Аккумуляторы: обзор типов батарей

Аккумуляторная батарея является одним из определяющих аспектов любого проекта по электрификации транспортного средства, от которого будут зависеть вес, показатели преодолеваемой дистанции и конечная стоимость велогибрида, электроскутера или электрокара. По этим причинам твёрдое представление о специфике различных типов батарей полезно всем, кто интересуется электротранспортом.

Существует множество химических соединений, которые могут быть применены для создания батарей, однако есть только четыре типа доступных аккумуляторов, практически подходящих по размерам для использования на велогибридах и электровелосипедах. Это свинцово-кислотные (PBA), никель-металл-гидридные (NiMH), никель-кадмиевые (NiCad) и литиевые (литий-ионные (Li-Ion) или литий-полимерные) АКБ.

В течение долгого времени свинцово-кислотные аккумуляторы являлись стандартом де-факто для электромобилей. Причиной тому стали их низкая стоимость, понятная химия и механизм использования: заряжайте свинцово-кислотный аккумулятор при любом удобном случае, не оставляйте его в бездействии надолго, рассчитывайте только на 60–70% от номинального значения ёмкости, и радуйтесь, если вы получите 200 циклов глубокого разряда. Наверное, 80% от числа проданных во всем мире электровелосипедов до сих пор используют свинцово-кислотные АКБ, но их дни сочтены. Вес свинца, необходимого для приведения в движение электробайка с достойным запасом хода в 40–50 километров, слишком велик для велосипеда.

Никель-кадмиевые аккумуляторы в своё время стали стандартом для перезаряжаемых потребительских элементов в знакомых сериях типоразмеров АА, C, 9V. Эти элементы отличаются надёжными эксплуатационными характеристиками, неплохими показателями количества циклов, и возможностями высокого разряда. Они по-прежнему широко используются в беспроводных электроинструментах, радиоуправляемых игрушках и аналогичных девайсах, которые требуют больших токов разряда, но почти во всех остальных случаях кадмиевые аккумуляторы были заменены никель-металлогидридными и литиевыми.

Никель-металл-гидридные аккумуляторы по характеристикам очень похожи на никель-кадмиевые, но отличаются от них более высокой плотностью энергии и более безопасны для окружающей среды при утилизации. Они является доминирующим типом аккумуляторных батарей в цифровых камерах и других потребительских товарах, в которых пользователю предлагают сменные элементы питания.

Сегодня почти вся бытовая электроника, которая имеет подключаемое зарядное устройство, работает на литиевых АКБ, так как они могут хранить примерно в 3 раза больше энергии, чем никель-металлогидридные. Небольшие устройства, такие как сотовые телефоны, MP3-плееры и другие подобные гаджеты обычно оснащены литий-полимерными ячейками, так как такие батареи могут быть изготовлены в удобном корпусе в виде тонких прямоугольных элементов. Более крупные устройства, такие как ноутбуки и новые беспроводные инструменты с литиевыми элементами питания обычно используют литий-ионные элементы цилиндрической формы размера меньше чем C, но больше, чем AA. Эти ячейки последовательно/параллельно соединены точечной сваркой, чтобы дать соответствующее напряжение и ёмкость, необходимую для работы электродвигателя.

Существуют шесть типов аккумуляторных батарей, которые нашли регулярное применение в качестве источников питания электрических велосипедов. Свинцово-кислотные АКБ сегодня формально являются устаревшими, как и аккумуляторы на кадмиевых и NiMH ячейках, которые начиная с 2010 года используются всё реже. Потому имеет смысл остановиться на оставшихся трёх типах химии литий-ионных аккумуляторных ячеек.

Литий-полимерные АКБ на сегодняшний день является самым лёгким вариантом батареи. LiPoly ячейки могут справляться очень высокими токами разряда, широко доступны и особенно популярны для применения в радиоуправляемых моделях самолётов и квадрокоптеров с электродвигателями. Применение LiPoly ячеек для электровелосипедов как правило не обеспечивает большого количество циклов, что сказывается на сроке службы. Элементы изготавливаются в тонком пластиковом корпусе, что делает их структурно весьма уязвимыми, особенно если нет внешнего жёсткого корпуса. Хотя литий-полимерные АКБ имеют репутацию нестабильных, и славятся захватывающими пиротехническими шоу, существуют компании-производители, продукция которых является достаточно стабильной в эксплуатации, проходит полное количество циклов перезарядки и тестирование на пробой без каких-либо признаков воспламенения.

Литий-марганец — на сегодняшний день наиболее распространённый тип химии, используемый в литий-ионных аккумуляторах для электровелосипедов. Такая АКБ несколько тяжелее литий-полимера и литий-кобальта, которые обычно используются в ноутбуках и бытовой электронике, но при этом безопаснее. Большинство литий-марганцевых батарей собирается на стальных элементах прямоугольной формы и отличается хорошими показателями разряда. Этот тип химии позволяет держать напряжение более стабильным в течение всего цикла разряда, нежели литий-полимер, который имеет тенденцию к линейному снижению напряжения от 4,2 до 2,9 вольта на ячейке во время разряда, что на практике использования АКБ такого типа на велогибридах ощущается как бодрый старт в начале цикла и вялый финиш в его конце.

АКБ на литий-фосфат-железных элементах (LiFePO4) в последнее время получили широкое освещение в СМИ. Такого рода химия используется в элементах А123 электроинструмента Dewalt, где она демонстрирует 2000 циклов заряда и разряда и гарантированно имеет феноменальные показатели по току. LiFePO4 батареи, производимые для использования на велогибридах, как правило, имеют более скромные характеристики как по току, так и по фактическому количеству циклов. Возможности аккумуляторов этого типа ещё предстоит увидеть, хотя большинство производителей с удовольствием оперируют значениями от 1500 до 2000 циклов. LiFePO4 АКБ не намного легче, чем никель-металлогидридные и ожидаемо чуть дороже, но они могут стать наиболее экономичными в долгосрочной перспективе.