EN
Швидкі посилання
Літій-іонні акумулятори зазвичай мають густину енергії близько 150–200 Вт·год/кг, що робить їх гарним вибором для компактних систем 48 В, де просто немає багато місця. З іншого боку, літій-залізо-фосфатні акумулятори (LiFePO4) вирізняються значно довшим терміном служби в циклах заряду. Йдеться понад 2000 повних циклів проти лише 800–1200 циклів у стандартних літій-іонних акумуляторів, згідно з дослідженнями EV lithium минулого року. Початкова ціна LiFePO4 приблизно на 10–20 відсотків вища, ніж у звичайних літій-іонних акумуляторів. Але те, що часто ігнорують, — це те, що ці додаткові витрати окуповуються в довгостроковій перспективі, адже ці акумулятори потрібно замінювати значно рідше. З часом це дає економію близько 40 відсотків на кожен цикл порівняно з постійним придбанням нових літій-іонних блоків.
Катод на основі фосфату заліза в акумуляторах LiFePO4 залишається стабільним навіть за температур близько 270 градусів Цельсія, що зменшує ймовірність небезпечних ситуацій теплового пробію. Звичайні літій-іонні акумулятори мають іншу картину. Згідно з дослідженням Vatrer Power, опублікованим минулого року, ці традиційні хімічні склади починають руйнуватися вже за температури трохи вище 60 градусів Цельсія. Це створює серйозні проблеми безпеки в місцях, де буває гаряче. Через цю вбудовану стабільність багато виробників переходять на LiFePO4 для своїх 48-вольтових систем, що використовуються в важкому обладнанні. Уявіть собі заводи чи будмайданчики, де техніка працює цілодобово, а навколишня температура регулярно піднімається вище 50 градусів. Акумулятор продовжує працювати без проблем перегріву.
Нагрівання в системах 48 В під великою навантаженням виникає переважно через три джерела: внутрішній опір під час циклування, джоулеве нагрівання при стрибках струму та екзотермічні реакції, що відбуваються під час глибокого розряду. Коли акумулятори працюють при струмах розряду 3C, їхня поверхня часто досягає температури понад 54 градуси Цельсія, якщо не застосовується активне охолодження, згідно з дослідженням, опублікованим MDPI у 2023 році. Для застосувань із високими вимогами до потужності, наприклад, допоміжних систем електромобілів, таке неконтрольоване тепловиділення створює небезпечні гарячі точки по всьому блоку. Ці гарячі ділянки значно прискорюють деградацію елементів акумулятора порівняно з блоками, що мають належне теплове управління, іноді скорочуючи термін служби на 40 відсотків або більше.
Поєднання непрямого рідинного охолодження з матеріалами, що змінюють фазу (PCM), поступово стає одним із найкращих методів забезпечення високої ефективності та безпеки в нових 48-вольтових системах, які ми бачимо скрізь у наш даний час. Дослідження, опубліковане у журналі Journal of Power Sources ще 2025 року, показало досить цікаві результати. Під час тестування гібридних систем, що використовують одночасно рідинне охолодження та PCM, пікова температура в автомобільних акумуляторах знизилася приблизно на 18 відсотків за температури навколишнього середовища 35 градусів Цельсія. Досить вражаючі показники. Сучасні системи теплового контролю також стають розумнішими. Вони можуть регулювати потік хладагенту в залежності від поточних умов. Таке динамічне регулювання дозволяє економити близько 70 відсотків енергії порівняно зі старими системами з фіксованою швидкістю, забезпечуючи при цьому різницю температур між елементами всередині лише 1,5 градуса Цельсія. Коли замислитися, це цілком логічно.
Теплові конструкції мають бути адаптовані до умов експлуатації:
Модульні рідинні охолоджувальні пластини стали масштабованою нормою, що дозволяє легко розширювати системи від побутових 5 кВт·год до мережевих 1 МВт·год без необхідності переробляти основні теплові компоненти.
Дослідники з прикладної теплотехніки провели в 2025 році випробування, щоб вивчити, як спеціальна багатошарова рідка система PCM працює з акумуляторами 48 В для вантажопідйомників у складах, де температура сягає приблизно 45 градусів Цельсія. Отримані результати виявилися досить вражаючими. Ці акумулятори залишалися прохолодними, підтримуючи максимальну температуру на рівні близько 29,2 градуса Цельсія протягом усіх довгих восьмигодинних змін. Це насправді на 7,3 градуса холодніше, ніж у звичайних акумуляторів без будь-якої системи охолодження. І це ще не все. Річний відсоток втрат ємності акумулятора значно знизився — з 15 відсотків до лише 2,1 відсотка. Під час випробувань у реальних умовах ці системи показали мінімальну різницю температур менше ніж 2 градуси серед усіх 96 елементів, навіть під час інтенсивних сеансів швидкого заряджання струмом 150 А. Досить вражаючі показники для всіх, хто має справу з важкими режимами роботи акумуляторів.
Основними джерелами втрат енергії в системах 48 В є внутрішній опір, який коливається в межах від 3 до 8 відсотків, а також втрати теплового розсіювання близько 2–5 відсотків під час кожного циклу зарядки, не кажучи вже про ті неприємні неефективності на межах електродів. Коли зарядка виконується неправильно, омічні втрати можуть збільшитися на цілих 12% порівняно з добре збалансованими методами зарядки, свідчать деякі останні дослідження, присвячені оптимізації зарядки літій-іонних акумуляторів. Для фахівців, що працюють із високопотужними застосунками, такими як силові агрегати електромобілів, такі втрати мають велике значення, адже постійне швидке циклювання призводить до швидкого зносу компонентів з часом.
Системи управління батареями сьогодні забезпечують кращу роботу, адже вони розумно регулюють потік струму. Це допомагає зменшити ті неприємні втрати на опорі в їх найгірших проявах приблизно на 18–22 відсотки. Вони також дуже точно балансують елементи, підтримуючи різницю напруг у межах лише 1,5%. І коли на вулиці стає холодно, ці системи компенсують зміни температури під час заряджання, щоб уникнути проблем з утворенням літієвого шару. Згідно з дослідженнями, акумулятори, які використовують багатоступеневий метод постійного струму, з часом втрачають менше ємності. Випробування систем LiFePO4 на 48 вольт показали приблизно на 16,5% меншу деградацію порівняно зі старими методами керування зарядом. Тому зрозуміло, чому все більше компаній переходять на ці сучасні системи для довговічних рішень у сфері живлення.
Змінні навантаження в робототехніці та мікромережах на поновлюваних джерелах енергії створюють виклики щодо ефективності:
| Характеристика навантаження | Вплив на ефективність | Стратегія мінімізації ризиків |
|---|---|---|
| Високі струмові спайки (≥3C) | провал напруги на 8–12% | Ультра низькі конденсатори ESR |
| Коливання частоти (10–100 Гц) | втрати від пульсації 6% | Активне подавлення гармонік |
| Періодичні перерви у роботі | 3% саморозряд/годину | Режими глибокого сну системи BMS |
Дані системи резервного живлення телекомунікацій показують, що регулювання навантаження підвищує коефіцієнт корисної дії в циклі заряд-розряд з 87% до 93% у літієвих акумуляторах 48 В і зменшує потребу в енергії для терморегулювання на 40%.
Втрата ємності в системах акумуляторів 48 В відбувається переважно через три причини: зростання шару твердого електроліту на межі розділу, утворення відкладень літію на електродах та фізичні напруження від постійного розширення й стискання матеріалів під час циклів зарядки. Коли температура підвищується, ці небажані хімічні реакції значно прискорюються. Дослідження, опубліковане минулого року, показує, що якщо робоча температура піднімається лише на 10 градусів Цельсія понад 30 градусів, кількість циклів зарядки, які акумулятор може витримати до виходу з ладу, скорочується вдвічі. Для виробників автомобілів, які мають справу з реальними умовами експлуатації, цей механічний знос із часом стає ще гіршим, оскільки транспортні засоби піддають акумулятори різним вібраціям і раптовим змінам навантаження під час руху.
Експлуатація акумуляторів 48 В у діапазоні стану заряду (SOC) від 20% до 80% зменшує утворення SEI на 43% порівняно з повним циклюванням. Аналіз NREL за 2023 рік показав, що швидкість заряджання 0,5C (зарядка за 3 години) зберігає 98% початкової ємності після 800 циклів, тоді як при 1C збереження становить 89%.
| Швидкість зарядки | Кількість циклів до 80% ємності | Річна втрата ємності |
|---|---|---|
| 0,3C | 2,100 | 4.2% |
| 0.5c | 1,700 | 5.8% |
| 1,0C | 1,200 | 8.3% |
Таблиця: вплив швидкості заряджання на термін служби літій-іонних акумуляторів 48 В (NREL, 2023)
Швидка зарядка на 1C певно скорочує час очікування, але має недолік: температура всередині акумуляторів зростає приблизно на 55–70 відсотків у порівнянні з повільнішою швидкістю 0,5C. Однак останній аналіз комерційних систем накопичення енергії за 2024 рік показав цікавий результат. Було випробувано підходи, коли зарядка відбувалася на повній швидкості (1C) до досягнення близько 70% рівня заряду, після чого швидкість знижувалася до 0,3C. Після 1200 циклів зарядки цей метод зберіг приблизно 85% початкової ємності, що фактично досить близько до результатів надто обережних повільних методів зарядки. І ось найцікавіше — якщо такі системи матимуть ефективне теплове управління, здатне знизити температуру щонайменше на 30%, часткова швидка зарядка стає розумним компромісом між бажанням швидко заряджати та необхідністю продовжити термін служби акумуляторів.