Создание и развитие литий-ионных аккумуляторных блоков
Создание литий-ионного аккумуляторного блока начинается с удовлетворения требований к напряжению и времени работы, а затем учитывает ограничения по нагрузке, окружающей среде, размеру и весу. Портативные конструкции для потребительских товаров требуют тонкого профиля, и выбор делается между призматическим или пакетным элементом. Если пространство позволяет, цилиндрический элемент, такой как 18650, часто обеспечивает самую низкую стоимость и лучшие характеристики с точки зрения удельной энергии, безопасности и долговечности.
Аккумуляторы LiFePO4
Надежные литий-железо-фосфатные аккумуляторы для солнечных и резервных систем.
LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 (12В, 50Ач)
Компактный аккумулятор с встроенным BMS для безопасной работы в солнечных и резервных системах.
Купить
LiFePO4 Victron Lithium SuperPack 12.8В 100Аг
Современная литий-железо-фосфатная батарея (LiFePO4) со встроенным BMS и защитой от перегрузки
Купить
LiFePO4 Victron Smart Battery 12.8V/100Ah
Высококачественный источник энергии с длительным сроком службы, высокой безопасностью и совместимостью с экосистемой Victron Energy
КупитьЦилиндрические элементы
Большинство аккумуляторных блоков для медицинских устройств, электроинструментов, электровелосипедов и даже силовых агрегатов для электромобилей (EV) основаны на 18650. Это кажется непрактичным, но этот малый элемент хорошо работает, поскольку это один из самых зрелых литий-ионных форматов, который производится в больших объемах и имеет низкую стоимость за Вт-ч.
Цилиндрический элемент не идеален, поскольку в многоэлементной конфигурации оставляет пустые места. Этот недостаток превращается в преимущество, если учесть гибкость и охлаждение. Tesla S85 EV использует более 7000 элементов, соединенных параллельно для увеличения тока и последовательно для увеличения напряжения. Если один из элементов, соединенный последовательно, размыкается, общие потери мощности минимальны; если один из параллельно соединенных элементов замыкается, предохранитель удаляет этот элемент из цепи. Таким образом, неисправные элементы можно устранить, не разряжая аккумулятор.
Форматы для электромобилей
Производители электромобилей не имеют единой стратегии относительно формата элементов. Некоторые тяготеют к большим призматическим или пакетным ячейкам, что уменьшает количество вспомогательной электроники, но повышает ее стоимость. По данным 2015 года, Tesla S 85 имела самую низкую стоимость кВт⋅ч благодаря использованию 18650, тогда как Nissan Leaf и BMW i3 работали с призматическими или пакетными элементами, но с более высокой себестоимостью.
| Марка и модель | Тип ячейки | Стоимость за кВт⋅ч | Удельная энергия |
|---|---|---|---|
| Tesla S 85, 90 кВт⋅ч (2015)* | 18650 | 260 долл./кВт⋅ч | 250 Вт⋅ч/кг |
| Tesla 48 кВт⋅ч Gen III | 18650 | 260 долл./кВт⋅ч | 250 Вт⋅ч/кг |
| Лучшие практики (DoE/AABC) | пакет/призматический | 350 долл./кВт⋅ч | 150–180 Вт⋅ч/кг |
| Nissan Leaf, 30 кВт⋅ч (2016)* | пакет/призматический | 455 долл./кВт⋅ч | 80–96 Вт⋅ч/кг |
| BMW i3 | пакет/призматический | Нет данных | 120 Вт⋅ч/кг |
Таблица 1: Сравнение цен на аккумуляторы для электромобилей.
* В 2015/16 годах у Tesla S 85 увеличили емкость аккумулятора с 85 кВт⋅ч до 90 кВт⋅ч; у Nissan Leaf — с 25 кВт⋅ч до 30 кВт⋅ч.
Безопасность и конструктивные решения
Аккумуляторы должны быть разработаны таким образом, чтобы выходить из строя без катастрофических событий. Все источники энергии в конечном итоге выходят из строя, и аккумулятор не является исключением. После нежелательного события FAA обязало поместить литий-ионный аккумулятор Boeing Dreamliner 787 в металлический контейнер с вентиляцией наружу. Tesla усилила аккумулятор электромобиля, добавив на дно толстостенную стальную пластину, которая обеспечивает дополнительную защиту от снарядов с дороги.
Большие аккумуляторы для энергетических применений охлаждаются. Некоторые используют стержневую систему для вывода тепла наружу, другие применяют принудительную подачу воздуха или жидкостное охлаждение. Жидкостное охлаждение является предпочтительным, и хотя оно дороже, аккумуляторы электромобилей тяготеют к этой форме охлаждения.
Разрешения на проведение встреч по вопросам безопасности
Производители аккумуляторов с высокой репутацией не поставляют литий-ионные элементы несертифицированным сборщикам аккумуляторов. Эта мера предосторожности понятна, учитывая, что литий-ионные элементы могут заряжаться и разряжаться сверх безопасных пределов из-за неадекватных защитных схем.
Авторизация аккумуляторного блока для коммерческого рынка и воздушного транспорта может стоить от 10 000 до 20 000 долларов. Такая высокая цена вызывает беспокойство, учитывая, что производители элементов прекращают производство старых элементов в пользу замены большей емкости. Блок с новым элементом, даже если он указан как прямая замена, требует новых сертификаций.
Распространенный вопрос: «Зачем нужны дополнительные испытания, если элементы уже одобрены?» Простой ответ заключается в том, что одобрение элементов не может быть перенесено на упаковку, поскольку регуляторные органы размещают подтверждение безопасности на готовом продукте, а не на компонентах. Собранный аккумулятор должен быть проверен и зарегистрирован, чтобы обеспечить правильную сборку и соответствие стандартам безопасности.
Согласно требованиям к испытаниям, готовый аккумулятор должен пройти электрическую и механическую оценку на соответствие Рекомендациям по перевозке опасных грузов на литий-ионных аккумуляторах для авиаперевозок, правилам, установленным Организацией Объединенных Наций (ООН). Транспортные испытания ООН (UN/DOT 38.3) работают совместно с Федеральным управлением гражданской авиации (FAA), Министерством транспорта США (US DOT) и Международной ассоциацией воздушного транспорта (IATA)*. Сертификация распространяется на первичные и вторичные литиевые элементы.
Испытания UN 38.3
Низкое давление имитирует негерметизированный грузовой отсек на высоте 15 000 метров.
Испытание на экстремальные температуры в течение 6 часов при -40°C, а затем +75°C.
Имитирует вибрацию во время транспортировки с частотой 7–200 Гц до 3 часов.
Моделирует вибрацию во время транспортировки при перегрузках G.
Короткое замыкание с сопротивлением <0,1 Ом при 50°C. Температура корпуса ≤170°C.
Цилиндрические ячейки >20 мм на удар, <20 мм на раздавливание.
Заряжайте вдвое большим рекомендованным током в течение 24 часов (для вторичных батарей).
То же, что и T7, принудительный разряд с первичными и вторичными элементами.
Тестовые аккумуляторы должны пройти испытания, не причиняя вреда, но аккумуляторы не обязательно должны функционировать после этого. Испытание проводится исключительно для проверки безопасности, а не для проверки долговечности потребителей. Авторизованной лаборатории требуется 24 образца аккумуляторов, состоящих из 12 новых аккумуляторов и 12 образцов, прошедших 50 циклов эксплуатации. IATA хочет убедиться, что соответствующие аккумуляторы пригодны к полетам и имеют целостность в полевых условиях; 50 циклов эксплуатации, прежде чем испытание удовлетворит это требование.
Высокая стоимость сертификации не позволяет мелким производителям использовать литий-ионные аккумуляторы для небольших объемов производства, и предприниматели могут выбирать никелевые системы. Эти аккумуляторы не требуют тестирования на уровне литиевых аккумуляторов для воздушной транспортировки. Хотя авторитетные компании следуют инструкциям, правила нарушаются, а штрафы являются суровыми.
Простые рекомендации по использованию литий-ионных аккумуляторов
- Будьте осторожны при обращении с литий-ионными аккумуляторами и их тестировании.
- Не допускайте короткого замыкания, перезарядки, раздавливания, падения, повреждения, проникновения посторонних предметов, использования обратной полярности, воздействия высоких температур и разборки аккумуляторов и элементов.
- Используйте только литий-ионные аккумуляторы с предназначенной защитной схемой и одобренным зарядным устройством.
- Прекратите использование аккумулятора и/или зарядного устройства, если температура аккумулятора повышается более чем на 10°C (18°F) во время обычной зарядки.
- Электролит легко воспламеняется, и разрыв батареи может привести к физическим травмам.
* IATA (Международная ассоциация воздушного транспорта) сотрудничает с авиакомпаниями и отраслью воздушного транспорта для содействия безопасным, надежным, защищенным и экономичным авиаперевозкам.
