Доброго всем времени!
Уверен, что в сети можно найти множество информации по литиевым аккумуляторам, но я решил от себя написать немного о базовом и самом важном, на мой взгляд, в одном месте. Потому что вижу, что люди до сих пор не понимают, казалось бы, очевидных вещей.
Одним из самых распространенных заблуждений, о которых я слышу постоянно является то, что многие путают форм-фактор батареи с ее типом по химическому составу.
Я не буду расписывать все возможные из существующих типов, а затрону только те, которые используются сегодня в электротранспорте и объясню их преимущества и недостатки. Напомню еще раз, я не знаток всех тонкостей производства и химического состава, поэтому данную статью можно считать субъективным мнением одного самодельщика с 6 летним опытом работы в сфере строительства электробайков, через руки которого прошла примерно сотня тысяч различных литиевых элементов питания.
Часто люди думают, что призматические элементы- это всегда железо-фосфатные элементы (LiFePo4).
Но на деле форма мало о чем говорит. Есть довольно много компаний, выпускающих батареи в подобном корпусе. И они могут быть как li-ion , так и LiFepo4.
Точно такое же заблуждение существует и о "пакетах" или "конвертах"
Кто-то до сих пор думает, что такая форма элемента питания определяет его в разряд Li-Po (литий-полимерных).
Но суть в том, что и железо-фосфатные и литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы могут выпускаться совершенно в различных форм-факторах. Как в виде "призматиков", так и в виде "пакетов" и даже традиционных цилиндрических формах.
Кстати, форм-фактор известных всем цилиндрических элементов 18650 или 21700 означают размер - 18 мм диаметр и 65 мм длина, а также 21 мм диаметр и 70 мм длина. Бывают и другие размеры, к примеру 32650, 32700 и иные.
Чтобы понять, какие элементы выбрать для той или иной задачи, нужно знать несколько довольно простых понятий!
1. Номинальное напряжение.
Если бродить по простором того же Aliexpress мы часто видим в описании элементов 2,5, 3,6 - 3,7В или 3,2В. Это и есть номинальное напряжение элемента.
По этому напряжению можно сразу отличить основные типы:
2,5В - это LTO (Литий-Титанат).
3,6-3,7В - это классический Li-ion и все его распространенные подвиды: IMR (литий-марганец), ICR (литий-кобальт), INR (литий-марганец-никель), NCA/NCR (литий-алюминий)
И с аналогичным номинальным напряжением могут быть и Li-po аккумуляторы.
Я встретил на просторах рунета отличную статью, кратко и ёмко расписывающую более подробно о различных химических составах элементов питания, поэтому оставлю ссылку на нее тут для тех, кому интересно узнать более подробно.
Но почему напряжение называется номинальным? Дело в том, что различные типы батарей имеют разный диапазон рабочего напряжения и график разряда у разных типов батарей разный. К примеру, железо-фосфатные аккумуляторы с номинальным напряжением 3,2В имеют минимальное напряжение заряда 2В, а максимальное 3,65В.
Как видим по графику разряда, напряжением средней точки является значение 3,2В - его и считают номинальным напряжением. Если сравнить с графиком разряда li-ion элемента, то увидим разницу.
разряд более линейный, с постоянным плавным падением напряжения вместе с ёмкостью. В то время, как у LiFepo4 аккумуляторов график более ровный. Отсюда вытекают преимущества и недостатки того или иного типа химического состава, но об этом чуть позже. У Li-ion'а напряжение средней точки, как видим, в районе 3,65В. Грубо говоря это напряжение, при котором аккумулятор имеет 50% от полной емкости. Минимальное напряжение литий-ионных аккумуляторов, как правило, составляет в районе 2,7В, а максимальное 4,2В.
Часто людей это путает. К примеру, покупая li-ion батарею для электровелосипеда на 48В, новичок с удивлением для себя узнает, что на зарядном устройстве написано 54,6В. Он начинает задавать вопросы в профильных чатах и форумах, а "знатоки" начинают высмеивать. Но все просто. Заряжаются батареи напряжением, равным максимальному напряжению заряда из технической спецификации элементов, умноженному на количество последовательно соединенных в сборке элементов. Об этом также чуть позже.
Второй важный параметр - это токоотдача! Эти страшные "С" (Си)
И снова, находясь в профильных чатах или на форумах, на вопрос - какую батарею выбрать, или каким током можно заряжать, новичок получает обобщенный ленивый ответ :"Бери такую, чтобы ток разряда был в пару раз выше, чем мощность байка. Китайцы же любят преувеличивать, поэтому нужен запас..." И для новичка такой ответ только вызовет больше новых вопросов.
На самом деле все довольно просто. У разных типов батарей разная токоотдача и в технической спецификации (datasheet) она указывается в "С" (Си) К примеру Li-ion элементы в зависимости от своего подтипа из перечисленных выше, могут иметь токоотдачу 1С (литий-кобальт), а могут 10С (литий-марганец). И данный параметр "С" является коэффициентом, который мы можем умножить на емкость элемента и узнать ту силу тока, которую аккумулятор может отдавать постоянно и пиково. К примеру, если емкость элемента равна 3000 mah, а токоотдачу производитель в спецификации указывает 5С продолжительно и 10С пиково, то это значит, что 3 Ач* 5С =15А постоянно или 3 Ач * 10С= 30А пиково.
При этом нужно помнить, что последовательное соединение элементов питания увеличивает напряжение сборки, а параллельное подключение увеличивает ёмкость сборки и ее токоотдачу! Казалось бы, тогда нужно просто всегда выбирать батареи с большей токоотдачей и не заморачиваться. Но не так все просто. Высокотоковые аккумуляторы (с токоотдачей 5С и выше), как правило намного дороже и при этом они имеют меньшую плотность или энергоемкость.
3. Плотность энергии и энергоемкость.
Если посмотрим на самую первую картинку в этой статье, то увидим некую эволюцию литиевых аккумуляторов с цифрами : 2015г - 180 wh/kg, 2017 - 200 wh/kg, 2019- 250 wh/kg , 2020- 300 wh/kg. Что же это за Wh?
Это и есть плотность энергии в Ватт-Час (Втч/кг) на кг, или энергоемкость в Втч на кг веса. Опытные люди всегда употребляют понятие - энергоёмкость аккумулятора, а не просто ёмкость. Все потому, что понятие ёмкости никак не привязано к напряжению батареи, а энергоемкость - привязано.
Простой пример: часто вижу на YouTube кулибиных, которые набирают миллионы просмотров на роликах в стиле "собрал powerbank" на 500 Ач.
И не понимающие люди думают, что это огромные цифры. В мы тут в электромотоциклы едва 50-60 Ач умудряемся вместить, а у мужика небольшой "повербанк" на 500 Ач. Или в своей сумасшедшей рыбацкой электролодке (видео на яндекс диске) я использую аккумулятор от электромотоцикла (снимаю, когда нужно и ставлю на другие свои проекты -унификация) на 58 ач 72В. А люди с заводскими электрическими ПЛМ смеются. Ведь их лодки едва развивают 5 кмч, а аккумуляторы по 100 или даже 150 Ач, но 12В. Они уверены, что дальность хода у моей лодки намного меньше, чем у их вариантов. И сейчас развею это заблуждение.
Я писал выше о том, что последовательное соединение элементов питания увеличивает напряжение, а параллельное ёмкость и токоотдачу. В профильных чатах мы можем увидеть, что люди пишут про сборки аккумуляторов, к примеру 13S5P или 20S10P из таких-то элементов...
Означает это, что сборка состоит из 13 последовательно подключенных параллелей, каждая и из которых состоит из 5 элементов. Предположим, что это элементы INR-21700 5000 mah (5 Ач). То есть по этим параметрам можно понять, что сборка является li-ion с номинальным напряжением 3,7В на элемент, значит ее общее номинальное напряжение равно 13(последовательно подключенных ячеек)*3,7В = 48,1В. А ёмкость равна 5 (элементов в параллели) * 5 Ач (емкость одного элемента) = 25 Ач.
Вторая сборка 20S10P состоит из 200 элементов 20*10. То есть по 10 штук элементы соединены в параллели и 20 таких параллелей соединены последовательно. 20*3,7В= 74В - это номинальное напряжение сборки, а емкость составляет 10 (элементов в параллелях) * 5 Ач = 50 Ач.
Энергоемкость же - это номинальное напряжение батареи, умноженное на ее ёмкость.
В первом случае сборка 13S5P 25Ач 48В имеет энергоемкость 48В*25 Ач = 1200 Втч
Во втором случае сборка 20S10P 50 Ач 74В имеет энергоемкость 74В*50Ач = 3700 Втч или 3,7 кВтч
И давайте для сравнения посчитаем тот самый "повербанк" на 500 ач 3,7В, так как сборка там 1S10P из призматических элементов 50 Ач, или 100 параллельно подключенных элементов 21700 5000 mah 1S100P - а можно собрать и из любых других элементов, это не имеет значения.
Энергоемкость такого "повербанка" составляет 3,7В*500Ач = 1850 Втч. Как видите, ровно вдвое меньше, чем энергоемкость аккумулятора для электромотоцикла на 50 ач.
А если сравнить с упомянутыми выше лодочными аккумуляторами 12В 150Ач, то 12В*150Ач = 1800 Втч. И выходит, что мой аккумулятор на 74В 58Ач (4292 Втч) имеет запас энергии в 2,4 раза больше, при этом вес намного меньше, так как я использовал в нем элементы 21700 4800 mah, каждый из которых весит 69 грамм. А значит энергоемкость элемента составляет 3,7В*4,8 Ач = 17,76 Втч. А плотность энергии 17,76 Втч / 0,069 кг (вес одного элемента) = 257 Втч/кг.
В то время как гелевый лодочный аккумулятор имеет плотность порядка 38 Втч на кг. Можете сами посчитать, сколько весят такие аккумуляторы.
Обобщая все вышесказанное, постараюсь объяснить, как рациональнее выбирать элементы для аккумулятора.
Как вы понимаете, когда мы говорим об аккумуляторах для электротранспорта, чаще всего сталкиваемся с тем, что для сборок используются li-ion элементы различных форм-факторов, так как этот тип ячеек имеет максимальную плотность энергию в совокупности с оптимальной ценой и удобным, довольно высоким номинальным напряжением.
Железо-фосфатные аккумуляторы имеют более ровный график разряда, что держит напряжение сборки почти одинаковым что при полном заряде, что при остатке в 20%, только в конце напряжение резко падает. Этот тип аккумуляторов имеет малую плотность энергии 90-150 Втч на кг, но высокую токоотдачу - 25С продолжительно и до 40С в пике. Эти аккумуляторы способны работать в морозы без особой просадки по напряжению, а также они безопаснее, чем большинство li-ion. Также такие элементы питания часто имеют ресурс в разы выше, чем у li-ion - от 2000 до 8000 циклов заряда/разряда. Этот тип аккумуляторов чаще всего используют в электрических маршрутных транспортных средствах, грузовых автомобилях, водном транспорте, погрузчиках и подобных ТС, в которых вес и дальность пробега - это не определяющий фактор выбора.
Li-ion же весит в среднем в 2 раза легче, чем LiFePo4, при этом более распространен, более выгоден по цене. Он занимает меньше объема, что важно при использовании в электробайках. Но этот тип аккумуляторов нельзя заряжать в морозы, а при разряде в температурах до -20 градусов Цельсия напряжение сильно проседает, отчего нельзя использовать всю емкость. Ведь из-за просадки защитная плата (БМС или PCB) выключает питание по минимальному напряжению, когда в сборке еще остается порядка 30% емкости. Ресурс Li-ion аккумуляторов варьируется от 500 до 2000 циклов заряда/разряда. В целом литий-ионные аккумуляторы более пожароопасны, чем железо-фосфатные, но современные химические составы довольно безопасны, а правильный расчет и сборка аккумулятора максимально исключают возможность возгорания.
Почти во всем электротранспорте используется именно Li-ion в различных его хим. составах, в зависимости от необходимых характеристик.
Например на мощных электромотоциклах ввиду ограниченного пространства используют высокотоковые элементы типа Sony IMR21700 VTC6A, 4000 mah, который может постоянно отдавать ток 30А - 7,5С и стоят такие элементы в розницу в России порядка 800 руб за шт. В то время как распространенные элементы 21700 5000 mah при том же весе и объеме с токоотдачей 5С стоят в разы дешевле, на сегодняшний день порядка 320-340 руб за штуку. (Можно приобрести у нас).
Сфера производства литиевых батарей развивается семимильными шагами и уже сейчас ходят слухи о том, что в Китае скоро появятся в продаже элементы 21700 5000 mah с токоотдачей 10С, а уже сейчас появились 21700 4000 mah c токоотдачей 20C , при этом дешевле тех же вышеупомянутых Sony почти вдвое. Такие элементы отлично подойдут для дронов. (кто не видел, обязательно посмотрите, как я тестирую свои элементы 21700 5000 mah 5C на самодельном гоночном дроне-долголёте)
Что касается Li-po элементов, то это очень опасные элементы питания. И устаревший тип химического состава. Его сейчас используют разве что в гоночных и фристайловых дронах, радиоуправляемых моделях с сумасшедшими характеристиками, когда необходимо достичь максимальных результатов за короткий промежуток времени.
Кстати, еще один способ понимания, что такое значение токоотдачи "С" (Си) на примере литий-полимерных аккумуляторов.
Обратите внимание, токоотдача 100С. Смотрите, 1С - это означает также, что указанную емкость элемент питания может отдать в течение 1 часа. Соответственно можно для себя вывести формулу, по которой будет понятно, за какое время можно безопасно разрядить и зарядить элемент питания. В случае с данным литий-полимером, он позволяет разрядить себя всего за 36 секунд! При его ёмкости 1,5 Ач это ток 150А в пике...
Хотя внимательные опытные люди заметили, что припаян разъем XT60, который не рассчитан на токи более 60А постоянно и 90А в пике.
Что касается Литий-Титаната, то чаще всего такие элементы используеют в автозвуке. Их ресурс достигает рекордных 20 000 циклов, но очень низкое напряжение для использования в электротранспорте. Разве что водном, или различных погрузчиках и подобном тяжелом транспорте, в котором масса не так критична. Также этому типу аккумуляторов свойственна высокая токоотдача и работа в низких температурах.
Надеюсь, что немного прояснил для новичков о выборе элементов питания. Но дать одного четкого ответа просто невозможно.
Помню, что в одном из своих первых старых видео я выбрал элементы 18650 Samsung 35E емкостью 3400 mah из-за их высокой плотности. Но их токоотдача была всего 4А номинально и 8А в пике. Это был проект 2017 года.
https://dzen.ru/video/watch/63d94af0ad6d132fd71d1f4c
Передо мной стояла задача: собрать батарею для мощного электровелосипеда (в пике до 3 кВт) с максимальной дальностью пробега. Я решил выбрать элементы с низкой токоотдачей, но большой емкостью. Обратите внимание, что при емкости элемента 3400 mah и токоотдаче 1С ток составляет 3,4 А, что при 1700 mah и вдвое более высокой токоотдачей 2С ток составляет те же 3,4А. При этом объем и вес таких элементов может быть почти идентичным. Поэтому я всегда в своих проектах гонюсь за оптимальным соотношением высокой плотности энергии к минимальной стоимости и разумной токоотдаче. Я собрал батарею 16S10P на 60В в номинале и 34 Ач. Как мы теперь знаем, 10P сборка позволила мне снимать постоянно до 40А со сборки и до 80А в пике, исходя из спецификации данных элементов. А контроллер на электробайке как раз стоял с пиковым значением потребления батарейного тока, равного 40А.
Таким образом я получил сбалансированную оптимальную конфигурацию.
И тогда это были оптимальные элементы 18650, которые вышли под 500 руб за штуку, а в 2023 году уже можно купить 21700 элементы, емкостью 4800 mah по 240 руб за штуку, или 5000 mah по 320 руб за штуку, при этом с токоотдачей 2С или 5С. Прогресс не стоит на месте и это очень радует!
Безопасность и хранение!
Почти для всех элементов питания наиболее безопасным считается ток заряда 0,2-0,5С. Некоторые типы аккумуляторов позволяют заряжать и более высокими токами. Но даже "Supercharger" для электромобилей Tesla намеренно убивает ресурс аккумулятора в угоду скорости заряда и маркетингу. Элементы питания, которые используются в данных электромобилях выпускает компания panasonic (будем говорить о прошлом поколении, которое пользовалось быстрыми зарядками) и по их техническим спецификациям ток заряда не должен превышать 0,5С. А это значит, что время безопасного заряда должно составлять 60 минут/0,5С = 2 часа!!! При этом условии ресурс элементов может составить до 1000-1200 циклов. А Быстрые зарядки Tesla за 30 минут заряжают с нуля до 80% емкости, то есть рекомендуемый ток заряда превышается примерно в 3 раза, что негативно сказывается на ресурсе аккумулятора. Никогда не заряжайте аккумуляторы токами выше тех, которые описаны в спецификациях. Запомните, что на сегодняшний день фактически никакие аккумуляторы нельзя заряжать быстрее 2 часов. А ток заряда должен быть в 2-5 раз меньше, чем емкость сборки!
Люди часто хранят литиевые аккумуляторы полностью заряженными. Но это большая ошибка. Деградация (потеря емкости аккумулятора) в таком состоянии происходит в разы быстрее, чем если аккумулятор разряжен до 40-50%. Но самое страшное для литиевых аккумуляторов быть разряженными ниже напряжения нижнего порога.
Именно поэтому на аккумуляторные сборки устанавливают специальные платы защиты БМС (PCB), которые следят за минимальным и максимальным порогом напряжения. Мы в своих сборках всегда используем Smart BMS (умные бмс), которые универсальны для всех типов химических составов литиевых батарей и настраиваются индивидуально, а также защищают батарею от перегрева, переохлаждения, короткого замыкания, балансируют ячейки как при заряде, так и в фоновом режиме и могут выводить на приложение на смартфоне посредством bluetoth полную информацию о напряжении каждой ячейки, остаточном напряжении и емкости, % остатка,температуре, действующей нагрузке в ваттах и амперах, рассчитывать остаточную дальность пробега по GPS данным и усредненном расходе энергии.
Но даже такие платы защиты не способны уберечь батарею от полного разряда, если пользователь разрядит батарею до нижнего порога и оставит ее в таком виде на хранении. Разряженная батарея деградирует 100-кратно быстрее. Буквально неделя хранения в таком состоянии и батарею уже не воскресить. Помните об этом и всегда заряжайте ее до 40-50% после катания, но не полностью, если не используете свой транспорт каждый день.
Также смарт бмс позволяет самостоятельно устанавливать верхние и нижние пороги напряжения, что позволяет установить некий запас, если не хочется много думать о безопасном хранении. Можно просто не использовать порядка 20% емкости и ставить напряжение полного заряда для литий-иона, к примеру не 4,2В, а 4,1 а, напряжение разряда 3,1В вместо 2,7, тогда батарея будет заряжаться до 90%, а разряжаться до 10%, при этом в разы продлевая срок службы.
Оптимальная температура хранения 0-10 градусов Цельсия.
Заряд батареи необходимо проверять не реже 1 раза в месяц при длительном сезонном хранении!
Надеюсь, что статья была полезной. Если есть вопросы, замечания и дополнения, обязательно пишите в комментариях!