Литиевый аккумулятор для электровелосипеда

Прежде чем купить электровелосипед все будущие владельцы этих прекрасных аппаратов хотят знать - какому типу аккумулятора отдать предпочтение? Это действительно необходимо сделать потому, что выбор типа аккумулятора применяемого на электровелосипеде в основном и определяет большинство эксплуатационных характеристик, цену и вес велосипеда.

 На серийных электровелосипедах доступной ценовой категории в настоящее время используются в основном три типа силовых аккумуляторов:

•   Свинцово - кислотные (SLA) и гелиевые аккумуляторы.

Они самые дешевые и широко распространенные. Но, к сожалению и обладающие самым малым ресурсом и большим весом. 
Удельная емкость аккумуляторов этого типа не превышает 30 Вт·час на кг. Аккумулятор на 36 вольт и емкостью 10 A/часов весит больше 13,5 кг. С ресурсом перезарядок не более 250 раз. Такого аккумулятора хватит примерно на 1 год эксплуатации. 
Оптимальный ток разряда для этого типа аккумуляторов - 0,3 емкости. Если аккумулятор работает в нормальных условиях, то потери ёмкости невелики, однако даже одноразовая перегрузка и глубокий разряд способны привести к потере ёмкости на 60-80%. 
Основные причины снижения емкости – это интенсивная сульфатация пластин из-за глубокого разряда, разряженого состояния в течении длительного времени, больших разрядных токов обусловленных  движением  велосипеда в гору или по бездорожью. Не подходят эти аккумуляоры и для электровелосипедов оборудованных мотор колесом с прямым приводом https://lifepo4.by/motor-koleso из-за больших пиковых нагрузок.

Следует отметить -  гелиевые аккумуляторы менее чувствительны к глубокой разрядке чем свинцово-кислотные. Необходимо тщательно следить за рекомендованным режимом эксплуатации аккумуляторов этих типов.
И все равно, в любом случае они не идут ни в какое сравнение с силовыми аккумуляторами литиевой группы.

• Литий ионные (Li-Ion)  аккумуляторы

Аккумуляторы на ионах лития являются лучшими силовыми источниками тока. Преимуществами Li-ion аккумуляторов являются большое количество циклов, высокая энергетическая плотность и низкий самозаряд.
Технология их производства постоянно совершенствуется, а стоимость уменьшается. Удельная плотность запасаемой энергии постоянно растет за счет совершенствования технологии.

Литий-ионный аккумулятор состоит из положительных и отрицательных электродов, электролита, пористого сепаратора и контактов.
Для отрицательных пластин используется графит. Электролит представляет собой в основном смесь LiPF6 и карбоната.
В качестве катодного материала используются несколько материалов:

• кобальтат лития LiCoO₂
• литий-марганцевая шпинель LiMn₂O₄
• литий-кобальт-марганцевая шпинель (Li(NiCoMn)O2
• литий-феррофосфат LiFePO₄.

Химический состав используемого катодного материала во многом определяет технические характеристики аккумуляторов.

Все аккумуляторы подвержены  деградации во времени и от количества циклов заряд-разряд. Работа  аккумулятора на разрядных токах больше  номинальной емкости, как правило, приводит к существенному уменьшению ресурса аккумулятора из-за повышения внутренней температуры ячеек в процессе работы на больших токах. Деградация определяется в большой степени  температурой эксплуатации и хранения, и ускоряется с ростом температуры.
Литий железо фосфатные аккумуляторы (LiFePo4) меньше подвержены деградации, чем все остальные аккумуляторы литиевой группы.

• Литий-полимерные (Li-pol)  аккумуляторы

Отличие от Li-ion аккумуляторов заключается в типе применяемого электролита. Электролит представляет собой пластиковую не проводящую ток пленку, но допускающую обмен ионами. Такая полимерная пленка заменяет обычный традиционный сепаратор, пропитанный электролитом.

Простая конструкция аккумулятора существенно удешевляет производство и позволяет выпускать очень тонкие аккумуляторы произвольной формы.

Есть правда большой недостаток - сухие Li-pol аккумуляторы обладают большим внутренним сопротивлением. Приемлемый уровень проводимости достигается только при нагревании более 60°C. Тем не менее Li-polymer аккумуляторы иногда используются в качестве резервных источников питания в которых установлены нагревательные элементы, поддерживающие приемлемую температуру.

Li-polymer аккумуляторы, которым комплектуются все современные бытовые электронные приборы не представляют собой Li-polymer аккумуляторы в чистом виде. Речь идет об аккумуляторах не с сухим твердым электролитом. Для повышения электропроводности в них добавляют гелеобразный электролит. Практически все  Li-pol аккумуляторы сегодня являются гибридами т.к. cодержат электролит в виде геля.  Правильнее их называть литий-ионными-полимерными. Однако в рекламных целях маркируют их просто как Li-polymer.

В чем разница между Li-ion и Li-polymer аккумуляторами содержащими гелеобразный электролита? Разница заключается только в том, что в Li-polymer аккумуляторе используется сепаратор в виде пленки, заменяющий пористый сепаратор. Гелиевый электролит добавляется для снижения внутреннего сопротивления. Технические характеристики Li-polymer аккумуляторов не превосходят технические характеристики Li-Ion аккумулторов, ведь по сути дела это тоже Li-Ion аккумулятор. Срок эксплуатации ограничен 3-5 годами, а ресурс заряд-разряд не превышает 1000 циклов.

Процесс зарядки - разрядки литий ионных аккумуляторов очень критичен к напряжению отдельной ячейки. Каждая ячейка  существенно влияет на долговечность аккумулятора в целом. Контролем за процессами заряда - разряда ячеек аккумуляторной батареи занимается специальная  электронная микропроцессорная система - BMS (Battery Manegement System).
На фотографии представлена BMS для батареи электровелосипеда 36В 10A*час, на максимальный ток разряда 20 Ампер.
Работа BMS состоит в контроле напряжения на каждой ячейке и шунтировании ее вблизи заданных границ напряжения на ячейке в процессе заряда. BMS отвечает за балансировку всех ячеек в аккумуляторной батарее. Следует помнить – в случае глубокой разрядки, аккумулятор следует зарядить как можно быстрее, в противном случае BMS может отключить процесс зарядки. Это может произойти, если напряжение из-за саморазряда снизится ниже заданного порога безопасности. Коррекции заряда ячеек с помощью BMS и  удержания его на заданном уровне позволяет  оптимизировать ёмкость всей батареи и предотвращает преждевременное старение отдельных ячеек аккумулятора. BMS также контролирует тепературу ячеек аккумулятора и при превышении заданного порога отключает аккумулятор. Отключение происходит также при превышении разрядного тока батареи выше заданного. Все эти меры необходимы для достаточной балансиовки ячеек при зарядке и обеспечении безопасного режиам разряда батареи.

Для зарядки аккумуляторов литиевой группы необходимо использовать только специальные зарядные устройства, потому, что зарядка проводится в два этапа - сначала до заданного напряжения, а затем при постоянном напряжении до достижения заданного минимального тока зарядки. Имеено последний этап очень важен для хорошей балансировки ячеек аккумулятора. Поэтому зарядное устройство можно не отключать от батареи еще в течение 2-3 часов, даже если на зарядном устройстве включился зеленый индикатор заряда. Перезаряд батареи не произойдет в любом случае т.к. все литиевые батареи заводского изготовления оборудованы электронной системой BMS.
Вес силового аккумулятора этого типа в алюминиевом кейсе на 36 вольт и емкость 10 A/часов составляет примерно 3 кг. Этот тип силовых аккумуляторов способен обеспечить электровелосипеду пробег только на двигателе в 35-45 км на одной зарядке.

• Особое место среди аккумуляторов на основе ионов лития занимают литий железо фосфатные аккумуляторы (LiFePо4).

С момента изготовления первой промышленной партии в 2006 году этот тип аккумуляторов является вершиной технологии силовых аккумуляторв. Он без преувеличения самый лучший по всем основным параметрам. Принцип действия основан на использовании электродов нано масштаба и активации обмена ионами между электродами за счет увеличения их активной поверхности. Эта новая ”нано фосфатная” технология дала толчок развитию силовых аккумуляторов с небывалыми характеристиками:
      - они отличаются высокой скоростью зарядки и емкостью порядка 100 Вт·час на кг. 15-20 минут необходимо потратить на их полную зарядку. Нужно только иметь зарядное устройство способное выдать большой зарядный ток и аккумулятор должен быть оснащен соответствующей BMS. 
      - имеют ресурс циклирования в несколько раз больший, чем остальные модели аккумуляторов литиевой группы;
      - прочные и безопасные;
      - допускают большой разрядный ток без ущерба для ресурса;
      - имеют мизерный cаморазряд – около 3% за год;
      - широкий диапазон рабочих температур (от -30⁰С до +70⁰С ) с сохранением характеристик;
      - выдерживают больше 2000 - 3000 перезарядок и срок службы более 10 лет. При этом потеря емкости к концу срока эксплуатации малозаметна;
      - отсутствует эффект "памяти".

LiFePo4 батареи также оборудованы системой BMS. Для зарядки литий железо фосфатных аккумуляторов нужно применять только специальные зарядные устройства. Это связано с тем, что напряжение на ячейке литий железо фосфатного аккумулятора несколько меньше (3,6 B), чем на ячейке литий марганцевого или литий полимерного аккумулятора  (4,2 B).
     Недостатоки у литий-железо-фосфатного аккумулятора только стоимость и несколько больший вес из-за меньшей удельной емкости и меньшего напряжения на отдельной ячейке. Стоимость и вес выше стоимости и веса силовых литий марганцевых аккумуляторов приблизительно на 20-30%.
     Вес силового аккумулятора в алюминиевом кейсе на 36 вольт и емкостью 10 A·часов составляет 4,1 кг.

 Выводы:

·        Cвинцово - кислотные (SLA) и гелиевые аккумуляторы не оптимальны для установки на элекровелосипед из-за ряда недостатков. Это, прежде всего большой вес, непереносимость пиковых нагрузок, малый срок службы связанный с особенностями эксплуатации в экстремальных режимах для этого типа аккумуляторов. По статистике - пробег электровелосипеда на одной зарядке с аккумулятором SLA будет в 3-4 раза меньше в сравнении с пробегом на аккумуляторе литий ионной группы такой же емкости;

·         Li-Ion и Li-pol аккумуляторы достаточно хороши для электровелосипедов. Обладают относительно малым весом и большим ресурсом при щадящей эксплуатации. Стоимость аккумуляторов этого типа приблизительно в 4 раза выше стоимости свинцово – кислотных и гелиевых аккумуляторов, и вес меньше в 4 раза;

·        Литий-железо-фосфатные аккумуляторы (LiFePо4) обладают всеми преимуществами   Li-Ion и Li-pol аккумуляторов, но, кроме того, свободны от всех их недостатков:
-         отлично переносят пиковые нагрузочные и зарядные токи без ущерба для ресурса;
-         меньше склонны к деградации;
-         выдерживают больше 2000 перезарядок при потере емкости не более чем на 20%;
-         имеют малый саморязряд;
-         широкий диапазон рабочих температур.
Из недостатков можно отметить:
- более высокую стоимость (приблизительно на 20-30%), по сравнению с литий марганцевыми аккумуляторами;
- меньшую удельную емкость, и как следствие больший вес и габариты, по сравнению с литий марганцевыми аккумуляторами.
На сегодняшний день литий железо фосфатный аккумулятор - лучший выбордля электровелосипеда, из соображений ресурса и экологичности
LiFePo4 аккумуляторы предназначены для жесткой интенсивной эксплуатации. Потенциально, они способены обеспечить пробег электровелосипеду в режиме скутера не менее 70 000 км (https://lifepo4.by/zdorove). 
Если на одной зарядке проезжать по крайней мере 35 км, а аккумулятор выдерживает не менее 2000 - 3000 перезарядок, то пробег электровелосипеда в 70 - 100 тыс. км вполне реален на установленном штатном аккумуляторе. Срок эксплуатации литий железо фосфатных аккумуляторов сравним со сроком эксплуатации самого элетровелосипеда на котором он установлен.

• Корпуса аккумуляторов:

Литий ионные аккумуляторы для электровелосипедов выпускаются в различных корпусах. Они могут устанавливаться на раму, на подседельную трубу, на багажник и просто размещаться в специально изготовленных сумках. Основные типы корпусов можно посмотреть, например, здесь.
Типовая емкость аккумуляторов устанавливаемых на велосипед составляет 10А·час, при напряжении 36В. Запас энергии в таком аккумуляторе позволяет проехать 35-45 км по асфальтированной дороге в режиме скутера, при условии использования редукторного мотор колеса. Двигатели прямого привода, хотя и обеспечивают велосипеду скорость более 30 км/час, примерно на 30% прожорливее редукторных мотор колес, особенно на скоростях менее 20 км/час. Они к тому же в два раза тяжелее и требуют более емких и потому более тяжелых аккумуляторов.

Если требуется обеспечить пробег велосипеда на одной зарядке более 40 км, или есть необходимость совершения поездок по песчаным грунтовым дорогам, лесу или пересеченной местности, то имеет смысл приобрести электровелосипед с энергоемким аккумулятором 15-20 A·час, или установить на велосипед дополнительный аккумулятор. Причем нужно, чтобы аккумуляторы не работали оба одновременно. Дополнительные аккумуляторы с креплением на багажник часто выпускаются достаточно энергоемкими 10-20 А·час. Установкой дополнительного аккумулятора можно довести пробег электровелосипеда в режиме скутера  до 100-150 км без подзарядки.
При установке дополнительного аккумулятора нужно иметь в виду, что дополнительный аккумулятор должен иметь аналогичное рабочее напряжение и работать аккумуляторы не должны оба одновременно.