Почему в автомобилях массово не используются литиевые аккумуляторы вместо свинцово-кислотных.

   Батареи на основе лития уже достаточно доказали свою конкурентность в разных сферах.  Местами они практически вытеснили все остальные типы аккумуляторов. И у многих начал возникать вопрос, почему автомобилестроение не поддаётся массовому внедрению этого новшества.

 Основные типы литий-ионных аккумуляторов:

• Литий-кобальтовые (ICR)
• Литий-марганцевые (IMR или INR)
• Железофосфатные аккумуляторы (LiFePO4, LiFe, LFP, IFR)
• Литий-титанатные аккумуляторы     

      Обсуждать каждый тип этих аккумуляторов сейчас смысла нет, для удобства просто назовем их обобщенно «литиевыми». Главная суть в том, что на первый взгляд литиевые аккумуляторы имеют массу преимуществ перед свинцово-кислотными.

Для чего вообще нужен аккумулятор?

Вроде бы простой вопрос, но назначение аккумулятора не всегда было одинаковым.

    В очень старых моделях авто аккумулятор нужен был только для запуска мотора – питания стартера и начального кратковременного питания обмотки возбуждения генератора. После начала устойчивого вращения коленвала стартер выключается, а генератор переходит в режим «самоподхвата» – то есть обмотка возбуждения начинает питаться от того же напряжения, что он сам и вырабатывает. Все энергообеспечение машины, от зажигания до освещения, взял на себя генератор, и аккумулятор больше в процессе не участвует. Если теперь батарею отключить, или даже вообще выкинуть из-под капота, двигатель продолжит стабильную работу и без нее. 

     На машинах, получивших коммутатор в зажигании, транзисторный радиоприемник, и, тем более, на первых инжекторах, аккумулятор после запуска отключать уже стало рискованно. Несмотря на то, что после начала ровной работы мотора батарея по-прежнему выходит из игры, уступая роль источника электричества генератору, на автомобилях с электроникой аккумулятор сохраняет важное значение – фильтрующе-стабилизирующее. Батарея, как огромный конденсатор, помогает током на холостых оборотах, когда отдача генератора слабеет, сглаживает возникающие изредка высоковольтные пики-выбросы напряжения и делает пульсирующий постоянный ток стабильным – «чистым», как говорят электронщики. Для «дубовых» потребителей, типа лампочки или обогрева стекла, это несущественно, но вот для полупроводников – жизненно важно.

      Ну а на современных продвинутых авто классом выше среднего значимость аккумулятора и вовсе резко возросла. Тут уже в принципе нереально завестись без батареи, даже если вдруг попадется модификация машины без АКП. Множество электронных блоков, сидящих на цифровой шине, включаются перед запуском мотора, и еще до начала работы стартера успевают провести мгновенный опрос состояния различных датчиков и систем, дав в итоге одобряющую или запрещающую команду на старт. 

       В процессе работы мотора многочисленная электроника требует стабильного и чистого питания в бортсети, а после глушения электронные модули продолжают функционировать некоторое время, завершая процессы сохранения разнообразной адаптивной информации. Резкое исчезновение батареи через скидывание клеммы может вогнать электронику продвинутой современной машины в ступор. После возвращения аккумулятора на место (или зарядки разряженного в ноль) двигатель, конечно же, заведется, но наверняка закидает водителя множественными «чеками», некоторые из которых еще и не пропадут сами, а погасятся только с помощью фирменного диагностического софта у официалов.

      Поэтому, в современном автомобиле на аккумуляторе лежит куда большая ответственность, нежели полвека назад. Но обязательно ли ему, как те же полвека назад, быть таким здоровенным и массивным? Сегодня у многих автовладельцев имеется так называемый «пусковой бустер» или «джамп-стартер» – портативный 12-вольтовый пауэрбанк с литиевой батареей и проводами-«крокодилами», который способен запустить двигатель практически любого автомобиля с напрочь севшим штатным аккумулятором. Эти миниатюрные гаджеты легко заводят не только бензиновые моторы малолитражек, но и многолитровые дизельные двигатели внедорожников и легких грузовиков... Держа такую игрушку в руках, невольно задаешься вопросом: зачем нужны 15 килограмм свинцовой батареи, если вполне достаточно полкило «лития»? 

        Вопрос вполне закономерный. Польза от замены «свинца» на «литий» вроде бы очевидна и бесспорна – в автопроме никогда не прекращалась борьба за снижение массы, и любые, даже самые незначительные победы на этом фронте всегда преподносятся производителями как успехи инжиниринга и движение по пути прогресса. Да и чисто практический профит налицо – срок службы «лития» вдвое-втрое должен превышать таковой у «свинца». Но, обойдя все магазины автозапчастей в городе, литиевого аккумулятора вы не найдете… Почему? Их не существует? 

       Существуют. Однако распространенность настолько невелика, что выпускаются они исключительно самими автомобильными брендами для считанных моделей и не имеют альтернативных аналогов. Имена же машин, на которых устанавливаются литиевые стартерные АКБ, говорят сами за себя, и удивляться отсутствию таких батарей в магазинах не приходится – «литий» крутит стартеры у гражданских моделей McLaren (570S, 650S, MP4-12C), у Porsche Cayman R, 911 GT3, Boxster Spyder, у Mercedes S-klasse W221, W222, CLS-klasse C218 и ряда других, у BMW M3, M4 и тому подобных единичных моделях некоторых иных марок. Серийные штатные литиевые батареи существуют уже около десяти лет, но их по-прежнему весьма немного, и применяются они исключительно в высокотехнологичных премиальных и спортивных машинах. 

Особенности работы литиевых АКБ.

        Как правило, корпуса литиевых батарей повторяют геометрию стандартных свинцовых. Идентичны у них и силовые клеммы. Электрические параметры «повседневных» литиевых батарей – те же, что и у свинцовых, подходящих для аналогичных моторов. Например, литиевая батарея Mercedes имеет емкость 78 ампер-часов и максимальный ток холодной прокрутки 550 ампер. Разве что вес существенно ниже – 12 килограммов. Хотя ниже он в лучшем случае вдвое. Не в десять раз, не в пять и даже не в три, как можно было бы ожидать.

        «Повседневная» литиевая батарея BMW имеет емкость 69 ампер/час, ток холодной прокрутки 770 ампер и вес 14 килограммов... А вот «спортивная» литиевая батарея Porsche, способная заменить свинцовый аккумулятор на 60 ампер-часов с пусковым током 480 ампер, имела емкость всего… 18 ампер-часов, но при этом вес 6 килограммов и высоту, как у пачки сигарет!

       Литиевую стартерную батарею чаще всего «нельзя просто взять и поменять» на свинцовую, традиционной конструкции. Помимо стандартных силовых контактов у такого аккумулятора имеется дополнительный информационный разъем – с помощью него происходит подключение к цифровой шине данных, которая обеспечивает постоянный диалог аккумулятора с машиной и контроль за батареей. В принципе, переконфигурировать некоторые автомобили с «лития на свинец» возможно, но эта процедура делается только официалами, а официалы дешево не перепрограммируют, ибо заинтересованы в первую очередь продать вам новую оригинальную литиевую батарею за $2000, а не свинцовую за $100.

        Впрочем, на некоторых машинах «свинец» можно применять временно и без вмешательства в софт и хард. Например, в руководстве пользователя суперкара McLaren MP4-12C сказано, что в экстренной-преэкстренной ситуации (когда литиевый стартерный аккумулятор полностью неисправен или отсутствует) таки можно временно воспользоваться традиционной свинцово-кислотной батареей. Автомобиль отчасти «сойдет с ума»: станет некорректно работать ряд функций – индикация разряженной батареи, поворотники, парктроники, в качестве меры безопасности не поднимутся до конца стекла дверей и т.п. Однако машина все же заведется и поедет. 

          А вот тот же Porsche, когда в свое время презентовал свою шестикилограммовую «спортивную» батарею, проявил клиентоориентированность, предложив ее в качестве дополнительной совместимой опции к традиционному свинцово-кислотному аккумулятору. И предупредил пользователей своих автомобилей: легкая батарея оптимальна для теплого времени года, и даже при небольшом минусе на улице ее емкость (и без того крошечная!) заметно упадет. А поскольку батареи взаимозаменяемые, ввиду климатической привередливости лития владельцам спорткаров рекомендовалось повседневно ездить на «свинце», а при визите на гоночный трек временно менять аккумулятор на облегченный для улучшения управляемости и динамики.

      Собственно, о холоде… Вот мы и подобрались к едва ли не главной проблеме литиевых стартерных батарей – боязни отрицательных температур и сопутствующей ей боязни глубокого разряда. Безусловно, литиевая химия эволюционирует, современные аккумуляторы существенно расширили температурный диапазон своих предшественников десятилетней давности, но все же свинцу (который, к слову, тоже сильно страдает от морозов) литий до сих пор в хладостойкости уступает. 

       В электромобилях высоковольтные литиевые батареи имеют принудительный подогрев, но если у тяговой батареи емкостью не менее 30 киловатт-часов есть ресурс для самообогрева, то со стартерной 12-вольтовой батареей такое не прокатит. Риск не завестись зимой в ситуации, когда аналогичное авто со «свинцом» успешно прокрутит свой стартер, у «лития» существенно выше, и поделать с этим ничего пока не удается.

       Продолжительные простои на небольшом холодке (а то и в тепле!), кстати, не менее опасны, чем внезапно ударивший сильный мороз. К примеру, владельцы BMW M-линейки с литиевыми аккумуляторами уже жаловались на выход АКБ из строя из-за длительного простоя машины. Батареи уходили в глубокий разряд, электроника в них блокировалась и не реагировала ни на «прикуривание», ни даже на внешние зарядные устройства.

    С подобным сталкивались даже некоторые американские покупатели новых баварских «Эмок», чьи аккумуляторы успевали умереть, пока заказанная клиентом машина шла 2-3 месяца из Европы к штатовскому дилеру. А тем, кто сам не уследил за уровнем заряда, приходилось покупать новую уже за свой счет.

      Приходится признать, что по большому счету литиевые стартерные батареи на сегодняшний день способны принести реальную пользу либо очень искушенному автогонщику, всерьез «отлавливающему» каждый грамм веса, либо самому автопроизводителю, который использует их фактически лишь для подчеркивания собственной инновационности, ощутить которую конечный владелец вряд ли сумеет. А вот получить проблем – это запросто… В общем, никаких объективных доводов для массового автовладельца в пользу приобретения стартерного «лития» нет – и даже срок службы в якобы десять лет не убедит покупателя: редко кто сегодня держит автомобиль столь долго, да и сменить за этот срок 2-3 свинцовых аккумулятора по $100 каждый объективно гораздо дешевле, чем вложиться в «литий» за $1000-2000 с его нюансами и ограничениями.

       И тем не менее круг желающих обрести такую батарею существует, и он шире, чем кажется на первый взгляд. Низкий вес и полную герметичность ценят, к примеру, любители бюджетного автоспорта, профессиональные джиперы, готовящие свои машины к суровым соревнованиям, или фанаты спортивного автозвука. А также непоседливые владельцы самых обычных машин, которым просто хочется поставить под капот «что нибудь интересненькое».

     На легкие 12-вольтовые автомобильные аккумуляторы имеется хотя и не слишком большой, но вполне стабильный и даже растущий спрос, и он удовлетворяется небольшими кустарными мастерскими. Заказать литиевую стартерную батарею можно с любыми параметрами – как в стандартном аккумуляторном корпусе, так и в любом по размерам заказчика, с полной защитой от перезаряда, глубокого разряда и короткого замыкания или с более дешевой частичной. Изготовители обычно подчеркивают, что электроника их батарей обеспечивает полную совместимость по режимам работы со свинцовыми – достаточно просто заменить аккумуляторы один на другой и все. Не нужно поднимать напряжение генератора, что-то перепрограммировать и т. п.

     Максимальный стартерный ток мелкосерийных литиевых батарей, собираемых на достаточно современных элементах, составляет 530-550 ампер, чего достаточно для большинства автомобилей. Цена же зависит от емкости, и для моторов до двух литров хватает даже… 10 ампер-часов! На такой батарее вполне можно повседневно эксплуатировать машину в качестве транспортного средства, избегая, конечно, ситуаций типа простоя со включенной музычкой на пикнике. Поэтому все же батареи-«десятки» обычно покупают любители недорого погонять на треке – владельцы горячих хетчбеков, типа Opel Astra GTS или Renault Megane RS, которым совсем невредно скинуть килограмм пятнадцать-двадцать с передней оси. Стоимость подобного «спортивного» аккумулятора – около 15-20 тысяч рублей: это вам не коробочка из Porsche за $3000, хотя и машины – далеко не Porsche.

       Литиевая же батарея, пользоваться которой можно так же, как и штатной свинцовой на 55-65 ампер-часов, – это уже около 20-25 ампер/час емкости и полный комплекс защит, включая защиту по нижнему порогу разряда. Стоить такая будет примерно 25-30 тысяч рублей. На фоне штатных батарей, упомянутых выше, цены весьма скромные, хотя и не всех устроит незаводское происхождение аккумуляторов.

Кстати, нельзя под конец не упомянуть сферу транспорта, куда литиевые стартерные батареи успешно проникли и даже закрепились. Это мототехника – скутеры, мотоциклы, квадроциклы. Для них в продаже доступен относительно широкий (хотя и не сопоставимый пока со свинцом) выбор литиевых аккумуляторов промышленного (а не кустарного!) изготовления, которые при емкости 3-7 ампер/час более-менее недороги, совершенно безразличны к любого рода тряске и кренам, легки и герметичны. Ну а вопрос холодобоязни решился сам собой – мототехника, за исключением снегоходов, эксплуатируется все же в подавляющем большинстве случаев при плюсовых температурах или в крайнем случае при легком минусе, для батарей нестрашном.

         Если посмотреть на тот же вопрос с еще одной стороны, то выяснится следующее:

         Для желающих установить на авто батарею, которая меньше размером, при этом имеет приличный пусковой ток и не боится наклонов и вибраций – в продаже есть варианты и без учета литиевых батарей. На пример, те же свинцово-кислотные, но типа GEL или AGM. Они гораздо технологичнее обычных батарей с жидким электролитом, но плюсом ко всему еще и мороза не боятся. А вот цена может отпугнуть уже даже у них.  

         Кто-то может подумать, что со временем за счет массовости литиевые аккумуляторы для авто станут значительно дешевле. Это вряд ли. Потому что количество лития и свинца в природе просто несоизмеримо. А для того, чтобы к имеющимся объемам производства разных батарей массово добавить производство литиевых акб для автомобилей – нужно увеличить расход лития в мире примерно в 12 раз. Проще говоря, столько лития в природе просто не существует. Потому и удешевления ждать неоткуда. И вообще массовой замены акб на литиевые ждать не стоит.



        Вывод.

         Посвященные в вопрос специалисты не ожидают массового перехода авто на литиевые батареи потому что на практике некоторые преимущества литиевых батарей являются преувеличенными или полностью надуманными. Пройдёмся по списку «достоинств» самого перспективного типа для авто среди литиевых акб:

    

• Медленная потеря емкости, что особенно явно на продолжительном временном промежутке.
  (сложно сказать с каким типом акб нужно сравнивать, потому что внутри семейства свинцовых акб разница потеря ёмкости в процессе службы отличается сильно. Премиальных экземпляры сохраняют работоспособную ёмкость и после 10 лет.)

• Стабильность напряжения разряда. Отклонение от нормы – минимальное.
  (несколько бОльшая стабильность достигается не за счет замены аккумулятора, а за счет необходимого изменения всей системы заряда и разряда акб, который заряжается иным напряжением и отдаёт его тоже иначе. Получается, что эта увеличенная стабильность, нужна в первую очередь работе самого литиевого акб)

• Медленный разряд.

(сложно сказать, какой именно разряд имеется в виду, однако метод измерения ёмкости у этих                   аккумуляторов точно отличается.)

• Более высокие показатели пиковых токов.
  (это верно, обычно  при равной ёмкости, литиевый аккумулятор будет существенно мощнее свинцово-кислотного, однако свинцовые аккумуляторы без жидкого электролита тоже в этом преуспели и  дают невероятные значения по сравнению с обычными собратьями)

• Экологическая чистота за счет отсутствия кобальта в составе.

(больше похоже на рекламную уловку, потому что производство лития, как и свинца в целом — это довольно неэкологичный процесс, независимо от кобальта)

• Высокая температурная стабильность, снижающая взрывоопасность.

(это выглядит больше, как минус, потому что свинцовые аккумуляторы не имеют проблем взрывоопасности от перегрева.)

• Способность работать при морозе до -50 град.

(свинцово-кислотные аккумуляторы с правильно подобранной мощностью справляются с работой при таких экстремальных температурах ничем не хуже литиевых)

      Учитывая, что рынок аккумуляторов, имеет давно испытанные и высокотехнологичные батареи типа Gel и AGM которые во многом и имеют примерно те достоинства, что приписываются исключительно литиевым батареям, но стоят в несколько раз дешевле литиевых, тот немногочисленный спрос на «улучшенные батареи» часто перекрывается именно этими экземплярами. Для упорных любителей технологий есть исключительные модели авто с  уникальными батареями или услуги изготовления литиевых батарей на заказ.