Холодный климат создает особые электрохимические и механические проблемы для литиевых аккумуляторов. В этой статье рассматриваются основные виды отказов, предлагаются инженерные решения (система управления аккумуляторами (BMS), предварительный нагрев, выбор химических составов, упаковка), а также приводятся практические примеры для телекоммуникационных, электромобильных и удаленных солнечных установок.
Проблемы использования литиевых батарей в холодном климате
1. Уменьшение полезной емкости
При низких температурах подвижность ионов и кинетика реакций замедляются, поэтому аккумулятор вырабатывает меньше полезной энергии. Типичная относительная ёмкость снижается с понижением температуры (см. таблицу и диаграмму ниже).
2. Более медленная зарядка и риск литий-ионного покрытия
Зарядка при температуре ниже 0 °C может привести к осаждению металлического лития на аноде. Покрытие лития фактически представляет собой потерянный активный материал и увеличивает риск короткого замыкания.
3. Повышенное внутреннее сопротивление (ВС)
Более холодные ячейки демонстрируют более высокий уровень сопротивления изоляции, что приводит к большему падению напряжения под нагрузкой и большей потере мощности. Это может привести к преждевременному срабатыванию защиты от пониженного напряжения.
4. Механические проблемы и вопросы безопасности
Циклы замораживания-оттаивания, риск образования конденсата и хрупкость материала корпуса могут привести к механическим напряжениям, коррозии или нарушению герметичности.
Типичная емкость в зависимости от температуры
| Температура (°С) | Относительная емкость (%) |
|---|---|
| 25 °С | 100% |
| 0 °С | ≈ 80% |
| -10 °С | ≈ 70% |
| -20 °С | ≈ 60% |
| -30 °С | < 50% |
Инженерные решения и передовой опыт
1. Система управления аккумуляторными батареями (BMS) с логикой, учитывающей температуру
Реализовать логику BMS, которая:
- Предотвращает зарядку при температуре ниже минимальной безопасной температуры (обычно 0 °C, если в характеристиках элемента не указано иное).
- Обеспечивает адаптивный зарядный ток на основе измеренной температуры элемента.
- Регистрирует историю температур и при необходимости запускает защитные меры (изоляция, снижение производительности).
2. Системы предварительного подогрева/самоподогрева
Возможны следующие варианты:
- Встроенные резистивные грелки, управляемые BMS, используются для подогрева аккумуляторов перед зарядкой или периодами высокой нагрузки.
- Технологии самонагревающихся ячеек (ячеек с внутренними нагревателями или добавками) для использования в условиях экстремально низких температур.
- Пример использования: в электромобилях обычно реализован подогрев аккумуляторной батареи с питанием от бортовой сети автомобиля или от внешнего зарядного устройства.
3. Выбор химии
При необходимости рассмотрите возможность использования химических средств, устойчивых к низким температурам:
- LFP (LiFePO₄) — прочный по своей природе, с хорошим циклическим ресурсом, умеренные низкотемпературные свойства.
- LTO (титанат лития) — превосходные характеристики при низких температурах и возможность быстрой зарядки при более высокой стоимости.
- Скорректированная формула электрода и добавки в электролит также могут улучшить восприятие заряда при низких температурах.
4. Теплоизоляция и проектирование
Меры защиты и изоляции на уровне стаи:
- Теплоизолированные корпуса из материалов с низкой теплопроводностью для снижения потерь тепла.
- Материалы с тепловой массой и фазовым переходом (PCM), где имеют значение суточные колебания.
- Минимизируйте проникновение воздуха и защитите от образования конденсата; при необходимости используйте осушители и индикаторы влажности.
5. Протоколы интеллектуальной зарядки
Используйте адаптивную зарядку:
- Медленная зарядка с ограничением по температуре до тех пор, пока элементы не достигнут безопасной температуры, затем увеличьте ток.
- Настраиваемые на месте профили зарядки для балансировки скорости зарядки и состояния ячеек.
Реальные приложения и примеры
Удаленный мониторинг / Станции на солнечных батареях
Типичное решение: изолированный корпус + небольшой обогреватель, активируемый BMS, когда температура падает ниже порогового значения; использование ячеек LFP для обеспечения долговечности; периодические визиты для технического обслуживания планируются при наступлении сезонных изменений.
Электромобили (холодные рынки)
OEM-решения: активный подогрев аккумуляторных батарей (PTC-нагреватели или контуры охлаждающей жидкости), управление температурой аккумулятора, интегрированное с системой отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха в салоне, предварительное кондиционирование перед зарядкой и началом движения.
Телекоммуникационные и резервные системы
Основное внимание при проектировании: обеспечить достаточное количество полезной энергии в условиях экстремальных холодов для критически важных коммуникаций — часто использовать резервные цепи и консервативную глубину разряда для повышения надежности.
Заключение
Холодный климат создаёт очевидные проблемы с производительностью и долговечностью литиевых аккумуляторов, но эти проблемы решаются благодаря продуманной конструкции системы. Наиболее эффективная стратегия сочетает в себе: температурно-чувствительную логику BMS, умеренную изоляцию, возможность предварительного нагрева и тщательный выбор химического состава . Во многих случаях такой гибридный подход обеспечивает надёжную работу при разумной стоимости.
Компания Huawen New Power предоставляет комплексные услуги по системам аккумуляторных батарей для холодного климата: выбор химического состава, настройка системы управления аккумуляторными батареями (BMS), тепловое проектирование, испытания прототипов и полевые испытания. Свяжитесь с нашей командой, чтобы обсудить индивидуальное решение для вашей области применения.
Отказ от ответственности: данные и кривые в этой статье носят иллюстративный характер. Для окончательного проектирования используйте спецификации конкретных ячеек и проведите тестирование на уровне приложения.
