.44 В / 104 шт = 1.9 В.
В соответствии с разрядными характеристиками предполагаемых в СТО к установке свинцово-кислотных аккумуляторов типа GroE (БП) при напряжении в конце заряда 1.9 В коэффициенты интенсивности разряда составляют (График 1):
- для тока постоянной и временной нагрузки – 4.03 Ач/А
- для тока кратковременной нагрузки – 1.4 Ач/А
Коэффициент эксплуатации свинцово-кислотных аккумуляторов в СТО принят равным 1.5 по общему правилу для аккумуляторов такого типа (СТО 56947007-29.120.40.216-2016, стр.15).
С учетом коэффициентов эксплуатации и интенсивности разряда расчетная емкость свинцово-кислотной аккумуляторной батареи составила:
В качестве номинальной емкости аккумуляторной батареи принято 300 А·ч, как большее значение емкости их ряда номинальных емкостей аккумуляторов типа БП. Таким образом, в результате расчета выбрана аккумуляторная батарея, состоящая из 104 аккумуляторов типа 12БП300, номинальной емкостью 300 А.ч.» (СТО 56947007-29.120.40.216-2016, стр.37)
Аналогичным способом для указанных выше исходных данных определим емкость литий-ионной батареи на основе LFP (литий-железо-фосфатных / lithium ferrophosphate) аккумуляторов, обладающих номинальным напряжением 3.2 В на элемент.
Выбор количества элементов литий-ионной батареи осуществляется округлением до большего четного значения отношения наибольшего допустимого напряжения на клеммах электроприемников к номинальному напряжения аккумуляторов, увеличенному на 5%. В нашем случае это 231 В / (1.05 * 3.2 В) = 68.75 шт, то есть 70 аккумуляторов.
При 70 аккумуляторах минимальное напряжение на одном элементе батареи в конце заряда составит 194.44 В / 70 шт = 2.8 В.
В соответствии с разрядными характеристиками предполагаемых к установке литий-ионных аккумуляторов (LT-LFP140, производства Лиотех) при напряжении в конце заряда 2.8 В коэффициенты интенсивности разряда составляют (График 2):
- для тока постоянной и временной нагрузки – 2.6 Ач/А
- для тока кратковременной нагрузки – 0.33 Ач/А (значение коэффициента меньше единицы обусловлено меньшим внутренним сопротивлением литий-ионных аккумуляторов, позволяющими им выдавать разрядный ток в 3-5 раз больше номинального)
График 2. Разрядная характеристика (зависимость коэффициента интенсивности разряда от продолжительности разряда для аккумуляторов типа LT-LFP номинальной емкостью от 72 до 770Ач при напряжении на аккумуляторе в конце разряда 2.8В)
Коэффициент эксплуатации для литий-ионных LFP аккумуляторов составляет 1.2 благодаря их большей термоустойчивости по сравнению со свинцово-кислотными.
С учетом коэффициентов эксплуатации и интенсивности разряда расчетная емкость литий-ионной аккумуляторной батареи составит:
С учетом ряда номинальных емкостей литий-ионных аккумуляторов типа LT-LFP в результате выбираем аккумуляторную батарею, состоящую из 70 аккумуляторов номинальной емкостью 140 Ач.
Из расчетов видно, что при необходимых для питания нагрузки 90 Ач, фактическая емкость свинцово-кислотной батареи составит 300 Ач, то есть 70% емкости обеспечивает технологический запас. В случае с литий-ионной батареей, для питания этой же нагрузки емкость батареи составит 140 Ач, то есть технологический запас будет уже 36%.
Эффект снижения стоимости батарей при переходе на литий-ионные аккумуляторы
Снижение этого запаса и количества элементов позволяют снизить стоимость литий-ионной батареи. Для рассмотренного примера полностью укомплектованная свинцово-кислотная батарея типа GroE (БП) обойдется в 3.4 млн руб. с НДС (на основе 104 аккумуляторов), а литий-ионная (на основе 70 аккумуляторов производства Лиотех) – в 3.0 млн руб. с НДС.
Если посмотреть на жизненный цикл батарей и условия их эксплуатации, то использование литий-ионных аккумуляторов позволяет получить дополнительные «бонусы».
Например, в некоторых режимах работы свинцово-кислотных аккумуляторов выделяется водород. В результате этого помещения аккумуляторных батарей относятся к взрывоопасным класса В-Iа (в соответствии с Правилами устройства электроустановок (ПУЭ). Литий-ионные аккумуляторы могут быть размещены в общем производственном помещении. Это позволяет исключить затраты на содержание электролитных и аккумуляторных помещений.
Поддержание работоспособности литий-ионных батарей требует гораздо меньшего количества операций, что позволяет снизить затраты на обслуживание в 2-3 раза по сравнению с малообслуживаемыми свинцово-кислотными аккумуляторами. Это связано с отсутствием необходимости регулярного контроля и восстановления уровня электролита и возможностями удаленного поэлементного мониторинга батареи.
Оценка дополнительных эффектов зависит от конкретного применения систем бесперебойного питания, но на примере батарей для бесперебойного питания оборудования собственных нужд электрических подстанций, снижение эксплуатационных затрат на одну систему составляет более 2 млн руб. за время эксплуатации или 2/3 стоимости батареи.
Технические особенности литий-ионных аккумуляторов также добавляют возможности, которые в определенных условиях могут быть монетизированы, в их числе:
- увеличение скорости восстановления заряда в 3-5 раз, которая существенно сокращает время возврата системы в состояние готовности после аварийных срабатываний
- меньшие габариты литий-ионных систем в 2.5-9 раз, а с учетом аккумуляторных и электролитных комнат до 100 раз, позволяющие высвободить дополнительную площадь производственных помещений (важный фактор перехода банков к использованию литий-ионных ИБП)
- меньший вес литий-ионных батарей (в 3-9 раз) существенно снижающий нагрузку на фундаменты и перекрытия (важный фактор для использования литий-ионных ИБП при цифровизации услуг государственных учреждений, находящихся в старом фонде)
Рассмотренный пример позволяет увидеть эффект снижения стоимости батарей при переходе на литий-ионные аккумуляторы для весьма специфического применения – трехчасового бесперебойного питания оборудования собственных нужд электрических подстанций. Обычным источникам бесперебойного питания свойственно более короткое время резервирования.
Однако сравнение разрядных характеристик свинцово-кислотных и литий-ионных аккумуляторов, показывает, что этот эффект усиливается при уменьшении времени резервирования. А это означает техническую возможность меньшей стоимости литий-ионных источников бесперебойного питания по сравнению со свинцово-кислотными.
Автор: Polina @Mishustina
Источник: https://habr.com/
Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!
Какая батарея лучше для автономной энергосистемы — литиевая или свинцовая?
Мы видели множество автономных систем, в которых свинцово-кислотные аккумуляторы вышли из строя. Если их обслуживать, они работают несколько лет, но потом они теряют свою емкость. Я работаю с литий-ионными батареями последние несколько лет, и, несмотря на то, что системы с ними значительно более сложные и дорогие, они имеют неоспоримые и удивительные преимущества. На основе моего опыта я уверен, что через несколько лет в автономных энергосистемах будет использоваться все меньше свинцово-кислотных аккумуляторов.
Я думаю, что сейчас мы находимся на переломном моменте, когда определяется, какие аккумуляторы будут использоваться в автономных энергосистемах. Мы на этапе перехода от испытанных свинцово-кислотных к литиевым аккумуляторам, показывающим более высокую плотность заряда, улучшенную надёжность и длительный срок службы.
В последнее время некоторые компании стали производить экономически эффективные литий-ионные батареи, которые продаются по цене около $400/кВт*ч. Tesla, LG Chemical, Sonnen, Simpliphi Power, и Lithionics все имеют надежные аккумуляторы за вменяемую цену. Недавно немецкий производитель автомобилей Mercedes-Benz аннонсировал вход на рынок стационарных систем хранения электроэнергии с их Mercedes-Benz Energy.
А как же свинцово-кислотные батареи? Они используются так долго, что стали товарной ценностью. Их качество отличается очень сильно в зависимости от того, кто их произвел, но сама технология практически одинаковая у всех производителей. Такие производители, как Trojan, Rolls/Surrette, и MK/Deka присутствуют на рынке десятилетиями. Зачем же менять двухсотлетнюю технологию? И что позволяет литиевым аккумуляторами сменить свинцово-кислотные?
Преимущество № 1 — Вес и размеры намного меньше
Несмотря на то, что высокая плотность энергии не очень важна для стационарных установок, она является критичной для электромобилей и носимых устройств. Увеличенная плотность энергии облегчает развертывание и установку и для стационарных систем хранения энергии.
График выше иллюстрирует, что литиевые батареи примерно в 3 раза легче и в 2 раза меньше по объёму по сравнению со свинцово-кислотными аккумуляторами (flooded, AGM, and gel). Литиевые батареи сильно выделяются по сравнению с традиционными аккумуляторами, т.к. они имеют намного бОльшую плотность энергии.
Преимущество № 2 — Superior Resilience
Все батареи страдают от переразряда и экстремальных температур. Свинцово-кислотные батареи в общем случае более чувствительны к этим перегрузкам и повреждаются, если разряжаются слишком быстро или слишком глубоко. Они теряют срок службы если разряжаются более 50% или если ток разряда превышает 1/8 емкости.
Литиевые батареи можно без проблем разряжать на 80% током до 1/2 емкости почти без потери емкости. Таблица выше показывает типичные характеристики 3 типов батарей: свинцово-кислотных жидким электролитом и герметизированных (AGM и гелевые) и литий-ионных.
Начальная стоимость литиевых батарей намного больше, чем для других (традиционных) аккумуляторов — см. график выше. Так как литий-ионные аккумуляторы — это новая технология, они имеют большой потенциал по снижению стоимости. В ближайшее время ожидается снижение стоимости до 300-400 USD/кВт*ч. Но так ли справедливо сравнивать аккумуляторы только по их начальной стоимости и емкости? Конечно, нет!
Начальная стоимость аккумуляторной батареи важна при определении капитальных вложений в систему энергоснабжения. Но гораздо более важно оценить стоимость хранения энергии в течение срока службы.
График выше лучше для сравнения, т.к. учитывает глубину разряда и типичное число циклов заряд-разряд в течение срока службы. Видно, что дешевые свинцово-кислотные аккумуляторы имеют самую низкую цену цикла, но только при условии, что они правильно эксплуатируются и обслуживаются. Напомним, что свинцово-кислотные аккумуляторы должны СРАЗУ и ПОЛНОСТЬЮ заряжаться после разряда, чтобы получить заявленные производителями цифры по сроку службы. К сожалению, в автономных системах электроснабжения, особенно с солнечными батареями и ветроустановками, это далеко не всегда возможно. Если не поддерживать идеальные для свинцово-кислотных аккумуляторов условия по эксплуатации, стоимость цикла хранения энергии возрастает.
Литиевые аккумуляторы требуют меньше обслуживания и более стойки к нерегулярному заряду. Если рассматривать все вышеизложенные факторы, то литиевые аккумуляторы будут лучшими для автономной энергосистемы. Кроме того, литиевые аккумуляторы имеют примерно в 6 раз больше циклов заряда-разряда, что снижает стоимость работ и стоимость доставки при их намного более редкой замене.
Испытанный лидер: свинцово-кислотные аккумуляторы
В настоящее время наиболее безопасным выбором аккумулятора для системы электроснабжения будут испытанные и предсказуемые свинцово-кислотные аккумуляторы. Контроллеры заряда для солнечных батарей и инверторы, которые продаются сейчас, спроектированы для работы со свинцово-кислотными аккумуляторами. Они испытаны в реальных установках. Также, немаловажным является их более низкая цена по сравнению с литиевыми аккумуляторами. Если правильно следить и обслуживать свинцово-кислотные аккумуляторы, они будут работать с КПД 80-90%.
2 основные разновидности свинцово-кислотных аккумуляторов — с жидким электролитом и герметизированные. Первые — самые дешевые, но также и более подвержены выходу из строя из-за неправильных эксплуатации и обслуживания. Если вы хотите минимизировать обслуживание ваших аккумуляторов, то VRLA (герметизированные) аккумуляторы будут наилучшим выбором.
Новичок: литий-ионный аккумулятор
Десятилетиями свинцово-кислотные аккумуляторы были доминирующими в автономных системах электроснабжения. С появлением на массовом рынке электромобилей, литий-ионная технология была значительно улучшена, их стоимость постоянно снижается и такие аккумуляторы стали обоснованным выбором и для автономных солнечных энергосистем, а также систем с солнечными батареями и самопотреблением.
Литиевые аккумуляторы только начинают (статья написана в 2016 г) широко применяться в крупных солнечных энергостанциях, но они давно уже применяются в портативной и переносной технике многие годы. Благодаря их высокой плотности энергии они являются лучшим выбором для носимых и передвижных электростанций и устройств.
Примечание «Ваш Солнечный Дом»
В статье упоминаются литий-ионные аккумуляторы в общем смысле. В последние годы для автономных энергосистем наилучшим выбором среди литиевых аккумуляторов являются литий-железо-фосфатные (аббревиатура LFP или LIP). Они намного надежнее, долговечнее и безопаснее, чем обычные литий-ионные аккумуляторы, применяемые в мобильных телефонах и других электронных гаджетах. См. статьи про литий-железо-фосфатные аккумуляторы.