Акб литий титанат для автомобиля
Электробусы и их батареи: что такое литий-титанат? (Part.1)
фото c сайта www.zr.ru
Друзья здравствуйте, всем здоровья, берегите себя, антисептики — наше ВСЁ!
Сегодня попробуем рассмотреть московские электробусы по мотивам статьи в журнале «За рулем» в части используемых литий-титанатных батарей (Li4Ti5O12 или LTO), их стоимости и перспектив эксплуатации, также попробуем разобраться, почему литий-титанат не подходит для промышленных решений в ИБП.
После нашей статьи «Li-Ion технологии: удельная стоимость снижается быстрее прогнозов» вызвал интерес литий-титанат как «не автомобильный» литий. На мой взгляд LTO как раз и является самым что ни на есть тяговыми батареями, которые совершенно не подходят для работы в качестве аккумуляторных батарей в ИБП и телекоме. Почему? Давайте разберемся под катом, структуру статьи условно разделим на три части:
Что такое электробус и почему LTO?
Для начала разберемся в статье и «выудим» нужные нам данные
Но в мире нет пока семилетних электробусов, чтобы опереться на практический опыт, а потому приходится верить расчетам на бумаге. В частности, никто не берется предсказать, как просядет емкость с годами и сколько раз за день придется подключать к сети уже не новую машину.
Таким образом на основе статьи имеем:
… на этом пока все, продолжение следует.
UPD: С чего начнём следующую — химическую — часть:
Замена аккумулятора на титанат лития.
Перемычки между банками сделал из алюминиевой шины шириной 20 мм, толщина вроде 3.
Плюсовую и минусовую клеммы выточил на токарном станке из обычной сталюки.
С целью подключения балансира и контроля напряжения к каждому выводу каждой банки было
было подключено по два провода 0,75 кв.мм. Наверное много, имело смысл сделать из витой пары.
Это жгут проводов справа от батареи, которые видно на предыдущих фото.
Для контроля напряжения каждой банки отдельно, собрал схему на ардуино + дисплей + внешние АЦП.
Внешние АЦП задействовал, поскольку АЦП ардуино 10-разрядное, но из-за шумов нужно отбросить
2 младших бита. Итого получается 2^8=256 отсчетов на диапазон 0-5 В, точность 20 мВ.
Поставил 3 16-разрядных АЦП ads1115, подключил в режиме дифференциального измерения —
на каждую батарею по 2 входа АЦП. Это позволяет использовать все 16 разрядов АЦП.
Получил 65535 отсчета на диапазон 0 — 5 вольт. Точность 0,07 мВ.
Такая точность, конечно, не нужна, но это лучше чем 20 мВ.
Входы и питание внешних АЦП защитил супрессорами на 4,5 В. Напряжение питания поставил 4 В.
Для балансировки ячеек внутри батареи уважаемым Владимиром из Новосибирска был разработан балансир.
Я его спаял по предложенной на сайте схеме, однако где-то нахомутал с смд-компонентами.
Кроме того, Владимир прислал мне плату балансира для пайки смд, однако никак не дойдут руки 🙁
Установил аккумулятор почти 6000 км назад. Схему контроля поставил только сегодня,
периодически контролируя напряжение элементов врукопашную.
За это время успел два раза высадить аккумулятор до 7 вольт, и один раз зарядить зарядкой для
свинцовых аккумуляторов типа «кипятильник» до 19 вольт — перед подключением в автомобиль разряжал лампами ближнего света 🙂
После всего этого издевательства разбег между банками всего 40 мВ.
Поставил контролер, понаблюдаю что будет дальше.
А теперь почему пришлось так издеваться.
У этих батарей есть плюсы и минусы, о которых нужно знать.
«+»
Хорошо работают в широком диапазоне температур.
Большое количество циклов заряд-разряд
Цена как за обычный хороший аккумулятор
«-«
Необходим тщательный отбор ячеек в батарею. Я купил 7, и мне повезло,
так как с сравнительно большим саморазрядом была только одна.
Необходим хороший генератор, не дышащий на ладан. Если есть какие-то проблемы в нем
или в проводке от него к аккумулятору — 100% выйдет из строя.
На форуме рекомендуют заменить провод от генератора к аккумулятору на меньшего сечения,
или удлинить его, чего я не сделал.
Зарядка у меня периодически пропадала и на свинцовом аккумуляторе, но на секунды,
и сама восстанавливалась. А я не придавал этому значения.
В результате, после установки нового аккумулятора, у меня полетел генератор.
Теперь, наверное, заменю проводку до генератора.
LTO аккумулятор вместо штатного
Статья обновлена: 2020-12-17
Литий-титанатные «банки» – это относительно новый подвид Li-ion элементов питания, анод которых производится из титаната лития (Li4Ti5O12). Этот материал имеет нанокристаллическую структуру и увеличивает эффективную площадь поверхности анода до 100 м 2 /г, в то время как у углеродных анодов этот параметр равен 3 м 2 /г. Применение литий-титаната увеличивает удельную емкость аккумуляторов на 60%,обеспечивает стабильность поверхности, отличную проводимость и высокую плотность тока.
Литий-титанатные аккумуляторы быстро заряжаются, имеют огромный циклический ресурс (порядка 20 000 циклов), малое внутреннее сопротивление и широкий диапазон рабочих температур. У них малый саморазряд, высокий уровень взрыво- и пожаробезопасности. Все эти качества обеспечивают LTO аккумуляторам растущую популярность и интерес покупателей. Сфера их применения постепенно расширяется, и все чаще LTO батареи используются в бытовой технике, персональном электротранспорте и различных энергосистемах.
Характеристики LTO аккумуляторов
Планируя использовать литий-титанат вместо штатной АКБ, примите во внимание отличия в характеристиках:
2,3 В (бывает от 2 до 2,4 В)
Максимальное напряжение (в заряженном состоянии)
4,2 В, у высоковольтных моделей – до 4,4 В
Минимальное напряжение (в разряженном состоянии)
2,5 В, у высоковольтных моделей – до 3 В
Более 20 000 циклов
Длительность быстрой подзарядки
Допустимые токи разряда относительно емкости С
до 10С, кратковременно – до 30С
Оптимальный – до 1С;
импульсный – до 50С.
Диапазон рабочих температур
От −20 до +50 C при зарядке,
от −40 до +60 C при разрядке.
От −20 до +60 C (оптимально +23 C). Зарядка – только при плюсовых температурах.
От −30 до +55 C. Зарядка – только при плюсовых температурах.
Пожаро- и взрывобезопасность
Сравнение характеристик
По допустимым токовым нагрузкам и стабильности работы в проблематичных метеоусловиях LTO аккумуляторы сопоставимы с литий-железо-фосфатными элементами и выигрывают у остальных Li-ion моделей. По циклическому ресурсу, скорости зарядки и температурному диапазону литий-титанат значительно превосходит конкурентов. Он даже допускает возможность подзарядки на морозе, что недопустимо для остальных Li-ion элементов.
С другой стороны, литий-титанат уступает остальным литий-ионным аккумуляторам по рабочему напряжению и удельной энергоемкости. Поэтому для сборки аккумуляторной батареи с идентичными значениями вольтажа и емкости LTO элементов потребуется больше (по объему и весу), чем LiFePO4 или Li-ion других типов.
Использование LTO аккумуляторов вместо штатных
Литий-титанатные АКБ можно использовать вместо штатных батарей в различных сферах, особенно – когда к источникам питания выдвигаются строгие требования по надежности и безопасности. В частности, LTO батареи используются для хранения, накопления и отдачи энергии, обеспечивая питание:
При сборке батареи используется схема, соответствующая необходимым значениям напряжения и емкости. Для суммирования напряжения аккумуляторы соединяются последовательно. Так, для получения вольтажа 24 В нужно последовательно соединить 10 LTO аккумуляторов номинальным напряжением 2,4 В (схема сборки 10S), для получения АКБ на 36 В – 15 таких элементов (схема 15S), для получения батареи на 48 В – 20 аккумуляторов (схема 20S).
Резюме
Литий-титанатные АКБ способны стать выгодной заменой штатных батарей во многих сферах. Но из-за низкого рабочего напряжения и меньшей удельной энергии (по сравнению с обычными Li-ion элементами) они не подходят для вариантов использования, в которых на первый план выходит снижение объема и массы элементов питания. В частности, литий-титанат проблематично использовать для оснащения электротехники, ноутбуков и смартфонов.
В предыдущей статье нашего блога рассмотрены возможные причины, почему не заряжается литий-ионный аккумулятор.
АКБ LTO
Литий-титановые (ионные) аккумуляторы LTO
Литий-титановые АКБ — это вариант литий-ионных аккумуляторов, использующих в качестве анода пентатитанат лития. Элемент имеет нанокристаллическое строение, что втрое увеличивает площадь его рабочей поверхности в сравнении с углеродными решениями.
Применение титансодержащих компонентов положительно сказывается на емкости батареи, скорости ее заряда и количестве рабочих циклов. Продукция серии li-ион может эксплуатироваться в сложных климатических зонах, сохраняя характеристики при перепадах температур.
Ключевые особенности литий-ионных аккумуляторов LTO
Титанатные LTO-аккумуляторы широко используются в бытовой технике, ориентированной на частую зарядку. Они устанавливаются в смартфоны, пылесосы, источники бесперебойного питания. Литий-ионные аккумуляторы значительной емкости можно встретить в транспортных средствах, предназначенных для частного и коммерческого использования.
Прогрессивные системы энергоснабжения также оснащаются аккумуляторами LTO ввиду надежности и практичности таких источников питания.
Титановые батареи обладают множеством достоинств.
Причиной перечисленных качеств является применение оксида титана лития. Материал наносится слоем в 15 нм, после чего подвергается высокотемпературной обработке. В результате образуется уникальная структура, напоминающая полые ленты. Сформировавшиеся поры быстро заполняются электролитом, гарантируют оперативную транспортировку Li+.
Литий-ионные аккумуляторы титанового типа (LTO) являются прогрессивными батареями с широкими возможностями совершенствования.
Единственный недостаток АКБ на основе титановых компонентов — низкое рабочее напряжение, провоцирующее уменьшение удельной энергии. В остальном аккумуляторы являются оптимальным выбором для мобильного и промышленного оборудования всех типов.
Как приобрести литий-ионные аккумуляторы LTO надлежащего качества?
Купить аккумуляторные батареи по привлекательной цене поможет магазин TITANAT.RU. Предлагается сертифицированная продукция, востребованная при решении широкого спектра задач. Изделия соответствуют отраслевым нормативам, требованиям отечественных и международных стандартов. Товар отгружается со склада в Москве, доступен в любых количествах.
Подобрать подходящие АКБ помогут штатные консультанты. Они расскажут об особенностях доставки, стоимости и характеристиках изделий.
Для оформления заказа воспользуйтесь функционалом сайта, телефоном или e-mail.
Литий-титанатные аккумуляторы – современно, удобно и долговечно
Литий-титанатные аккумуляторы – это разновидность привычных всем литий-ионных батарей. Выделяются в отдельную группу они потому, что их положительный электрод, анод, выполняется из специального сплава, титаната лития (Li4Ti5O12). Материал имеет некристаллическую структуру, увеличивающую поверхность соприкосновения с электролитом: один грамм имеет площадь 1002 метров, что выгодно отличает его от углерода с 32 метрами. Новое вещество обеспечивает высокую плотность тока. Это важнейший параметр для источника питания.
Плюсы и минусы
Причиной поиска новых путей развития технологии стало несовершенство имевшихся свинцовых, литий-железо-фосфатных и литий-ионных батарей. Они недостаточно безопасны, недолговечны и способны полноценно работать в узком диапазоне температур.
Проводились исследования соединений лития и титана. Как наиболее перспективное вещество был выделен титанат.
Характеристики соответствующих аккумуляторов очень высоки. Так, количество циклов зарядки-разрядки превышает 10 000. Емкость со временем снижается мало: на 20 % – при токе разряда 0,5С* после 10 миллионов циклов, а при токе разряда 3С после 10 тысяч.
Прямым следствием электрохимической и механической устойчивости структуры материала являются и показатели пожаро- и взрывобезопасности, которые несравнимо ниже, чем у литий-ионных элементов.
Российские и зарубежные в производстве придерживаются схожих стандартов:
Эффективность заряда-разряда колеблется пропорционально силе тока и составляет от 85 до 95 процентов. После 10 тысяч циклов она падает до 90, а после 20 – до 80 процентов.
Из недостатков стоит отметить невысокое напряжение и относительную малораспространенность технологии и незначительные объемы производства.
Первую проблему решают добором активных элементов, и она не является серьезной в свете меньшего их веса по сравнению с литий-ионными. А вот второе обстоятельство более весомо: литий-титанатные все еще имеют большую стоимость, чем другие виды аккумуляторов.
Немного истории
Технология начала проходить обкатку еще в 2011 году. Lp-TO аккумуляторы были установлены в городских автобусах Японии, на самых протяженных маршрутах.
К 2016 году экспериментальный транспорт суммарно преодолел более 700 000 километров. За это время у самых первых машин количество циклов перезарядки достигло 2 000 при падении емкости в 3 %.
Напряжение этих батарей равно 560 В, а емкость – 100 ампер-часов. Зарядка происходит посредством 400-киловаттного выпрямителя на специально оборудованных станциях.
Сейчас титанатный аккумулятор встречается уже и в электромобилях и электробайках. Хороший пример таких транспортных средств – Mitsubishi i-MiEV или Honda Fit EV.
Устройство и механизм работы
Именно анод определяет длительность жизненного цикла и уровень безопасности аккумулятора.
На подложку методом осаждения наносятся атомарные слои оксида титана толщиной менее 15 нанометров. После обжига они приобретают объемную полую структуру, состоящую из большого количества полых лент и больших полостей высотой до 30 и шириной до 150 нанометров.
Трехмерная поверхность имеет огромную площадь и рассчитана так, чтобы внутрь легко проникал электролит, взаимодействуя со всей поверхностью материала и осуществляя транспорт положительно заряженных ионов лития.
Формула протекающей электрохимической реакции такова:
Li4Ti5O12 + 3Li+ + 3e- Li7Ti5O12
Катод обычно изготавливается из соединения кобальта LiCoO2. Взаимодействуя с кислородом, катода ионы лития отдают заряд и становятся нейтральными, вновь осаждаясь на аноде.
Внешне титановый аккумулятор выглядит стандартно. Для упаковки всех элементов используется пластик, композиты или цветной металл. Корпуса имеют форму призмы с прямыми углами или цилиндра. Для улучшения контакта и упрощения соединения многие модели снабжены клеммами.
Применение
Используют титанатные АКБ не только в электротранспорте в качестве основного источника энергии, но и в бензиновых автомобилях как замену обычному аккумулятору для стартера, освещения и автозвука.
Имеется значительный спрос на технологию и в сферах кораблестроения, авиастроения.
Применяют такие элементы питания также и в устройствах, для которых важна как бесперебойность работы, так и высокая степень автономности или мобильности: в светофорах, в телекоммуникационном и связном оборудовании, в резервных цепях питания.
Еще одна область применения – организация освещения в сочетании с солнечными батареями. Таким способом возможно обеспечить электроэнергией как улицу, так и внутренние помещения.
Постепенно литий-титанатные накопители проникают и в бытовые устройства: нередки теперь оснащенные ими телефоны, планшеты, ноутбуки, фотоаппараты, видеокамеры, мобильное медицинское оборудование и даже велосипеды.
Особенности эксплуатации и утилизация
В эксплуатацию литий-титанатные аккумуляторы поступают уже готовыми для подключения к нагрузке, так как первоначальный заряд обусловлен электрохимической реакцией между электродами плюса и минуса.
Зарядка производится специальным устройством постоянного тока.
Согласно приказу № 511 Министерства природных ресурсов от 15.06.2001 различают 5 классов опасности отходов. Отработанные аккумуляторы относятся ко второму классу, что предполагает специальную процедуру утилизации.
Фирмы-производители и предлагаемый ассортимент
Новизной технологии объясняется ее нераспространенность.
На рынке литий-титанатные аккумуляторы представлены небольшим количеством производителей, среди которых явно лидирует японский концерн Toshiba. Маркетинговое название соответствующей продукции – Super Charge Ion Battery, или сокращенно SCiB.
Литий-титанат с добавкой позволяет заряжать аккумуляторы за 5 минут до 90 %. Их удельная емкость вдвое выше титанатных, что позволяет уменьшить размер элементов питания и приблизить их по удельной энергии к литий-полимерным.
Для своих наручных кинетических часов производит батареи малого размера и Seiko, заменив ими конденсаторы.
Не отстают и швейцарцы. Компания Leclanché, которая с 1939 года выпускает аккумуляторы, освоила передовой техпроцесс после приобретения в 2006 году немецкой фирмы Bullith AG. Их продукт называется TiBox и представляет собой многоразовые источники питания с литий- титанатным анодом, мощностью 3,2 кВт и ресурсом работы до 20 тысяч циклов.
Американская компания из Невады Altairnano выпускает линейку элементов питания Nanosafe для электромобилей. Их титанат и производимые АКБ по официальным заявлениям готовы установить под капот многие производители автомобилей. Это английская фирма Lightning Car Company, известная своими спорткарами.
Также американская студия Phoenix Motorcars, которая переделывает корейские авто от SsangYong в электромобили. И, наконец, калифорнийская фирма Proterra, в своем микроавтобусе EcoRide BE35.
Выпускают литий-титановые аккумуляторы и в Китае. Компания YABO Power Technology выпустила первый экземпляр еще в 2012 году. Изделия преимущественно применяются в автотранспорте.
Типичный представитель – батарея YB-LITE2344, рассчитанная на штатное напряжение 2,4 V и емкость 15 ампер-часов.
Где купить
Самая популярная емкость для титанат-батарей, используемых в различных АКБ, – 40 АЧ. Чаще всего такие модели имеют стандартное количество циклов перезаряда (20 700) и годятся для последовательного соединения в банки больших размеров.
Купить источники питания можно в интернет-магазинах. По отзывам, качественный товар приобрести проще на eBay (иБэй), а на Aliexpress (Алиэкспресс) весь ассортимент дешевле.
Перед покупкой стоит убедиться в добросовестности продавца. Иногда под видом новых продают списанные аккумуляторы.
Быстро найти необходимый ассортимент на сайтах торговых площадок можно по поисковому запросу LTO или Lithium-Titanate.
Помимо стандартных и распространенных типоразмеров присутствуют и более нишевые: в виде плоских гибких или защищенных жесткими листами ячеек, в форме стандартных батареек. Есть также уже готовые собранные аккумуляторы и блоки питания в корпусах.
Там же нетрудно найти и специальные зарядные устройства, рассчитанные на постоянный ток, нужные напряжение и силу тока.
Сколько стоит конкретный титанат-литиевый аккумулятор, зависит еще и от цены доставки: продавцы пользуются услугами различных почтовых организаций и курьерских служб. Поэтому стоимость в итоге может серьезно отличаться.
Заключение
Потенциальный рынок литий-титанатных аккумуляторов велик. Поэтому перспективы развития данной технологии более чем обнадеживающие. Продукция уже выпускается серийно, становится доступнее, так как цена на нее снижается. Растет и ассортимент.