Какой аккумулятор лучше литий ионный или свинцово кислотный

9

Почему Li-ion дешевле «свинца»

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.

Преобразование разрядных характеристик аккумуляторов иного вида

Разрядные характеристики аккумуляторов часто задают в виде зависимости напряжения на элементе от продолжительности разряда с заданным постоянным значением тока (мощности). Для приведения таких характеристик к виду зависимости коэффициента интенсивности разряда от продолжительности разряда нужно единичную емкость элемента разделить на значения разрядных токов и построить зависимость полученных значений от продолжительности разряда. Продолжительность разряда при этом определяется по пересечению кривых на исходных характеристиках с заданным уровнем напряжения на элементе.

Продолжительность разряда нам известна из сформированной диаграммы нагрузки, а напряжение на аккумуляторе в конце разряда, по условиям СТО, должно обеспечивать 0.85 номинального напряжения на клеммах электроприемников с учетом потерь напряжения в цепи.

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 разряда 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 разряда 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 разряда 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 разряда 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)

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.

Источник: https://www.fsk-ees.ru/press_center/company_news/?ELEMENT_ID=345158

Экономическое сравнение применения в ИБП батарей на базе свинцово-кислотных и литий-ионных элементов

До недавнего времени наиболее распространенным способом накопления электрической энергии являлось применение свинцово-кислотных аккумуляторных батарей. Они, например, широко используются в системах бесперебойного электроснабжения малой мощности, но абсолютно непригодны для перекачки больших потоков энергии в ежедневном режиме. С развитием технологий на рынке появились литий ионные (ЛИА) АКБ.

Высокая реактивность и способность лития интеркалировать (проникать) в кристаллическую решетку другого материала позволяет сохранить в атомных связях большое количество энергии, поэтому служит идеальным накопителем.

Благодаря наноструктурированной топологии, литий-ионные АКБ имеют безусловные преимущества перед всеми существующими на сегодняшний день аналогами по ряду технических характеристик:

• Токи заряда и разряда беспрецедентно высоки. Способность ЛИА воспринимать большой ток заряда позволяет накапливать энергию в режиме онлайн. Разряд может пятикратно превосходить заряд, что говорит о возможности мгновенной отдачи огромного количества энергии.
• Очень низкий саморазряд, не превышающий 2% от первоначального заряда в месяц
• Отсутствует эффект памяти (не требует полной разрядки перед циклом заряда).
• Высокий электрохимический потенциал (энергетическая плотность);
• Эксплуатация в широком диапазоне температур (от -40°C +50°C).

Еще несколько лет назад, свинцовые АКБ не имели конкурентов в этой области, так как альтернативные АКБ, были очень дорогостоящими, в связи с чем их применение было экономически не выгодно.

Но с развитием технологий, на рынке появились литий ионные (ЛИА) АКБ, которые на первый взгляд имеют более высокую цену, тем не менее, если рассмотреть более внимательно, то в системах ИБП от 50кВт, применение именно ЛИА, имеет более высокую экономическую эффективность. Ниже приведены сравнения.

Основными параметрами любой АКБ, является:

1. Ёмкость: Какое количество энергии может запасти АКБ на 1 кг веса
2. Ток разряда: Как быстро накопленную энергию АКБ может отдать
3. КПД: потери энергии при заряде и разряде
4. Количество циклов разряда и заряда
5. Срок годности – или период эксплуатации

Как видно из таблицы, ЛИА имеют значительные преимущества перед свинцовыми АКБ. Это вызвано в первую очередь тем, что у них разный принцип действия. В Свинцовых АКБ свинцовые электроды вступают в химическую реакцию с электролитом — серной кислотой, за счет чего происходит накопление электроэнергии. Но со временем кислота образует на поверхности электродов сульфат свинца, что приводит батарею в негодность. Преждевременное старение свинцовой АКБ происходит так же при разряде большими токами и параллельном подключении, которое часто используется для увеличения суммарной емкости.

В ЛИА как таковой химической реакции не происходит, а происходит миграция ионов лития с электрода на электрод, накапливая или отдавая заряд, за счет чего ЛИА имеет значительно лучшие характеристики. Разряд силой тока, пятикратно превосходящей номинальную емкость АКБ – штатный режим работы. Допускается параллельное соединение, т.к. контроллер заряда/разряда установлен на каждом элементе батареи.

Для оценки экономической выгоды от применения той или иной технологии, рассмотрим затраты на первичную установку, а так же затраты на дальнейшую эксплуатацию. В качестве примера примем ИБП на 300 кВА со временем бесперебойной работы 30 мин. Это время было выбрано потому, что именно этого времени хватит в случае необходимости запустить, и ввести в рабочий режим резервный генератор, а генераторы как известно заводятся далеко не с первого раза, особенно если стоят в резерве.

Разряд Свинцово-кислотной АКБ постоянным током, А.
Конечное напряжение 1,75В элемент при температуре 20°С

Итог. Первичная стоимость свинца будет больше, а также при первичной разнице в стоимости в 11% применение ЛИА позволит:

• Сократить в 13 раз площадь (объем) помещения для размещения системы ИБП.
• Сократить в 13 раз вес батарейного стеллажа.
• Минимум троекратно продлить срок службы перед заменой АКБ. Экономия при эксплуатации ЛИА, за 20 лет составит не менее 350%, исходя из расчета первичных затрат, стоимости обслуживания, периодической замены и трехкратной утилизации свинцовых АКБ.

Применение нашей технологии позволяет осуществить прямую замену Свинцово-кислотных или Никель-Кадмиевых АКБ на ЛИА, БЕЗ каких либо конструктивных изменений или дополнений к системе заряда или подключения! Даже перемычки могут остаться старые.

Остались вопросы о замене свинцово-кислотных батарей на ЛИА? Звоните по телефону:
+7 (495) 966-01-07 . Доверьте электроснабжение
вашего дома или предприятия настоящим профессионалам!

Какой аккумулятор лучше, литиевый или свинцовый

Свинцово-кислотные батареи были разработаны еще в 1850-х годах, но по-прежнему используются в различных сферах. На смену обслуживаемым моделям в 1970-х годах пришли герметичные свинцово-кислотные батареи, не требующие обслуживания. Сейчас широко используются разработки с абсорбирующим стеклянным матом (AGM) и гелевым электролитом (GEL или VRLA).

В 1980-х годах у батарей на основе свинца появился солидный конкурент – литий-ионные АКБ. Вначале они производились с катодом на основе оксида кобальта. Со временем появились варианты с другими типами химии: с добавлением никеля, марганца, кобальта, алюминия, литий-железо-фосфатные, литий-титанатные и др. В будущем ожидается, что Li-ion аккумуляторы полностью вытеснят устаревших конкурентов. Но пока для многих покупателей остается актуальным вопрос, что выбрать: литиевый аккумулятор или свинцовый?

Виды аккумуляторных батарей

Свинцовые и литиевые аккумуляторы включают в себя несколько подвидов. Каждый из них отличается от аналогов технологией производства и техническими характеристиками. Рассмотрим основные типы АКБ с их особенностями:

1. СКА с жидким электролитом (WET) – тяжелые обслуживаемые батареи. Они недорогие, способны работать на морозе, выдерживают до 1000 рабочих циклов. Обратная сторона медали – тяжелый вес, необходимость строго вертикального расположения, пожароопасность, долгая зарядка в специальном помещении с интенсивной вентиляцией, невозможность использования в жилых или слабо вентилируемых помещениях.
2. СКА с абсорбированным электролитом (AGM) – необслуживаемые модели. В числе их преимуществ – безопасность и простота использования, морозоустойчивость (до -30 °С), стойкость к вибрациям, возможность наклона или переворачивания на бок. Но модели типа AGM боятся глубоких разрядов и недолговечны – выдерживают около 400 рабочих циклов. Тем не менее, они подходят для применения в буферном режиме и для организации резервного электропитания.
3. Гелевые – необслуживаемые модели, устойчивые к глубоким разрядам и рассчитанные на 700 циклов заряд-разряд. Допускают переворачивание, часто используются в роли тяговых АКБ для лодочных электромоторов. Они дороже WET или AGM аккумуляторов, но в эксплуатации более практичны.
4. Литий-ионные – необслуживаемые АКБ с высокой плотностью энергии на единицу массы, большим циклическим ресурсом и широким диапазоном рабочих температур. В обширную группу Li-ion аккумуляторов входят модели с различным химическим составом, отличающимися значениями емкости, напряжения, допустимых токов. Всем им характерна высокая надежность, малый саморазряд, работоспособность в широком температурном диапазоне и отсутствие вредных выбросов. – один из лучших подвидов Li-ion аккумуляторов. Отличается высокими разрядными токами, ресурсом более 2000 циклов и максимальной безопасностью использования. LiFePO4 аккумуляторы термически и химически стабильны, отлично держат заряд, сохраняют характеристики на морозе и эффективны в роли тяговых АКБ.

Сравнение свинцовых и литиевых АКБ

Технология производства влияет на характеристики АКБ, определяет их преимущества и недостатки. Чтобы выяснить, батарея какого типа больше соответствует конкретным требованиям, нужно сопоставить их отличия. Сравнение по основным параметрам приведено в таблице:

Критерий сравнения

Свинцово-кислотные

Около 500 циклов

Около 1000 циклов и больше, в зависимости от типа химии

Долив дистиллированной воды (для обслуживаемых моделей), периодическая чистка от окиси, замена перемычек, продувка от пыли и грязи.

Нужно только следить за состоянием батареи и заряжать ее.

Возможность многосменного использования, например, для работы клининговой или складской техники

Возможность дробного заряда и быстрой подзарядки

Возможно газовыделение и утечка электролита (у обслуживаемых моделей)

Потребность в специальном помещении для зарядки

Какая АКБ лучше?

Так что лучше, свинцово-кислотный или литий-ионный аккумулятор? Очевидно, что по соотношению цены и рабочих характеристик выигрывают Li-ion модели, особенно на основе литий-железо-фосфата. Такие батареи отлично подходят для лодочных электромоторов, складской и клининговой техники, инвалидных колясок, гольфкаров, электровелосипедов и другого транспорта на электротяге. Они обеспечивают технике стабильное электропитание и позволяют полноценно использовать возможности оборудования.

В некоторых сферах практически наравне используются как литий-ионные, так и свинцово-кислотные АКБ. Например, они устанавливаются на гольфкары, поломоечные машины, вилочные погрузчики, источники бесперебойного питания, используются в тандеме с лодочными электромоторами. Аккумуляторы типа AGM подходят для небольших ИБП, инвалидных колясок, аварийного освещения. Гелевые модели используются для более крупных ИБП, складской и клининговой техники.

Li-ion аккумуляторы обеспечивают автономное питание всевозможных устройств – от фонариков и электронных сигарет до электромобилей. Во многих случаях такие источники питания не имеют равных, в т. ч. при оснащении цифровой техники, портативных устройств, дронов, радиоуправляемых моделей, гироскутеров, моноколес, электросамокатов и других видов персонального электротранспорта. Такая универсальность позволяет заменить свинцовые батареи современными литиевыми аналогами практически во всех сферах. В частности, такая замена позволяет сократить расходы при использовании погрузчиков и складской техники.

После сравнения, чем отличается литиевый аккумулятор от свинцового, часто появляется идея о замене АКБ на батарею типа Li-ion или LiFePO4. И в теории, и на практике это решение оказывается рациональным. Литиевая технология выигрывает по всем характеристикам – от жизненного цикла, удельной емкости и проводимости зарядов до комфорта и безопасности использования аккумуляторов.

Чтобы использовать вместо свинцово-кислотной батареи модель на основе ионов лития, нужно убедиться в их взаимозаменяемости. Как правило, свинцово-кислотные аккумуляторы имеют напряжение 12 В или 24 В, но и 36, 48 и 60 Вольт не проблема. Для замены используются Li-ion или LiFePO4 батареи идентичного вольтажа. Для этого литиевые элементы питания собираются в единую систему по подходящей схеме и оснащаются общей БМС платой.

На практике замена свинцово-кислотных АКБ на модели класса LiFePO4 обеспечивает следующие преимущества:

• увеличение времени автономной работы;
• продление срока эксплуатации – количество циклов заряд-разряд возрастает примерно в 10 раз;
• снижение весовой нагрузки на оборудование – масса LFP батареи почти втрое ниже, чем масса АКБ той же емкости;
• меньшие расходы в пересчете на каждый год эксплуатации – они снижаются примерно вдвое, т.к. LFP батареи служат более 5 лет даже при ежедневном использовании.

Выводы

В вопросе, какой аккумулятор лучше, свинцово кислотный или литиевый, нет единого мнения. Несмотря на стремительное развитие литиевых технологий, АКБ не сдают позиций и все еще используются при оснащении складской техники, гольфкаров, ИБП и других устройств. Но в силу объективных преимуществ литиевые АКБ все чаще становятся приоритетными.

При выборе оптимального источника питания сегодня лидируют литий-железо-фосфатные батареи. Они имеют стабильную химическую структуру, широкий диапазон рабочих температур и большой циклический ресурс, быстро заряжаются, не боятся глубокого разряда и жестких условий эксплуатации. Такие АКБ часто используются в качестве тяговых батарей для электротранспорта, лодочных моторов, клининговой и складской техники.

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.