Литиевый аккумулятор вместо свинцового в авто
ЛИТИЕВЫЙ АКБ ВМЕСТО СВИНЦОВОГО 12 В
Технический прогресс делает свое дело и уже выпускаются новые и лучшие АКБ. Имея аккумуляторы LiFePO4, решено было использовать их для создания батареи, которая совместима с типичными размерами 12 В 7,2 Ач (151 х 65 х 92 мм) и должна быть намного лучше по параметрам. Выбраны цилиндрические батареи LiFePO4 с размерами 32 х 70 мм, заявленная производителем емкость 7000 мА/ч и ток разряда 35 А.
Такой размер вмещает 8 штук этих батарей. Одна батарея LiFePO4 генерирует номинальное напряжение 3,2 В, что при подключении в сборке по 4 дает 12,8 В. Это напряжение аналогично напряжению свинцово-кислотного аккумулятора 12,6 В. Для создания батареи было выбрано 8 штук, которые объединены в 2 параллельных элемента по 4. Оригинальные провода были слишком тонкими, поэтому были укорочены настолько, насколько это возможно.
Конечно сборка требует использования электроники для управления зарядкой и разрядкой, обычно называемой BMS. BMS должна быть со схемой балансировки (выравнивание напряжения ячеек). Все что остаётся, это соединить правильно элементы.
Испытания нового аккумулятора
График напряжение / время
Даже если предположить, что заявленная долговечность составляет 2000 циклов по паспорту, аккумулятор прослужит долгие годы.
Расходы на переделку АКБ
Зарядка проводится током 1-2 А, что совсем не приводит к нагреву элементов, лишь когда они разряжаются током 15 А, то через 30 минут слегка нагреваются.
Переделанный АКБ можно использовать везде, где стояли изначально свинцово-кислотные, возможно нужно будет только изменить зарядное устройство.
Форум по обсуждению материала ЛИТИЕВЫЙ АКБ ВМЕСТО СВИНЦОВОГО 12 В
Обсудим действующие стандарты радиосвязи, узнаем чем они отличаются, и когда использовать какие из них.
Волновое управление, двухфазное и способ регулирования тока в обмотках шаговых двигателей.
Обзор возможностей комплекта бесконтактного модуля считывателя карт RFID RDM6300. Подключение схемы и тесты.
Почему электрические провода нагреваются, откуда берется вообще тепло и сколько энергии теряется из-за сопротивления?
Недавно узнал, что многие применяют LiFePo4 аккумуляторы как в гражданских автомобилях, так и в разнообразных корчах, особенно их ценят любители бездорожья.
Плюсы LiFePo4 по сравнению со свинцово-кислотными и даже с Li-ion аккумуляторами:
1) Устойчивость к температурам.
2) Большое число циклов перезаряда
3) Стабильность напряжение разряда
4) Устойчивость к перезаряду
5) Не горят, при сильном повреждении элементов — выделяется тепло и дым, но, в отличии от литий-ионных — нет пламени.
Главный плюс в нашем случае — в 4-5 раз меньшая масса при сравнимой ёмкости.
На фото LiFePo4 аккумулятор 45А*ч и свинцово-кислотный аккумулятор 60А*ч (ёмкость скорее всего дутая, ибо Bosch silver 56А*ч весит 17кг).
LiFePo4 аккумуляторы можно разделить на 3 основных ценовых группы:
1) Брендовые немецкие/американские/марсианские аккумуляторы, типичная цена — 150к рублей за 20А*ч
2) Импортные аккумуляторы менее известных брендов или российские, например VistaBattery, типичная цена 25к рублей за 20А*ч
3) Китайские аккумуляторы, типичная цена — 10к рублей за 20А*ч (или в моем случае 16к рублей за 45А*ч)
1 вариант откинул как неоправданный.
Хотел поддержать отечественного производителя (они якобы не клеят наклейку на китайский аккум, а собирают его сами из американских элементов и платы собственной разработки), но в процессе обсуждения покупки представитель VistaBattery в какой-то момент перестал отвечать на мои вопросы, что и склонило меня к переходу к 3й группе аккумуляторов. Зато получил за 2/3 цены в 2+ раза бОльшую ёмкость (может быть она дутая у китайцев, но кто знает?).
Аккумуляторы 20Ач весят вообще примерно 2кг, особенно если брать в «мопедном» корпусе, но тогда надо будет переделывать проводку.
Для совместимости со свинцово-кислотными и для возможности простой и быстрой замены, взял в «автомобильном» корпусе, +-1кг не играют особой роли на фоне общего выигрыша в 10-13кг.
PS а Веросса почти простаивает с полудохлой АКПП в ожидании приезда iECU и установки 6ст АКПП…
Почему литиевые аккумуляторы (Li-ion) не заменили свинцово-кислотные
Почему тяговый аккумулятор стартерному не товарищ
Литий-ионные аккумуляторы (Li-ion) разгружают работу двигателей в гибридных автомобилях и выполняют роль основного источника питания в электрических моделях. Такие АКБ называют тяговыми. Пример Toyota Prius C, Ford Fusion Hybrid. Тяговые АКБ также ставят на электрокары. Восполняют затраченную энергию тяговые АКБ от сети, от энергии вырабатываемой при рекуперативном торможении, от генератора автомобиля.
Стартерные АКБ это батареи отдающие мощный заряд «пускового» тока в диапазоне от 250 до 1000 Ампер для запуска двигателя. Питают бортовую сеть машины – музыку, системы безопасности, свет. Затраченную энергию стартерный АКБ восполняет от работы генератора и при рекуперативном торможении.
В качестве стартерных АКБ в обычных бензиновых или дизельных автомобилях литий-ионные батареи не подходят. Чтобы ответить на вопрос: «Почему?» вначале разберемся в плюсах и минусах литиевых батарей.
Подробней о видах аккумуляторов писали здесь.
Преимущества литий-ионных АКБ над свинцово-кислотными:
Минусы Li-ion аккумуляторов:
Все недостатки Li-ion батарей, кроме себестоимости, можно решить путем вдумчивой инженерии.
Почему литиевый аккумулятор не применим в обычном автомобиле?
Генератор переменного тока автомобиля не сможет зарядить литиевый аккумулятор правильно, из-за чего батарея придет в негодность. Но решение есть. Гоночные автомобили типа Porsche GT3, GT2, предлагают комплектацию с опциональным литий – ионным АКБ. Система зажигания в таких автомобилях построена с конвертером заряда, который берет выход от генератора переменного тока и преобразует его для заряда литиевого аккумулятора, заряжая по определенным правилам. Специальная цепь равномерно распределяет заряд между всеми четырьмя ячейками Li-ion батареи. Применение литий-ионных АКБ оправдано либо в странах с умеренным климатом, либо на гоночном треке, где важен вес автомобиля, а денег от спонсоров куры не клюют – при весе в 6 кг литиевая батарея на 10 кг легче свинцовой.
Нужен ли литиевый АКБ в автомобиле в качестве стартерного?
Подведем итоги. Литиевый АКБ также хорош в обычном ДВС автомобиле, как и плох. Основное превосходство такого аккумулятора над свинцово-кислотным в продолжительности жизни, весе, объеме. Минусы – перебои в работе при очень низких и высоких температурах, цена, взрывоопасность.
Остается надеяться, что ученые найдут способ удешевить себестоимость литий – ионных аккумуляторов и увеличить их способность сопротивления быстрой разрядке во время морозов. Решение проблем литиевой батареи совершит прорыв в автомобильной промышленности, что скажется на повышении продаж тех марок автомобилей, которые в числе первых получат литиевые АКБ в виде стартерных. О других прорывах в области аккумуляторных батарей писали тут.
Замена аккумулятора на титанат лития.
Перемычки между банками сделал из алюминиевой шины шириной 20 мм, толщина вроде 3.
Плюсовую и минусовую клеммы выточил на токарном станке из обычной сталюки.
С целью подключения балансира и контроля напряжения к каждому выводу каждой банки было
было подключено по два провода 0,75 кв.мм. Наверное много, имело смысл сделать из витой пары.
Это жгут проводов справа от батареи, которые видно на предыдущих фото.
Для контроля напряжения каждой банки отдельно, собрал схему на ардуино + дисплей + внешние АЦП.
Внешние АЦП задействовал, поскольку АЦП ардуино 10-разрядное, но из-за шумов нужно отбросить
2 младших бита. Итого получается 2^8=256 отсчетов на диапазон 0-5 В, точность 20 мВ.
Поставил 3 16-разрядных АЦП ads1115, подключил в режиме дифференциального измерения —
на каждую батарею по 2 входа АЦП. Это позволяет использовать все 16 разрядов АЦП.
Получил 65535 отсчета на диапазон 0 — 5 вольт. Точность 0,07 мВ.
Такая точность, конечно, не нужна, но это лучше чем 20 мВ.
Входы и питание внешних АЦП защитил супрессорами на 4,5 В. Напряжение питания поставил 4 В.
Для балансировки ячеек внутри батареи уважаемым Владимиром из Новосибирска был разработан балансир.
Я его спаял по предложенной на сайте схеме, однако где-то нахомутал с смд-компонентами.
Кроме того, Владимир прислал мне плату балансира для пайки смд, однако никак не дойдут руки 🙁
Установил аккумулятор почти 6000 км назад. Схему контроля поставил только сегодня,
периодически контролируя напряжение элементов врукопашную.
За это время успел два раза высадить аккумулятор до 7 вольт, и один раз зарядить зарядкой для
свинцовых аккумуляторов типа «кипятильник» до 19 вольт — перед подключением в автомобиль разряжал лампами ближнего света 🙂
После всего этого издевательства разбег между банками всего 40 мВ.
Поставил контролер, понаблюдаю что будет дальше.
А теперь почему пришлось так издеваться.
У этих батарей есть плюсы и минусы, о которых нужно знать.
«+»
Хорошо работают в широком диапазоне температур.
Большое количество циклов заряд-разряд
Цена как за обычный хороший аккумулятор
«-«
Необходим тщательный отбор ячеек в батарею. Я купил 7, и мне повезло,
так как с сравнительно большим саморазрядом была только одна.
Необходим хороший генератор, не дышащий на ладан. Если есть какие-то проблемы в нем
или в проводке от него к аккумулятору — 100% выйдет из строя.
На форуме рекомендуют заменить провод от генератора к аккумулятору на меньшего сечения,
или удлинить его, чего я не сделал.
Зарядка у меня периодически пропадала и на свинцовом аккумуляторе, но на секунды,
и сама восстанавливалась. А я не придавал этому значения.
В результате, после установки нового аккумулятора, у меня полетел генератор.
Теперь, наверное, заменю проводку до генератора.
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!
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?
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.
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.