skip to content
Skesov.pro

Какие аккумуляторы использовать в электровелосипеде? (Плюсы и минусы)

/ 7 min read

Table of Contents

Добрый день. Решил не засорять свой основной сайт подобной тематикой, поэтому выделил 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 подобного проекта выходит немалым, а в приоритете у меня погашение ипотеки. Но посмотрим, может, как-нибудь выкрутиться получится. Итак, аккумуляторы. Эта статья больше нужна мне самому: информации очень много, а систематизированной практически нет, поэтому, пока буду писать, заодно разберусь. Конечно же, здесь указаны далеко не все виды аккумуляторов — только те, которые могут быть использованы при постройке электровелосипеда. Да и дополняться она, скорее всего, ещё будет.

Свинцово-кислотные аккумуляторы

Изобретены ещё в 1859–1860 гг. и с небольшими изменениями используются по сегодняшний день. Данный тип аккумуляторов видели почти все, так как именно они применяются в авто- и мототранспорте. Имеют следующие характеристики:

  • Удельная энергоёмкость (Вт·ч/кг): 30–60.
  • Теоретическая удельная энергетическая плотность (Вт·ч/дм³): 1250.
  • ЭДС заряженного аккумулятора = 2,11–2,17 В, рабочее напряжение 2 В (3 или 6 секций в итоге дают стандартные 6 В или 12 В соответственно).
  • Напряжение полностью разряженного аккумулятора = 1,75–1,8 В (из расчёта на 1 элемент). Ниже разряжать их нельзя.
  • Рабочая температура: от −40 °C до +40 °C.
  • КПД: порядка 80–90 %.

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

AGM — являются самыми дешёвыми в классе свинцово-кислотных аккумуляторов (за исключением автомобильных, конечно). Основное отличие в том, что между свинцовыми пластинами проложена обыкновенная стеклоткань, в которой электролит находится в связанном состоянии. Данная технология позволяет использовать аккумулятор практически в любом положении, например на боку или под углом. Жизненный цикл типичной батареи, выполненной по этой технологии, составляет 200–800 циклов.

GEL (гель, не гелий) — здесь основное отличие в том, что пространство между пластинами заполнено специальным составом на основе силикагеля. После застывания он превращается в твёрдое пористое вещество, в котором и содержится электролит. Благодаря гелю пластины надёжно зафиксированы, что уменьшает вероятность их осыпания или деформации, вследствие чего преждевременный выход из строя практически исключён. Жизненный цикл такой батареи составляет 350–1200 циклов.

Плюсы батарей AGM и GEL:

  • стоимость: гораздо дешевле литиевых аккумуляторов (GEL стоят дороже, чем AGM);
  • безопасность (относительно Li-Pol и Li-Ion): физическое повреждение батареи не приведёт к её возгоранию;
  • увеличенный срок службы в условиях повышенной вибрации;
  • неплохой жизненный цикл у GEL.

Недостатки:

  • большой вес;
  • малый жизненный цикл у батарей AGM;
  • оксид свинца, содержащийся во всех свинцово-кислотных аккумуляторах, является токсичным веществом и опасен для окружающей среды;
  • высокая чувствительность к перезаряду;
  • нельзя хранить в разряженном состоянии.

Никелевые аккумуляторы (Ni-Cd, Ni-MH)

Ni-Cd (никель-кадмиевые) разработаны ещё в далёком 1899 году, но долгое время были слишком дорогими и недолговечными. Тем не менее на протяжении почти пятидесяти лет технология совершенствовалась, и к 1947 году появился современный вариант в герметичном исполнении со спрессованным анодом. Этот тип можно встретить во многих аккумуляторах для шуруповёртов, так как там необходим большой ток разряда, который Ni-Cd обеспечивает в широком диапазоне температур. Однако их повсеместное использование прекращается из-за токсичности кадмия.

Технические характеристики Ni-Cd 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 ток разряда = 10С.
  • Срок службы: около 100–900 циклов заряда/разряда.
  • Саморазряд: 10% в месяц.
  • Рабочая температура: −50…+40 °C.

Плюсы:

  • большой ток разряда и заряда;
  • хороший срок службы при соблюдении правил эксплуатации;
  • возможность работы при очень низких температурах;
  • низкая стоимость.

Минусы:

  • относительно низкая энергоёмкость (хоть и выше, чем у свинцово-кислотных);
  • ярко выраженный «эффект памяти» и необходимость его устранения;
  • высокий саморазряд;
  • токсичность.

Никель-металл-гидридный аккумулятор (Ni-MH) — это попытка преодолеть недостатки Ni-Cd. Разработка началась в 1970-х годах, но коммерческий успех пришёл только в 1980-х. Технология постоянно совершенствовалась, в основном для увеличения ёмкости при сохранении размеров.

Технические характеристики Ni-MH:

  • Удельная энергоёмкость: около 60–80 Вт·ч/кг.
  • Удельная энергоплотность: около 150–200 Вт·ч/дм³.
  • ЭДС: 1,25 В.
  • Рабочая температура: −10…+55 °C.
  • Нормальный ток зарядки = 0,1…0,3C.
  • Максимальный ток разряда = 4С.
  • Саморазряд: 15–20% в месяц.
  • Срок службы: около 300–500 циклов.

Ni-MH аккумуляторы имеют на 20% большую ёмкость при тех же габаритах, но их срок службы почти в два раза меньше, а саморазряд выше, чем у Ni-Cd. Зато они экологически безопасны. Приятная особенность Ni-MH — практически удалось избавиться от «эффекта памяти». Их можно подзаряжать, если они не лежали полуразряженными пару недель. В то время как Ni-Cd необходимо разряжать полностью (привет всем любителям ставить шуруповёрт на зарядку в любой непонятной ситуации).

Плюсы:

  • неплохая энергоёмкость;
  • минимальный эффект памяти;
  • экологическая безопасность.

Минусы:

  • меньший срок службы, чем у Ni-Cd;
  • узкий температурный диапазон;
  • необходимость контроля температуры при зарядке;
  • очень большой саморазряд.

Литиевые аккумуляторы (Li-Ion, Li-Pol, LiFePO4)

Переходим к самым интересным типам аккумуляторов для электротранспорта.

Li-Ion (литий-ионный) или LiNiCo (литий-кобальтовые) — самый распространённый тип на сегодня. В телефоне, планшете, ноутбуке или Tesla с вероятностью 90% стоит именно Li-Ion. Они лишены большинства недостатков никелевых батарей. Однако многие Li-Ion не могут выдавать большие токи разряда, что критично для электроинструмента. Ещё один минус — падение мощности до 40% уже при 0 °C. Li-Ion не любит морозы. Тем не менее это основной тип для электротранспорта (в Tesla батарея состоит из тысяч ячеек формата 18650).

Характеристики:

  • Напряжение элемента: номинальное 3,6–3,7 В, максимальное 4,2 В (или 4,35–4,4 В для высоковольтных версий), минимальное 2,5–3,0 В.
  • Удельная энергоёмкость: 110…243 Вт·ч/кг.
  • Число циклов до потери 20% ёмкости: около 600.
  • Саморазряд: ~3% в месяц.
  • Ток разряда: 1…2С (для обычных ячеек).
  • Рабочая температура: от −20 °C до +60 °C (оптимально +20 °C).

Плюсы:

  • высокая энергоёмкость;
  • практически нет эффекта памяти;
  • хороший срок службы при соблюдении температурного режима;
  • малый саморазряд.

Минусы:

  • строгие ограничения по напряжению: при перезаряде возможно воспламенение, при глубоком разряде аккумулятор умирает;
  • чувствительность к холоду (требуется подогрев);
  • необходимость использования платы балансировки (BMS);
  • старение: потеря ёмкости со временем (около 20% за 2 года).

Li-Pol (литий-полимерный) — следующий этап эволюции Li-Ion. Вместо жидкого электролита используются полимерные материалы (сухие, гелевые или пористые матрицы). Самыми безопасными считаются гелево-полимерные. Для транспорта это важно, так как никто не хочет «огонька» под сиденьем после прыжка с бордюра.

Плюсы:

  • высокая энергоёмкость (даже выше, чем у Li-Ion);
  • разнообразие форм (плоские пакеты любой формы, толщина от 1 мм);
  • низкий саморазряд и отсутствие эффекта памяти;
  • чуть более широкий температурный диапазон.

Минусы:

  • опасность при перегреве, перезаряде или повреждении (возможен взрыв или возгорание);
  • нельзя разряжать ниже 3 В;
  • требуют качественного зарядного устройства и BMS;
  • дороже, чем Li-Ion, и так же подвержены старению.

LiFePO4 (литий-железо-фосфатный) — очень перспективный тип, активно развивающийся с 2000-х годов. На мой взгляд, это лучший выбор для электровелосипедов. У него чуть меньше энергоёмкость (на 10–15%), но срок службы составляет от 2000 до 7000 циклов. Это делает его почти вечным. Кроме того, он химически и термически стабилен: при повреждении он не взорвётся.

Характеристики LiFePO4:

  • Удельная энергоёмкость: 90–140 Вт·ч/кг.
  • Срок службы: 2000–7000 циклов.
  • Срок хранения: до 15 лет.
  • Ток разряда: до 10С (и выше для специальных серий).
  • Рабочая температура: от −30 °C до +55 °C.
  • Напряжение: номинал 3,2–3,3 В, максимум 3,65 В, минимум 2,0 В.

Плюсы:

  • безопасность использования;
  • огромный срок службы (хватит на 15–20 лет);
  • стабильное напряжение разряда (около 3,2 В);
  • экологичность и морозостойкость (работает до −30 °C).

Минусы:

  • меньшая энергоёмкость и плотность энергии по сравнению с Li-Ion (нужен короб большего размера);
  • также требуется BMS-плата.

LiMn2O4 (литий-марганцевый) встречается реже. Использование марганца позволило добиться больших токов разряда (до 5С). Это позволяет использовать их в мощных фонарях или заменять ими Ni-Cd в инструменте. Но у них меньше ёмкость и они ещё хуже переносят холод (не рекомендуется использовать ниже −10 °C).

Плюсы:

  • высокие токи разряда;
  • безопаснее при физических повреждениях.

Минусы:

  • боятся холода;
  • ёмкость ниже, чем у Li-Ion;
  • всё ещё могут воспламениться.

Сравнение аккумуляторов — таблица

Итак, мы перечислили самые популярные типы. Теперь перейдём к сравнению. Все расчёты проведены для вымышленной батареи 74 В 32 А·ч. Я подготовил Google-таблицу, которую смогу обновлять в будущем.

Как видно из таблицы, самыми выгодными по соотношению цена/ёмкость и цена/вес являются Li-Ion 18650. Именно поэтому они чаще всего встречаются в самодельных и коммерческих сборках. Далее идут Li-Pol и LiFePO4.

Выводы

По итогам сравнения у нас три лидера, но со своими нюансами:

  1. Li-Ion: боится холода, может загореться при перезаряде, ресурс ~600 циклов.
  2. Li-Pol: может взорваться при повреждении или перезаряде, ресурс ~600 циклов.
  3. LiFePO4: тяжелее, но безопасен, стабилен и служит до 8000 циклов.

Я живу в Краснодаре. Летом у нас бывает +40 °C и выше, зимой — около нуля с редкими заморозками до −20 °C. Летом Li-Pol и Li-Ion использовать просто опасно, а зимой они сильно теряют в ёмкости. Главное — срок службы. Купив LiFePO4, вы забудете о замене батарей на 10–15 лет, тогда как Li-Ion проживёт в разы меньше.

Мой личный рейтинг:

  1. Литий-железо-фосфатные (LiFePO4).
  2. Литий-ионные (Li-Ion).
  3. Литий-полимерные (Li-Pol).

Для себя я выбрал призматические элементы LiFePO4. Они выходят ненамного дороже Li-Ion, зато надёжнее и долговечнее. Можно взять элементы в алюминиевом защитном корпусе или пакеты, поместив их в термоусадку с антивибрационной защитой.

Это мой вывод для южных условий. Жителям средней полосы вполне подойдут Li-Ion: там не так жарко летом, а зимой на велосипеде всё равно много не накатаешь. К тому же 100 элементов 18650 из Китая можно заказать примерно за 20 000 руб.

Надеюсь, статья была полезной. Делитесь ею с друзьями и подписывайтесь на обновления в группе «ВКонтакте» или на YouTube-канале.

Спасибо за внимание! :)