Выбор батареи для электротранспорта, сборка и эксплуатация.
Ч1.
Ч2.
Все больше батарей появляется на рынке, если раньше на выбор было, можно сказать, всего две батареи, а именно свинцово-кислотные и литий-ионные, то сейчас представлено два десятка химий. И что выбрать - частая проблема.
Сначала поговорим о формате. Есть три основных формата, это 18650, 21700 и "пакет" (плоский батарейный модуль). "Пакеты" бывают разного размера (и, соответственно, разной емкости) и бывают как просто в мягком полимерном корпусе, так и дополнительно в алюминиевом или стальном корпусе. Корпус добавляет жесткости и прочности, и, тем самым, спасает батарею от повреждений, но так же добавляет вес и габариты.
18650 - это универсальный формат. Элементы всегда в жестком металлическом корпусе. Сейчас есть две основные химии, это ICR и INR. INR больше емкости, но при повреждении горят (прям феерверком.
ICR же обладают меньшей емкостью, но способны отдавать больше токи, при повреждении шипят, булькают, дымят, но феерверк не устраивают.
Современные аккумуляторы повредить достаточно сложно, поэтому особо бояться не стоит. Но из за того, что собираются в такие вот батареи:
То в случае возгорания одного, скорей всего выгорят все. Это и дорого и опасно, поэтому для фонариков и дрелей можно использовать INR, а для электротранспорта все же лучше смотреть в сторону ICR.
Формат удобен в первую очередь тем, что элементы маленькие, можно засунуть в любой корпус почти, собираются в домашних условиях при помощи паяльника или маленькой платы с алиэкспресс для точечной сварки при помощи обычного автомобильного аккумулятора и специальных лент, которые продаются там же. Плюс можно организовать отвод тепла при разрядке и зарядке. На этом преимущества заканчиваются, так как удельная емкость не высокая (у самой то химии она одна из самых высоких из существующих, но у всей батареи в целом из за свободного места между круглыми элементами, а так же тяжелого корпуса, она на не доходит до 200ваттчас на килограмм, что равняется другой химии, которую мы рассмотрим далее).
Химия очень не любит большие токи зарядки, а так же зарядку при низких температурах (не отрицательных, а просто низких, 5*С для нее уже плохо), поэтому, учитывая это, использование в электротранспорте с рекуперацией - спорное решение. Так как, например, 2кВт мотор может спокойно дать 20А на заряд, если на 30КмЧ бросить газ. При рекомендованных токах в 0.5C и перевариваемых 1С (2С кратковременно) при условии, что температура батареи в рекомендованном диапазоне и текущий уровень заряда от 20% до 80%, при емкости элемента в районе 3000мАч нужно минимум xxS6P (хх последовательных и 6 параллельных банок) батарею "рекомендованной" температуры, что бы такой рекуперацией не угробить батарею. Учитывая, что за 100 циклов заряд-разряда батарея теряет 20% емкости, с такой рекуперацией она может потерять все 40, и по сути через год прийти в негодность.Так же стоит учитывать, что весь корпус - это минусовой контакт, покрытый защитной оболочкой, в случае повреждения этой самой оболочки все напряжение батареи может попасть на этот самый корпус, и элемент в лучшем случае просто умрет, в худшем - будет пожар. Поэтому так, как на фото, делать нельзя, нужны каждый ряд и столбец прокладывать "крест-накрест" тканевой изолирующей лентой, или собирать в специальных держателях для таких элементов, что бы при повреждении изоляции (а она может просто от времени начать трескаться, а на фото ее еще и склеили, не давая свободно двигаться) не было замыкания на корпус, и батарея не полыхнула.
Компоненты рекомендуется отбирать по сопротивлению и емкости, потому что если в одной параллели один компонент будет отличаться по сопротивлению и емкости, то будет высаживаться первым, умрет первым, как только перестанет держать емкость, остальные компоненты в этой параллели станут его "подзаряжать", теряя свою емкость, из за чего на них ляжет большая нагрузка, и вся параллель умрет. Это переборка, а если она на "термосоплях", то это ох какой гемор. К тому же часто подобрать компоненты, соответствующие сборке по сопротивлению и емкости, не так и просто.
Стоит понимать, что чем больше элементов, тем больше шанс получит бракованный элемент, а один бракованный элемент сильно уменьшает срок службы всей батареи.
Резюмируя: батарея пользуется успехом и популярностью у отечественных "сделайсамов" и полукустарных китайских производителей, так как стоит недорого, обладает достаточной плотностью заряда, и ее просто достать и собрать, обладая минимумом знаний и инструментов.
Аккумуляторы являются идеальными при использовании их как перезаряжаемых батареек в электроприборах (фонарики, шуруповерты, и т.д.) но для транспорта не лучший выбор.
Что касается 21700, то это "лучшая версия" 18650. Больше емкость (удельная тоже), проще сборка из за меньшего количества компонентов для получения той же емкости, химия там та же в основном, но так же уже появляются NMC банки. Горят "плюс-минус" аналогично. Но из за корпуса повредить их сложно опять же, так что так же, как и с 18650, при правильной сборке и эксплуатации бояться возгорание не стоит, но стоит понимать, что если оно произойдет, выгорит весь массив нафиг (а может еще и квартира).
Видео обзор и сравнение 21700:
Вы, скажете, что я написал "банки для сделайсамов и полукустарного производства", тогда зачем же их ставят в свои машины Тесла? Ответа два: во первых, тесла гонится за цифрами, банки дают хорошую удельную емкость, поэтому дают хорошую дальность пробега. Во вторых - когда на рынке еще не было особых альтернатив тесла заключила контракт на их производство и поставку на кучу лет вперед, теперь контракт нужно "ташить".
Собственно выше был "стандарт", далее переходим к альтернативной химии.
LiFePo4. Литий-Железо-Фосфат. Раньше был выбором No1 для людей, кто боится возгорания, или хочет эксплуатировать свой транспорт зимой. Так как вообще не горят (никак не горят, хоть стреляй в них из ружья), и не бояться отрицательных температур (в том числе и для зарядки), но, токи заряда и разряда не большие (на уровне INR). Обладают сравнительно низкой удельной емкостью ( в половину от INR ), поэтому в мелком или переносном транспорте (скейты, моноколеса, самокаты) не используются. Но для велосипедов неплохой выбор. Особенно если не гнаться за дальностью пробега, и хочется использовать велосипед зимой. Есть в формате 18650 (его нет смысла рассматривать, так как из за низкой емкости, нет смысла его использовать) и вот в таком формате:
Этот формат является любимым для "самоделкиных", так как просто собирать (есть специальные "соты", а так же просто прикручивать контакты, на банке есть резьбовые контакты). Но жесткий корпус тут не обязателен, и гораздо профитней собирать из плоских пакетов:
Размер этого пакета 11*82*138 при аналогичной емкости с банкой выше (10Ач), что дает лучшую удельную емкость. Учитывая, что бояться повреждения с дальнейшим возгоранием не нужно. Такой пакет дешевле, легче, компактней. Но собирать сложнее (особенно учитывая, что часто контакты не поддаются пайке, но производитель бывает наваривает на них никелевые пластины, для упрощения этого процесса, на фото как раз такие приварены). Так же химии ниже напряжение, таким образом для получения того же напряжения, например, в 72 вольта, нужно не 20 (как в случае с предыдущей химией) а 24 последовательных элемента той же емкости. А так же другую БМС плату.
Обладает очень большим количеством циклов заряд-разряда, из за чего очень медленно теряет емкость со временем, и скорей батарейка будет выброшена из за того, что надоела, чем из за того, что потеряет свою емкость.
Резюмируя. Если собираетесь сделать велосипед, дальность пробега на одном заряде не главное, и собираетесь ездить на нем зимой или почти зимой, то можно посмотреть в сторону этой химии. Но опять же, не любит высокий ток зарядки, а значит нужно быть поосторожней с рекуперацией.
Это было две основные химии, которая сейчас применяется в самодельном или кустарно сделанном электротранспорте.
Теперь переходим к интересному.
Li-NMC - сравнительно новая современная химия, которая вытесняет "литий-ион" из первого пункта. Дает хорошие токи разряда (причем не только кратковременные, но и долговременные, 5C на разряд дает без проблем), обладает высокой удельной емкостью, очень низким внутренним сопротивлением, что дает возможность работать долго на высоких токах и не перегреваться, но при этом обладает все так же низкими токами заряда, не очень работает при низких и отрицательных температурах (во всяком случае нельзя заряжать), так же, как и предыдущие, дружит с рекуперацией. Отличное решение для техники, где нужен малый вес, большая емкость, большие токи заряда. Например, как элемент питания для квадрокоптера.
Выпускается во всех форматах, 18650, 21700, и "пакет" (так же другие, такие, как 32650 и т.д.). Горит (не так, как INR, феерверком с искрами, а просто огнем "из дырки"), хотя некоторые утверждают, что не горит, и есть противоречивые видео на ютубе, где у одних горит, у других не горит, но все же больше горит, чем нет. Поэтому стоит выбирать в корпусе (хотя варианты "пакет" очень привлекательные, есть крутейшие пакеты на 30Ач и 60Ач, но на ваш страх и риск, при небольшом повреждении или "замятии", как я понял, не воспламеняется, но если пробить дыру - будет факел). По количеству циклов заряд-разряда чуть лучше лития из первого пункта (обещают до 1000, но с оговорками по температуре, токам заряда, остаточной емкости и все такое, поэтому верить не стоит, фактически где то в пределах 400 без видимой потери емкости).
Напряжение "стандартное" (2.7-4.2), поэтому подходят обычные БМСки.
Резюмируя - Li-NMC современная хорошая химия в качестве альтернативы INR и ICR, обладает все теми же преимуществами и недостатками, но "чуть лучше".
Литий-титанат (LTO).
Это магическая химия, которая в воде не горит, в огне не тонет, пробитый насквозь пакет (с торчащим из него гвоздем) плавит гвоздь на коротком замыкании между контактами, заряжается на 90% за 15 минут, разряжается и держит ток разряда я уже написал как (хватает тока, что бы плавить гвозди). Батарее почти пофиг на отрицательные температуры (во всяком случае можно заряжать при -5*С без проблем. Выдерживает до 10000 циклов заряд разряда (как и в случае с LiFePo4, скорей выбросите из за того, что надоело, чем из за того, что потеряло емкость), из за токов заряда переваривает любую рекуперацию без проблем. Вообщем магия, вротмненоги. Если бы не одно НО. Низкая удельная емкость. Даже ниже, чем у LiFePo4. Вернее удельная емкость в амперчасах примерно такая же, но из за низких напряжений, емкость в ваттчасах всей батареи получается ниже. Плюс, из за низкого напряжения одного элемента (2.2В), нужно сильно больше элементов для достижения нужного напряжения, специальные (а от того и более дорогие) БМС платы и все такое. Плюс заряжать за 20 минут от обычной розетки у вас скорей всего не получится, по той причине, что просто не хватит мощности линии. Нужно либо сразу заряжаться от вводного мощного кабеля (если это велосипед какой, для мотоцикла и такого кабеля не хватит), либо же бросать себе трехфазную 380В линию.
Поэтому в персональном транспорте используется энтузиастами, которые понимают что и зачем они делают. А вот в неперсональном нашли широкое применение. Известный "электробус" как раз использует такую химию. Формат доступный разный, но учитывая, что не горит, лучше использовать мягкие пакеты. Стоит так же сказать, что можно использовать как аккумулятор в автомобиль, шесть "блинчиков" как из видео могут запустить машину (хотя и не понятно, зачем это надо, но вдруг кому то хочется). Вот, собственно, видео демонстрация безопасности и могучести:
И наконец, самое "вкусное" напоследок. MpCO (3е) и HpCO (4ое) (химия разная, но похожая).
Следующее поколения от той же компании (Microvast), что и предыдущая химия (LTO, 2ое поколение). Учитывая, что только в 17ом году появилась MpCO, то ждать массового появления на рынке не приходится.
Тестов еще нет, информации мало, хрен найдешь (особенно HpCo), все, что есть в продаже, это "раздербаненные" батареи автомобилей. Формфактор только "плоский", и только в двух размерах. Поэтому вся информация далее - официальная (от производителя) или "ламерская" (слухи, требует подтверждения).
Обладает так же внушительными токами заряда и разряда (ниже, чем у LTO, но сильно выше, чем у любой химии, что рассмотрена выше), токи заряда до 3C (номинал), это значит что зарядить на 90% можно за 20 минут, с 5С (пик), никакая рекуперация не страшна, токи разряда 5C (номинал), из за чего не боится рекуперации, HpCO по удельной емкости почти на уровне Li-NMC, MpCO на 10% ниже, чем HpCO. Что сильно превосходит по удельной емкости LTO и LiFePo4. Не боится низких и слабо отрицательных температур (зарядка до -5*С, разряд до -20*С, из за чего не боится рекуперации при низких температурах), низкое внутреннее сопротивление, что значит что не будет греться при заряде и разряде, большое количество циклов заряда и разряда (более 1000 точно, а там нужно тестировать, мало данных, производитель заявляет 5-6К циклов со звездочкой, но верить ему мы конечно же не будем, а то знаем мы эти все звездочки). "стандартное" напряжение, а значит подойдет дефолтная и распространенная БМС плата. Безопасно (по заявлениям производителя, учитывая, что LTO тоже они сделали, и заявляют для них то же самое, можно предположить, что как LTO или на крайний случай шипит, но скорей всего не горит). Недешево (так как сложно найти, и все элементы с разборки, то стоят они не дешево, но и не дорого, если сравнивать с батареями из брендовых 18650 или 21700), примерно по стоимости как батарея из топовых брендовых 21700 при аналогичной емкости. Опять же сложности сборки в том, что контакты не припаиваются (один алюминиевый, второй медный, а учитывая, что для последовательного соединения нужно соединять алюминиевый с медным, тут даже сварить точечной сваркой не вариант, поэтому варят ультразвуком, или скручивают болтами, делая дырки, а учитывая, что через соединение проходит высокий ток, то вариант не для рукожопов, и это еще хорошо, если контакты не будут обрезаны почти под корень, что бы их можно было хотя бы скрутить, а то часто при разборке контакты тупо отрезают, и нужно к ним вариться сразу, а уже потом скручивать).
Так же есть еще спорный момент, требующий тестов. Производитель указывает ток зарядки минимум 0.05C, это 1А для 30Ач пакета. А токи балансировки стандартных БМСок в районе 30-50мА, отсюда непонятно, будет ли вообще происходить балансировка при таких токах балансировки и зарядки, или нужно брать мощные и громоздкие БМСки.
Резюмируя. Данных пока мало, поэтому делать какие то окончательные выводы рано. Но если все так, как описывает производитель и дистрибюторы "дербана", то за этой химией будущее для персонального электротранспорта всех мастей.
Я думаю для своего проекта (о котором я писал в первом посте, я делаю моноколесо под серийное производство) предусмотреть возможность установки двух вариантов батарей, из 21700 (NMC) и из MpCO/HpCO блинов. По крайней мере версию "для себя" я сделаю с MpCO как минимум. Конечно такой вариант будет дороже.