Тяговые литиевые аккумуляторы

Литий-ионные аккумуляторы имеют чрезвычайно высокую скорость приема заряда, выдерживают большое количество циклов и длительное время работают в режиме частичного зарядки. Однако потенциал самоуничтожения у них также гораздо выше, чем у свинцово-кислотных аккумуляторов.

 Безопасность

Существует много способов производства литий-ионных аккумуляторов. Постоянно появляются новые материалы и химические составы для катодов, анодов и активного материала. Однако все существующие в настоящее время технологии используют легко воспламеняющийся органический электролит на основе углеводородов.

Характер электрохимических процессов в отдельных элементах литиевого аккумулятора таков, что в определенных условиях в ячейке возникает само поддерживающаяся реакция, ведущая к неконтролируемому термическому разгону. В результате температура повышается и происходит самовозгорание. Если загоревшуюся ячейку не потушить, огонь распространится на соседние элементы и вспыхнет уже весь аккумулятор

В свинцово-кислотных батареях термический разгон возникает только в результате перезарядки и прекращается после отключения источника зарядки. В литиево-ионных неконтролируемое увеличение температуры это само поддерживающийся процесс, который возникает из-за перезарядки, глубокого разряда, короткого замыкания в ячейке или нагрева аккумулятора.

Другое отличие между двумя типами аккумуляторов – свойства электролита. В свинцово-кислотных батареях используется негорючий электролит на водной основе, а в литий-ионных он легко воспламеняется.

Ключевое различие между различными типами литиево-ионных аккумуляторов — температура, при которой ячейки попадают в состояние термического разгона, скорость, с которой они продолжают нагреваться и максимально достижимая ячейкой температура. Для литиевых аккумуляторов важно знать произойдет ли воспламенение ячейки, если ее температура возрастет и распространится ли огонь на весь аккумулятор.

Очевидно, что больше всего вероятность возгорания у аккумуляторов с высокой плотностью энергии. Поэтому из-за соображений безопасности на судах используют устойчивые к внешнему воздействию LiFePO4 аккумуляторы, ячейки которых не боятся перезарядки, короткого замыкания и не воспламеняются. Несмотря на то, что в определенных условиях температура LiFePO4 аккумулятора может неконтролируемо возрастать, из-за чего содержимое ячеек увеличивается в объеме и иногда разрывает корпус, самопроизвольно такие аккумуляторы не загораются. Однако горючий электролит вспыхивает, если на него попадает искра.

Управление аккумулятором и балансировка ячеек

При перезарядке литиево-ионный аккумулятор попадает в экзотермическое состояние.  Его температура быстро возрастает и достигает опасного уровня. Регулярная перезарядка изменяет структуру ячейки и вызывает самонагрев уже и при последующей нормальной зарядке. При глубоких разрядах ячейка меняет полярность и также самопроизвольно нагревается.

Для предотвращения перезарядки и глубокого разряда состояние ячеек в литий-ионных аккумуляторов выравнивают с помощью встроенной системы управления (BMS). Балансировка ячеек может быть активной или пассивной. В первом случае зарядный ток отбирается из более заряженных ячеек в ячейки с низким зарядом до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие. При пассивной балансировке зарядный ток более заряженных ячеек рассеивается через резистор.

Частичный разряд

В литиево-ионных аккумуляторах напряжение ячеек остается почти постоянными до тех пор, пока разряд или зарядка полностью не завершатся. Из-за этого разница напряжений между самой заряженной и разряженной ячейками часто незначительны, хотя их реальное состоянии сильно отличается. Если аккумулятор в течение длительного периода времени эксплуатируется в состоянии частичной зарядки, ячейки разбалансируются все больше и больше, но многие системы балансировки не обнаружат этого, поскольку реагируют на разность напряжений.

В разбалансированном аккумуляторе более заряженные ячейки приблизятся к верхнему порогу напряжения тогда, когда ток еще относительно высок.

Напряжение на полностью заряженной ячейке быстро поднимется до опасного уровня, цепь балансировки сработает, но балансировочные токи окажутся больше расчётных, и схема балансировки может сгореть. Чтобы защитить аккумулятор BMS отключит его от нагрузки, но если в это время к батарее подключены работающие зарядные устройства, всплеск напряжения может вывести из строя их диоды или повредить бортовое оборудование.

При глубоком разряде разбалансированного аккумулятора одна ячейка разрядится сильнее остальных и станет небезопасной. Чтобы не допустить этого многие системы контроля литиевых аккумуляторов периодически проводят «кондиционирование», которое напоминает выравнивание аккумуляторов с жидким электролитом. В этом режиме аккумуляторы заряжаются малым током в течении нескольких часов, а если ячейки разбалансированы сильно, то процесс растягивается на несколько суток.

Независимо от способа балансировки, наилучшей является BMS, которая обеспечивает балансировку ячеек в состоянии частичного разряда без дополнительного кондиционирования аккумулятора.

Способы подключения

Электрическая система в которой пусковой и «домашний» аккумуляторы отделены друг от друга оптимальна для свинцово-кислотных аккумуляторов. Такая компоновка концентрирует энергию в одной группе аккумуляторов, увеличивает скорость приема заряда и продлевает срок службы батарей.

В отличии от свинцово-кислотных у литиево-ионных аккумуляторов напряжение во время разряда поддерживается постоянным, а скорость приема заряда и количество рабочих циклов велики. Для этих аккумуляторов важнее не допустить ущерба из-за глубокого разряда или перезаряда одной или нескольких ячеек.

За состоянием ячеек следят устройства балансировки, которые при возникновении проблем отключают аккумулятор от бортовой сети. Однако мгновенное обесточивание может нанести ущерб электронному оборудованию и устройствам зарядки и привести к полному отключению энергии на лодке.

Если основная аккумуляторная батарея состоит из двух частей, связанных между собой реле и при отключении одного аккумулятора второй подключается автоматически, электросистема всегда будет иметь действующий источник энергии. Другой способ повысить надежность– подключить нагрузку и устройства зарядки одновременно к двум аккумуляторным батареям, но разделить их изолирующими реле.

Хранение литий –ионных аккумуляторов

Как и свинцово-кислотные литий-ионные аккумуляторы лучше всего хранить в прохладном месте. Высокая окружающая температура снижает срок службы аккумуляторов, независимо от того, используются они или нет. В отличие от свинцово-кислотных продолжительность жизни литий-ионных батарей возрастает, если их хранят в частично разряженном состоянии.

Во время хранения литий-ионных аккумуляторов важно не допускать паразитных нагрузок, которые могут разрядить ячейки.

На современных лодках небольшие нагрузки, например, от устройств мониторинга и контроля, присутствуют даже если главный переключатель выключен, поэтому если одна из ячеек разрядится во время хранения, весь аккумулятор станет небезопасным при последующей зарядке.