Какие аккумуляторы использовать в электровелосипеде? (Плюсы и минусы)

Добрый день. Решил на засорять свой основной сайт подобной тематикой, поэтому выделил свою работу и хобби на отдельную площадку. И как понятно по основной рубрике, я размышляю о постройке электровелосипеда. Пока что, это только мысли, так как бюджет подобной постройки выходит очень большим, а в приоритете у меня погашение ипотеки. Но посмотрим, может как-нибудь выкрутиться получится. Итак, аккумуляторы. Это статья больше нужна мне, так как информации очень много, а систематизированной практически нет, поэтому пока буду писать, заодно разберусь сам. Конечно же, здесь указаны далеко не все виды аккумуляторов, только те, которые могут быть использованы при постройке электровелосипеда. Да и дополниться она скорее всего ещё будет.

Свинцово-кислотные аккумуляторы

Изобретены ещё в 1859-1860г и с небольшими изменениями работают по сегодняшний день. Данный тип аккумуляторов видели почти все, так как именно они используются в авто-мото транспорте. Имеют следующие характеристики:

Сейчас чаще всего в электротранспорте используются аккумуляторы выполненных по двум технологиям: AGM (Absorbent Glass Mat) или GEL (Гель).

AGM — являются самыми дешевыми в классе свинцово-кислотных аккумуляторов (за исключением автомобильных, конечно же). Основное отличие в том, что между свинцовыми пластинами заложена обыкновенная стеклоткань, в которой уже находится в связанном состоянии электролит. Данная технология позволяет использовать аккумулятор в теории в любом положении, к примеру на боку или под углом 45%. Жизненный цикл типичной батареи, выполненной по данной технологии 200-800 циклов.

GEL (Гель, не гелий) — здесь же основное отличие в том, что расстояние между пластинами залито специальным гелем — силикагель. После засыхания силикагель превращается в твердое вещество с большим количеством пор по типу губки, в которых и содержится электролит. Благодаря гелю, пластины получаются зажаты, что уменьшает вероятность осыпания пластин или заворачивание, вследствие чего преждевременный выход из строя получается практически невозможен. Жизненный цикл батареи составляет 350-1200 циклов.

Плюсы батарей AGM и GEL:

• Стоимость, гораздо дешевле, чем у литиевых аккумуляторов (GEL стоят дороже, чем AGM);
• Безопасность (относительно LiPol и LiIon), физическое повреждение батареи не приведет к её возгоранию;
• Увеличенный срок службы в условиях повышенной вибрации.
• Неплохой жизненный цикл GEL

Недостатки:

• Большой вес;
• Малый жизненный цикл батареи AGM;
• Оксид свинца, который содержится во всех свинцово-кислотных аккумуляторах, является токсичным веществом и является опасным для окружающей среды (а зачем рубить сук, на котором сидишь?);
• Очень чувствителен к превышению заряда;
• Нельзя хранить в разряженном состоянии.

Никелевые аккумуляторы (NiCd, NiMh)

NiCd (Никель-Кадмиевые), разработаны они были ещё в далеком 1899 году, но были слишком дорогие и имели малый срок службы, поэтому большого применения не получали. Тем не менее почти пятьдесят лет производились усовершенствования аккумуляторов вплоть до 1947 года, в котором мы уже получили текущий вариант аккумулятора в герметическом исполнении и спрессованным анодом. Данный тип аккумуляторов можно увидеть в большинстве аккумуляторов шуруповертов, так как там необходим большой ток разряда, который может предоставить данный тип аккумуляторов при очень хорошем разбросе температурных режимов. Но повсеместное использование данных аккумуляторов тоже прекратилось, из-за токсичности паров кадмия.

Технические характеристики NiCd аккумуляторов:
Удельная энергоёмкость: 30–50 Вт·ч/кг
Удельная энергоплотность: 50–150 Вт·ч/дм³
Удельная мощность: 150…500 Вт/кг
ЭДС = 1,37 В
Рабочее напряжение = 1,35…1,0 В
Нормальный ток зарядки = 0,1…1 C, где С — ёмкость
Максимальный тор разряда = 10С
Срок службы: около 100—900 циклов заряда/разряда.
Саморазряд: 10% в месяц
Рабочая температура: −50…+40 °C

Плюсы:

• Относительно низкая энергоемкость;
• Большой ток разряда и заряда;
• Хороший срок службы, при соблюдении правил по заряду-разряду;
• Возможность эксплуатации при очень низких температурах;
• Низкая стоимость.

Минусы:

• Низкая энергоплотность, хоть и выше чем в свинцово-кислотных аккумуляторах;
• Очень сильно выраженный эффект памяти, необходимость проведения работ по его устранению;
• Высокий саморазряд;
• Токсичность.

Никель-металл-гидридный аккумулятор (Ni-MH) — это попытка получить аккумулятор, с целью преодоления недостатков NiCd. Разработка началась ещё в 1970-х годах, но успешные результаты получились уже только в 1980-х годах, после чего шли постоянные работы по усовершенствованию технологии производства. В основном с целью увеличения емкости аккумулятора при сохранении размеров. Технические характеристики NiMH:

Удельная энергоёмкость: около — 60-80 Вт·ч/кг.
Удельная энергоплотность (Вт·ч/дм³): около — 150-200 Вт·ч/дм³.
ЭДС: 1,25 В.
Рабочая температура: −10…+55 °C.
Нормальный ток зарядки = 0,1…0.3C, где С — ёмкость.
Максимальный ток разряда = 4С.
Саморазряд: 15-20% в месяц.
Саморазряд: 15-20% в месяц.
Срок службы: около 300—500 циклов заряда/разряда.

NiMH аккумуляторы имеют на 1/5 большую максимальную емкость при тех же габаритах, но меньший максимальный срок службы — почти в два раза. Саморазряд увеличен почти в два раза, в сравнении с NiCd аккумуляторами. Экологически безопасны.

Приятная особенность NiMH аккумуляторов — это то, что почти  получилось избавиться от «Эффекта памяти». То есть его можно заряжать, если он не лежал в полузаряженном состоянии пару недель. В то время как NiCD, необходимо разряжать полностью (привет всем любителям ставить шуроповерт на зарядку в любой непонятной ситуации).

Плюсы:

• Неплохая энергоемкость;
• Минимальный эффект памяти;
• Экологически безопасны.

Минусы:

• Меньший срок службы, чем у NiCd;
• Уменьшенный температурный порог;
• Необходимо следить за температурой аккумуляторов при заряде;
• очень большой саморазряд.

Литиевые аккумуляторы (Li-Ion, Li-Pol, LiFePo4)

Переходим к самым вкусным типам аккумуляторов для электротранспорта.

Li-Ion (Литий-ионный) или LiNiCo (Литий-кобальтовые) — самый часто используемый тип аккумуляторов на данный момент, если вскроете аккумуляторный отсек вашего телефона, планшета, ноутбука, Tesla — вы с 80-90% вероятности увидите именно Li-Ion аккумулятор. Данный тип пришел на смену NiMH и NiCd, так как лишён большинства их недостатков. Но в тоже время, большинство Li-Ion не могут выдавать большие токи разряда, что не критично для сотовых телефонов и ноутбуков, но не подходит для электроинструмента. И ещё один главный минус — падение до 40% процентов мощности уже при температуре в 0 градусов цельсия — Li-Ion не любит минусовые температуры. Данный тип аккумуляторов один из самых частых в электротранспорте, к слову даже в Tesla батарея состоит из 7000 аккумуляторов формата 18650 производства LG.

Характеристики:

• напряжение единичного элемента:
  • номинальное: 3,6-3,7 В (у аккумуляторов на максимальное напряжение 4,35 В номинальное напряжение равно 3,8 В);
  • максимальное: 4,23 В или 4,4 В (у аккумуляторов на 4,35 В);
  • минимальное: 2,5-2,75-3,0 В (в зависимости от ёмкости и максимального напряжения);
• удельная энергоёмкость: 110 … 243 Втч/кг;
• внутреннее сопротивление: 5 … 15 мОм/Ач;
• число циклов заряд/разряд до достижения 80 % ёмкости: 600;
• саморазряд при комнатной температуре: 3 % в месяц;
• ток разряда: 1…2С;
• диапазон рабочих температур: от -20°C до +60°C (наиболее оптимальная +20°C).

Плюсы:

• Большая энергоемкость аккумуляторов;
• Практически отсутствующий эффект памяти (можно пренебречь);
• Хороший срок службы при соблюдении температурных режимов;
• Незначительный перепад напряжения по мере разряда;
• Малый саморазряд.

Минусы:

• Жесткие ограничение по превышению максимального напряжения при заряде (возможно воспламенение) и минимального при разряде (аккумулятор умирает, без возможности восстановления);
• Жесткий температурный режим, очень сложно использовать при минусовых температурах без подогрева;
• Слабые токовые характеристики;
• Необходимо использования платы балансировки заряда(BMS);
• Старение — потеря емкости в результате нарушения температурных режимов, перенапряжения или просто от времени (за 2 года -20% емкости).

Li-Pol (Литий-полимерный) — следующий этап эволюции Li-Ion аккумуляторов, призваны были побороть некоторые проблемы безопасности последних. Итак, основное отличие — использование полимерных материалов вместо органических в качестве электролита. Но соль Li-Pol заключается в том, что их несколько видов:

— сухие полимерные электролиты (чаще всего на базе полиэтиленоксида, в который вводятся различные соли Li);
— гель-полимерные гомогенные электролиты, которые образуются при внедрении в полимер (или смесь полимеров) с солями Li пластификатора-растворителя;
— неводные растворы солей Li, сорбированные в микропористой полимерной матрице.

И они все немного разные как по характеристикам, так и по безопасности. Идеальных нет, но характеристики на данный момент в принципе такие же, как и на обычных Li-Ion. Самыми безопасными считаются с гелиево-полимерным электролитом. Что нам, для использования в подвижном транспорте и является самым интересным. Так как никто не хочет почувствовать огонь под сидением, после очередного прыжка с бордюра.

Плюсы:

• Характеристики как на Li-Ion — хорошие;
• Ещё большая энергоемкость, чем на Li-Ion;
• Разные варианты исполнения (призматические (пакеты) любой формы, толщина до 1мм)
• Низкий саморазряд;
• Отсутствие эффекта памяти;
• Чуть более расширенный температурный диапазон, чем на Li-Ion (-20… +40)

Минусы:

• Нельзя: нагревать выше 60град., заряжать большими токами, заряжать большим напряжением, допускать короткое замыкание, допускать повреждение/разгерметизацию аккумулятора — приводит к возгоранию и даже взрывам;
• Нельзя разряжать ниже 3В или хранить в разряженном состояние, приводит к смерти аккумулятора;
• Из вышесказанного следует — необходимо качественное зарядное устройство;
• Дороже, чем Li-Ion;
• Старение как на Li-Ion;
• Так же требуют BMS плату;
• Слабые токовые характеристики.

LiFePO4 (Литий-железо-фосфатный) — очень молодой аккумулятор, изобрели его в 1996г., а развитие проект получил вообще в 2000г. когда им занялась A123 Systems. Но на мой взгляд, это самый интересный аккумулятор для использование в электровелосипедах, -мопедах или -мотоциклах. Итак, основные отличия от литий-ионных аккумуляторов: имеет чуть меньше энергоемкость 10-15%, но при этом срок службы составляет от 2000 до 7000 циклов (и это всего лишь до 80% первоначальной емкости, сколько времени пройдет, прежде, чем останется 50%?), что делает его практически вечным после установки на транспорт. Далее, данный тип аккумуляторов является химически и термически стабильным. То есть после неаккуратного прыжка с трамплина вам придется всего лишь сменить неисправный пакет, а не лечить ожоги или вытаскивать осколки из своего тела. Литий-железо-фосфатные аккумуляторы выпускаются в двух видах: цилиндрические батарейки (например фирма Headway типа-размерами 38120, 38140, 40160 с вариантам болтового соединения клемм) или призматического (пакеты-монстры или защищенные брикеты). Последние имеют чуть большую удельную энергоемкость и позволяет аккуратно укомплектовать батареи в самые разные рамы, но нужно учитывать что они не имеют жесткую оболочку и могут повредиться, что приведет к выходу из строя элемента. Технические характеристики LiFePO4:

• Удельная плотность энергии: 90–140 Вт•ч/кг (320-498 Дж/г)
• Объёмная плотность энергии: 220–350 Вт•ч/дм3 (790 кДж/дм3)
• Объёмная плотность конструкции: 2 кг/дм3
• Число циклов заряд/разряд до потери 20% ёмкости: 2000-7000
• Срок хранения: до 15 лет
• Саморазряд при комнатной температуре: 3-5% в месяц
• Максимальный ток разряда = 10С
• Напряжение:
  • максимальное в элементе: 3,65 В (полностью заряжен)
  • средней точки: 3.3 В
  • минимальное: 2 В (полностью разряжен)
  • рабочее: 3.0-3.3 В
  • минимальное рабочее напряжение (разряда): 2.8 В
• Удельная мощность: >6,6 Вт/г (при разряде током 60С)
• Рабочий диапазон рабочих температур: от -30°C до +55°C

Плюсы:

• Хорошая энергоемкость аккумуляторов;
• Высокий пиковый ток, благодаря высокой емкости элементов;
• Безопасность использования;
• Очень большой срок службы — если посчитать, что аккумулятор будет заряжаться два-три раза в неделю, каждую неделю —  данных аккумуляторов хватит на 15-20 лет;
• Очень стабильное напряжение разряда, почти всегда держится на уровне 3,2В;
• Экологически безопасные элементы;
• Морозостойкость, рабочий диапазон начинается от -30, хранения от -40град.

Минусы:

• На 18% меньше энергоемкость в сравнении с Li-Ion — лишние граммы и объем в транспорте;
• Почти в половину меньше энергоплотность, чем у Li-Ion (нужен реально большой короб под АКБ;
• Так же требуется BMS плата, для балансировки заряда.

LiMn2O4 (Литий-марганцевый) — вот этот гость встречается гораздо реже, основное отличие от оригинальных — использование  марганца. Позволило добиться гораздо большего максимального тока разряда (до 5С), в сравнении со стандартным Li-Ion при том же напряжении от 2.5 до 4.2 В. и это позволяет его использовать уже в мощных фонарях или радиоприемниках, что позволяет заменить NiCd батареи на него. Но с лучшими токовыми характеристиками LiMn2O4 получил чуть меньшую емкость и ещё более худшую переносимость холода, использовать данные аккумуляторы можно только выше -10, при более низких начинается неисправимая потеря емкости.

Плюсы:

• Хорошие токовые характерстики;
• Безопаснее к физическим повреждениям;
• Нет эффекта памяти.

Минусы:

• Очень боятся холода;
• Дороже;
• Емкость чуть ниже, чем у Li-Ion;
• Всё еще могут взорваться.

Сравнение аккумуляторов — таблица.

Итак, вроде перечисли все самые популярные аккумуляторы, если что-то забыл или не упомянул, допишу позже. Теперь перейдем к самому интересному, сравнению в таблицы. Все расчеты буду проводить на примере вымышленной батареи с характеристиками примерно 74V 32Ah. Я решил сделать это в видео Google таблицы, это позволит в любой момент изменить содержимое таблицы, не изменяя текст статьи (к примеру добавить другую модель аккумулятора)

Как видно из таблицы, самыми вкусными по соотношению цена/емкость и цена/вес, у нас получаются Li-Ion 18650, скорее всего именно поэтому в большинстве самодельных сборок (в том числе и очень мощных) с некоторым ограниченным бюджетом используются батареи на основе именно этих аккумуляторов, в том числе сборки, которые идут на продажу. Дальше идут LiPol, а после него уже LiFePO4. Но, дальше уже поговорим в разделе выводов

Выводы.

Итак, по итогу сравнения у нас образовалось три безоговорочных лидера по соотношению цена/емкость, но… Давайте теперь вспоминать о главных характерстиках каждого лидера:

1) Li-Ion — любит стабильные +20, при -5 теряет половину емкости, а при -20 и ниже безвозвратно теряет емкость, возгорается при перезаряде, слабый ток разряда, количество циклов заряда/разряда ~600;

2)LiPo — взрывается при перезаряде, перегреве или повреждении, слабый ток отдачи, количество циклов заряда/разряда ~600;

3) LiFePo4 — чуть меньше удельная емкость, но при гораздо большой емкости элементов, рабочее напряжение стабильно 3,2В, количество циклов заряда/разряда от 2000 до 8000.

Я живу в Краснодаре и летом у меня температура +40 и выше, зимой около нуля, ну и неделя-другая около -10…-20, то есть летом Li-Pol и Li-Ion мне просто опасно использовать, зимой же будет половина, а то и меньше емкости. И главное — срок службы. Купив LiFePO4 вам их хватит лет на десять очень активного использования, а Li-Ion с учетом всех его болячек проживет в 5-10 раз меньше.

Исходя из вышесказанного, я бы поменял места вот так:

1 место: литий-железо-фосфатные

2 место: литий-ионные

3 место: литий-полимерный

Поэтому для себя я уже выбрал однозначного лидера — призматические элементы LiFePo4, они выходят ненамного дороже Li-Ion, притом что есть выбор по емкости и вариантам исполнения на AliExpress (незащищенные пакеты или в алюминиевом защитном корпусе), а срок службы у них гораздо больше. Размышляю даже взять простые пакеты, посадить их в термоусадку и каждую сборку обложить каким-нибудь антивибрационным материалом, чтобы при ударах пакет не повредился.

Но это мой вывод, с учетом моих климатических условий, жителям средней полосы вполне можно использовать LiIon, так как летом у них не так жарко, зимой по снегу сильно не покататься, но в случае чего можно установить теплоизоляцию в батарейный отсек и какие-нибудь не самые мощные нагревающие элементы. Все-таки соотношение цена/емкость у аккумуляторов Li-Ion самое лучшее и 100 аккумуляторов 18650 из Китая можно заказать за 20000руб.

Вроде всё. Надеюсь эта статья оказалась вам полезной, нажмите одну из кнопок ниже, чтобы рассказать о ней друзьям. Также подпишитесь на обновления сайта, введя свой e-mail в поле справа или подписавшись на группу во Вконтакте и канал YouTube.

Спасибо за внимание