Якщо мотор-колесо можна назвати м'язом Елвел, то акумулятор - його черево. І чим більше це черево, тим краще, бо, на відміну від людини, черево Елвел при русі заважає несильно, і енергія звідти витягується легко і просто.
Взагалі, акумулятори це найслабше місце електротранспорту. І від науково-технічного прогресу електротранпортнікі жадають саме поліпшення акумуляторів в першу чергу. Давайте для кращого розуміння порівняємо акумулятори з бензином.
При згорянні бензину утворюється приблизно 44 мегаджоулей теплової енергії на кожен кілограм бензину. При ККД автомобіля близько 20% (ККД ДВС плюс ККД трансмісії) ми отримуємо приблизно по 9 мегаджоулей корисної механічної енергії з кожного кілограма бензину.
У найбільш ємних з масово вироблених на сьогоднішній день літій-іонних акумулятор енергетична щільність досягає 200 ват * год / кг. 1 мегаджоуль це приблизно 0,2777 кВт * год. Таким чином, ємність 1 кілограма літій-іонних акумуляторів становить приблизно 0.72 мегаджоулей на кілограм. При ККД електродвигуна 80-90% отримуємо по 0.6 мегаджоулей механічної енергії на кожен кілограм енергоносія. Тобто, по енергетичній щільності кращі акумулятори в п'ятнадцять разів поступаються звичайному бензину. Це наріжна проблема сучасного електротранспорту сьогодні.
Тепер трохи термінології, щоб було зрозуміліше те, що буде.
- Елемент (банку) - одна атомарна електрохімічна комірка. Найчастіше акумулятори продаються саме окремими елементами (наприклад, всім відомі нікель-металгідридні на 1.2 вольт типорозмірів AA, AAA або літієві акумулятори для стільникових телеофнов на 3.7 вольт).
- Осередок - кілька паралельно з'єднаних елементів (банок). Фактично осередок можна розглядати як один елемент з герметичними перегородками.
- Батарея - набір послідовно з'єднаних осередків. У ряді випадків робляться окремі висновки від кожного осередку батареї для індивідуального контролю напруги на кожному осередку.
Давайте тепер подивися на практиці, що нам пропонує промисловість сьогодні :) Найдешевший (поки) варіант - свинцеві акумулятори. Вони масово використовуються в автомобілях, мотоциклах, джерелах безперебійного живлення і продаються на кожному розі. Напруга на одному елементі свинцевого акумулятора - близько 2-х вольт, проте свинцеві акумулятори, як правило, продаються у вигляді батарей з послідовно з'єднаних 3-х або 6-ти осередків (на 6 або 12 вольт).
Вони досить невибагливі, дешеві, зручні у використанні (не вимагають спеціальної стежить за акумулятором схеми), можуть видавати досить великі струми.
З мінусів можна виділити: мала енергетична ємність (30-40 ват * год на кілограм), яка відбувається при деяких умовах сульфатация (процес кристалізації сульфіду свинцю через яку свинцеві пластини практично необоротно псуються).
Проте, я починав саме зі свинцевих акумуляторів. Тоді я ще не був упевнений - чи буду я користуватися електровелосипедом, а "на спробувати" не хотілося витрачати надто багато грошей. Тому я купив три свинцевих акумулятора на 7 ампер * год, і закотив їх в коробку з ДВП:
Однак після недовгої експлуатації (приблизно з пів-року) я зрозумів, що:
- Електровелосипедом я обов'язково буду користуватися :)
- 7 ампер-годину це дуже мало (нові акумулятори забезпечували до 13км їзди при моєму вазі)
Ще однією неприємністю стало те, що ємність акумулятора дуже швидко села через перевантаження по струму. Хоча мій контролер був розрахований якраз на робочий струм близько 7 ампер, при старті з місця ток може вдвічі-втричі перевищувати цей ліміт. Звичайні акумулятори від ДБЖ, які я використовував, що не розраховані для роботи з такими струмами. Тому до кінця експлуатації однієї зарядки вистачало максимум на 6-7 кілометрів, що зовсім мало. Існує різновид "тягових" свинцевих акумуляторів, розрахованих на розряд великими струмами протягом тривалого часу, але їх вартість істотно вище.
Тоді я почав розглядати можливості щодо поліпшення цієї частини Елвел. Довго думав з приводу нікель-металгідридних акумуляторів. З одного боку, є екземпляри NiMH акумуляторів з ємністю в 9 ампер-годину на банку. З'єднати паралельно дві такі банки, і послідовно 30 таких осередків - ось і отримаємо шукані 36 вольт. З іншого боку, при вартості такої банки більше 500 рублів, вартість такого акумулятора складе не менше 30 неоподатковуваних мінімумів доходів громадян, що досить накладно. Загалом, ідею складання силового акумулятора з продаваних в роздріб банок я відкинув як економічно неспроможну.
Тоді я став задивлятися на літій-іонні акумулятори. В принципі, можна купити зграйку ось таких банок по майже оптовою ціною. Реальна ємність таких "бракованих" акумуляторів (зверніть увагу, що навіть на сайті ємність взята в лапки - це не випадково) - близько 1.8 ампер-годину, при середньому напрузі в 3.7 вольт. Таким чином, для отримання нормального велосипедного акумулятора ємністю, наприклад, 18 ампер-година нам знадобиться з'єднати послідовно 10 осередків по 10 паралельно з'єднаних банок. При ціні пари банок в $ 4.15 ціна велосипедного акумулятора вийде "всього" $ 207,5, або приблизно 6.2 кілорублей.
Але при цьому літій-іонні акумулятори - найкапризніші з усіх типів. При зарядці треба уважно стежити за напругою на кожному осередку - якщо перевищити напруга в 4.2 вольта на осередок, вони запросто можуть вибухнути і горіти з люттю металевого літію, якого всередині будуть кілограми. З бомбою між ніг їздити якось не дуже спокійно, тому я навіть всерйоз розглядав систему катапультування такого акумулятора в разі біди :-)
Також літій-іонні акумулятори не переварюють переразряда. Якщо розрядити літій-іонний акумулятор до напруги нижче приблизно 3-х вольт на осередок, в ньому відбуваються незворотні процеси і повторна зарядка стає неможливою. З огляду на все сказане, для нормального функціонування такого акумулятора необхідна спеціальна стежить схема, яка захищає як від перезарядження, так і від переразряда. Офіційно такі схеми називають BMS - Battery Management System. Вона підключається проводами до кожної окремої осередку акумулятора і індивідуально стежить за ними. Для літій-іонних акумуляторів BMS досить проблематично купити, вже простіше самому спаяти. або можна купити готовий літій-іонний акумулятор з вбудованою BMS (В описі написано LiFePO4, однак, за твердженнями на форумі електротранспортників це саме літій-іонний акумулятор). Відрізнити їх можна зазвичай по аллюмінієвую корпусу - для безпеки.
Однак кілька років тому з'явився новий тип акумуляторів, також на основі літію, але не металевого, а його сполуки - буржуї їх називають LiFePO4. По-русски такі акумулятори називають літій-залізофосфатні (літій-залізними на жаргоні). Кілька поступаючись літій-іонним і навіть літій-полімерним акумулятором по питомій ємності, такі акумулятори мають следуюшие плюси:
- Істотно більша кількість циклів заряду-розряду (обіцяють 80% ємності через 1000 циклів, для деяких різновидів літій-заліза навіть обіцяють 70% ємності через 3000 циклів). Це проти 500 циклів у літій-іонних (кожен знає з досвіду спілкування з мобільниками як недовговічні літій-іонні акумулятори).
- Істотно краща робота на холоді, що для Росії дуже важливо (багато хто бачив, як на морозі у мобільника "різко сідає" батарейка).
- Безпека - не вибухають ні за яких умов тому всередині немає металевого літію ні в зарядженому, ні в розрядженому стані.
мінуси:
- Меншу напругу (3.4 вольта проти 3.7 у літій-іонних і літій-полімерних)
- Як наслідок, менша питома ємність (80-120 ват * год / кг проти 110-200 ват * год / кг)
Незважаючи на невибагливість, для отримання найкращих результатів все одно рекомендується використання BMS, так як при зарядці осередку понад 3.8 вольт або розрядці нижче 2.2 вольта прискорюється деградація акумулятора, і він може не витримати заявленої кількості циклів.
Любителі все робити своїми руками можуть купити окремо LiFePO4 банки і спробувати зібрати батарею і BMS вручну. Однак пересічному користувачеві простіше купити готову, тим більше що вони удосталь продаються на eBay . Та й виходить це істотно дешевше - не питайте чому, не знаю :-), якась чергова гримаса ринкової економіки.
Особисто я за $ 150 на аукціоні відхопив акумулятор 36 вольт на 20 ампер-година. Ще $ 150 довелося заплатити за доставку (посилка 11кг). Зауважу, що в умовах нашого митного законодавства вигідніше купити саме з окремою платою за доставку - на eBay також бувають акумулятори з "безкоштовною доставкою" (насправді доставка включена в ціну товару). За нашим законодавством приватна особа платить митний збір в 30% з ціни товару, що перевищує 10 тисяч рублів. Тому якщо купити акумулятор за $ 150, митний збір буде нульовий. Якщо купити той же акумулятор за $ 350, доведеться вже заплатити мито в 30% з суми 350 * 30-10000 = 500 рублів. Справа навіть не в грошах, а в тому, що доведеться пертися на митницю, потім з квитанцією в банк, потім назад на митницю - це по мінімуму.
Рубильник обов'язковий - контролер навіть в режимі спокою споживає досить значний струм, за тиждень може посадити акумулятор. Деякі замість рубильника ставлять автоматичний запобіжник на 20-30-40 ампер - я не став, автомат величезний і не дуже вписувався в мій дизайн.
Для тих, хто не схильний до ручної праці китайська промисловість пропонує готові багажники для акумуляторів , Що кріпляться до Підсідельний штир. Особисто мені такий варіант не дуже сподобався через підвищення центру ваги і істотної переваги задньої частини велосипеда (мотор-колесо у мене також ззаду).
Також, в комплект "зроби сам електровелосипед" часто входить спеціальна сумка для акумулятора - її можна прилаштувати на звичайний багажник, якщо такий є, або підвісити під раму, якщо влазить.
При такому акумуляторі дальність поїздки на одному заряді збільшилася до 40 км. Для моїх цілей цього більш ніж вистачає - як виявилося, відстань до роботи і назад складає всього 26км, інше можна витратити "на надмірності" :-) Загалом, при моїх потребах цього вистачає вище даху.
Ще один плюс потужного акумулятора - можливість "оверклокинга" двигуна по потужності. Наприклад, мій двигун продається як 250-ватний. Це означає, що при напрузі 36 вольт струм через нього близько 7 ампер. У контролері стоїть спеціальна вимірювальна схема, яка заміряє протікає через двигун ток. У разі перевищення харчування двигуна відключається.
Однак мої акумулятори легко можуть давати і 20 ампер (можуть і 40, і 60). Тому можна змінити злегка схему виміру струму таким чином, щоб відсічення спрацьовувала при більших струмах. Таким чином, ми отримаємо максимальну потужність вже не 250 ват, а істотно вище (собі я зробив близько 450 ват). При цьому двигун практично не гріється, тобто запас по потужності у нього величезний.
Отже, підбиваючи підсумки:
- Свинцеві акумулятори: + дешево; + Безпечно; питома потужність; -на морозі просідають
- Літій-іонні акумулятори: + максимальна питома потужність; -дорого; -небезпека; -на морозі практично відвалюються; -Малий кількість циклів заряду / розряду
- Літій-залізні акумулятори: + велика питома потужність; + Відносно дешево (~ вдвічі дорожче свинцю); + Безпечно; + Відмінно працюють на морозі; + Велика кількість циклів заряду / розряду;
І, на закінчення, ще одна хороша новина. Всім відомий нано-Чубайс (а точніше Роснано) будує зараз завод з виробництва літієвих акумуляторів в Новосибірській області . Спільно з китайською компанією ThunderSky - це відомий виробник літій-залізних акумуляторів. Не знаю, які конкретно типи акумуляторів будуть там робити (сподіваюся, що і ті, і інші), але, сподіваюся, в Росії з'явиться ще дешевша альтернатива покупкам тягових акумуляторів на eBay :) Ось ще цікаве інтерв'ю з Чубайсом , Там теж є про наноаккумулятори :)
Зміст: