Батареи отопительные: Радиаторы отопления купить недорого в ОБИ, цены на батареи отопления

Какие батареи лучше выбирать для отопления дома?

Даже несмотря на внешнюю схожесть многих моделей отопительных батарей, они могут обладать разным коэффициентом теплоотдачи, ценой и другими немаловажными параметрами. Всё зависит от материалов, используемых в изготовлении прибора, особенностей его конструкции, способа монтажа и внутреннего объёма радиатора. Поэтому чтобы выяснить какие батареи отопления для дома лучшие, нужно рассмотреть по отдельности основные модели, представленные на современном рынке.

Критерии выбора типа отопительной батареи

Преимуществом частного домостроительства является возможность расчёта и установки автономного отопления исходя из предпочтений и нужд домовладельца. Поэтому выбор лучшего радиатора для отопления частного дома намного проще, чем приобретение батареи в квартиру многоэтажного строения, подключённую в централизованную тепловую магистраль. При этом автономные системы отопления обладают целым рядом преимуществ:

• работа отопления при минимальном давлении в благоприятных эксплуатационных условиях;
• отсутствие сильных гидроударов как в случае с централизованным отоплением, что в значительной мере расширяет ассортимент подходящих радиаторов;
• если в отопительной системе используется теплоноситель со сбалансированными кислотными характеристиками, то ограничений по выбору радиатора для отопления частного дома просто не существует.

Для автономных отопительных систем частного домостроения выбор подходящей отопительной батареи должен, основывается на максимальном коэффициенте теплоотдачи, которым обладают практически все современные радиаторы. Поэтому какую батарею – чугунную, биметаллическую, алюминиевую, стальную или медную выбрать для отопления дома индивидуальный выбор домовладельца. Но всё же некоторые нюансы данного вопроса нужно знать.

Чугунная отопительная батарея

Такое устройство долго сохраняет внутри себя с аккумулированное тепло в случае аварийного отключения центрального теплоснабжения. Ей не страшно повышение давления, гидроудар или некачественные теплоносители. Даже вода с большим содержанием щелочи, ржавчиной и пробками воздуха не наносят большого вреда чугунному радиатору, чего не скажешь о других батареях. При этом такое изделие имеют сравнительно невысокую стоимость.

Из недостатков радиаторов из чугуна хочется отметить их внешнюю непривлекательность, большой вес и высокий уровень инерционности, который делает невозможным их использование в отоплении с терморегуляцией. Хотя внешнюю составляющую прибора уже давно решили, выпуская модели в ретро стиле с отделкой под медь и другие благородные металлы. Благодаря этому такой элемент системы отопления превратился в дизайнерский объект любого интерьера.

Отопительный радиатор из алюминия

Прежде чем остановить выбор на алюминиевом радиаторе для отопления частных домов нужно знать некоторые особенности выбора и эксплуатации такого устройства.

1. Радиаторы из алюминия очень чувствительны к параметрам используемого теплоносителя. Если не соблюсти уровень содержания кислотно-щелочных примесей в воде, циркулирующей по батареям, то это может привести к их разрушению.
2. Из-за высокой тепловой мощности алюминиевого радиатора происходит быстрое поднятие тёплых воздушных потоков вверх, что приводит к ощутимой разнице температур между полом и потолком. Поэтому чтобы на уровне пола в отапливаемой комнате была комфортная тёплая температура важно уесть данную особенность при подсчёте количества секций батареи в зависимости от площади помещения.

Сравнительно невысокая стоимость, привлекательный внешний вид и максимальный уровень теплоотдачи – основные критерии популярности алюминиевых радиаторов отопления для частных домов. Если правильно выбрать и установить батарею из алюминия она прослужит на протяжении достаточно длительного срока, качественно прогревая комнаты в доме.

Батареи из стали для отопления частного дома

• небольшая цена не в ущерб хорошему коэффициенту теплоотдачи;
• высокая устойчивость к воздействию некачественного теплоносителя;
• большой эксплуатационный ресурс;
• простота установки и небольшой вес.

Если рассматривать недостатки стальной батареи, то хочется отметить следующие проблемы:

• не самый привлекательный внешний вид, хотя это элемент отопительной системы, а не дизайнерский объект;
• необходимость регулярной промывки стальной батареи не реже 1 раза каждые 3 года;
• важно чтобы стальной радиатор всегда был полностью заполнен теплоносителем, иначе из-за образования ржавчины устройство быстро придёт в негодность.

Принцип работы стальной панельной батареи основан на конвекции и излучении тепловой энергии.

Теплоотдача происходит как непосредственно через стальную поверхность изделия, так и сквозь решетчатый корпус в верхней части прибора. Если рассматривать показатели рабочего давления, то стальные батареи выдерживают до 16 атмосфер, что напрямую зависит от толщины используемого в изготовлении материала. Максимальные температуры, которые выдерживает такой элемент отопления, могут достегать 110° С.

Биметаллическое устройство – современная и практичная батарея

Если рассматривать конструкции биметаллического изделия, то она включает в себя стальные трубы и рёбра из алюминия. Такую батарею, можно использовать как в домах частного сектора, так и многоквартирных постройках с централизованной отопительной системой. Циркуляция теплоносителя в таком устройстве из цельнотянутых труб происходит таким образом, что структура металла не разрушается из-за коррозии.

Биметаллическая батарея способствует равномерному распределению тепла турбулентным способом, что уравнивает разницу температур между полом и потолком помещения. Достоинством такого устройства считается длительный эксплуатационный срок до 20 лет. На прилавках магазинов представлены радиаторы, окрашенные в разные цвета, что позволяет подобрать устройство в соответствии с дизайном дома. При этом современные изделия в отличие от чугунных аналогов не требуют регулярного восстановления лакокрасочного покрытия.

Единственным, но достаточно весомым недостатком такого отопительного прибора является его высокая стоимость. Помимо этого биметаллические батареи могут забиваться шлаком и не переносят большого содержания воздуха в теплоносителе. Плюс ко всему в месте спайки двух разных металлов в значительной мере снижается коэффициент отдачи тепла в окружающую среду помещения.

Медный радиатор для отопительной системы дома

Обладая минимальным уровнем инерционности, медная батарея обеспечивает самый быстрый нагрев комнат в доме. Такие радиаторы вмещают в себя минимальный объём теплоносителя, что позволяет им прогреваться за несколько минут. Благодаря такому незначительному объёму воды нет необходимости нагревать большое количество теплоносителя, что сказывается на экономичности автономной отопительной системы частного дома, чего нельзя добиться в случае установки чугунных батарей.

Медь достаточно пластичный и устойчивый к воздействию коррозии материал, который не изнашивается под воздействием некачественного теплоносителя как в случае с алюминиевым аналогом. А благодаря высокой эффективности при минимальных температурах медная батарея могла бы стать лучшим выбором для любой системы отопления. Но из-за очень высокой стоимости такого изделия оно не нашло широкого распространения среди потребителей.

На каком изделии остановить свой выбор?

Изучив основные характеристики большинства популярных моделей радиаторов можно определиться, какая батарея лучше для отопления дома. Но всё же прежде чем купить ту или иную модель нужно определиться с некоторыми моментами.

1. В централизованных тепловых сетях, которые присуще многоквартирным домам, как и несколько десятилетий назад оптимальным вариантом обогрева комнат считается чугунная батарея. Ей не страшна вода плохого качества, она не боится перебоев в теплоснабжении и прослужит на протяжении длительного срока.
2. Альтернативой чугунному изделию в многоэтажном доме является биметаллическая батарея отопления.
3. Если рассматривать автономные закрытые отопительные системы частных домов, то здесь выбор лучшего радиатора ничем не ограничен. В закрытой системе отопления нет высокого давления теплоносителя, который проходит предварительную подготовку перед заливкой в трубопровод. Поэтому с учётом цены и качества для отопления частного дома подойдут алюминиевые радиаторы.
4. Качественной заменой алюминиевому изделию является стальной аналог. Обладая немного меньшим коэффициентом теплоотдачи, стальное изделие для обогрева комнат в доме имеет небольшой вес, низкую инерционность, привлекательный внешний вид и доступную цену.
5. Неплохой вариант для всех систем отопления – медная батарея. Но покупка такого изделия упирается в очень высокую стоимость радиатора.

Ознакомившись с тем, что представляют собой различные радиаторы отопления. Какой лучше прибор выбрать для обогрева частного дома, выяснить не составит особого труда. Если всё же останутся сомнения, то всегда можно получить рекомендации специалистов, которые не только помогут выбрать подходящую отопительную батарею, а и выполнят её монтаж.

Радиаторы и батареи отопления. Большой ассортимент, помощь в рассчете

Как купить батареи отопления в «Tavago»?

Подбирая радиаторы отопления, нужно обращать внимание на показатели тепловой мощности, рабочее давление и тип устройства.

Конечно, далеко не каждый покупатель в состоянии истолковать для себя номинальные значения этих показателей. Не беспокойтесь: мы проконсультируем по всем возникающим вопросам, поможем выбрать и купить батареи отопления с оптимальным потенциалом. Просто позвоните нам по телефону в Москве +7 (495) 777-67-22, и озвучьте Ваши пожелания.
 

Монтаж радиаторов отопления из алюминия и биметалла.

Батареи отопления – разновидности, чем отличаются, какие лучше

Содержание:

Системы отопления

Основные типы радиаторов, используемых в системах отопления

К основным трудностям, сопровождающим эксплуатацию отопительных радиаторов, стоит отнести:
— коррозию, образующуюся на внутренних поверхностях;
— коррозию химического и электрохимического характера;
— гидравлические удары;
— формирование газов радиаторах их алюминия.

Системы отопления

Также одним из значимых моментов во время эксплуатации системы радиаторного отопления является требование, в соответствии с которым она должна быть с постоянным водяным заполнением. Процессы коррозии, происходящие в системе, заполненной воздухом, являются значительно более интенсивными. Пуск отопительной системы должен осуществляться плавно, с постепенным возрастанием имеющегося в ней давления (циркуляционные насосы включаются с помощью частотных преобразователей). Несоблюдение этого требования при пуске системы зачастую приводит к значительным гидравлическим ударам, запросто разрушающим радиатор.

Основные типы радиаторов, используемых в системах отопления

2. Трубчатые стальные радиаторы. Интерес к таким радиаторам определяется довольно высоким уровнем дизайнерского подхода и гигиеничностью, присущей данным приборам. В нашей стране можно найти стальные радиаторы марок Zehnder, Arbonia, Kermi, а также радиаторы некоторых производителей из Италии. Для трубчатых радиаторов не существует проблем, связанных с давлением, однако толщина металла не превосходит 1,5 мм, что, к большому сожалению, не дает основания для длительного оптимизма по отношению к их использованию в современных городских домах. Отечественные трубчатые стальные радиаторы с внутренним полимерным антикоррозийным покрытием и дизайном, превосходящим дизайн лучших европейских производителей, практически не имеют никаких ограничений по их использованию.

3. Чугунные радиаторы для систем отопления. Они практически совершенно невосприимчивы к низкому качеству теплоносителя, что является определяющим фактором в достаточно теплом отношении к ним со стороны отечественных потребителей. Если же учесть наличие на нашем рынке чугунных радиаторов отопления марок DemirDokum (Ridem), Ferroli, имеющих высокое качество литья и совершенный дизайн при очень доступной цене, то интерес к радиаторам из чугуна будет продолжать оставаться высоким. Дизайн местных радиаторов, а также их конструкция в последние несколько лет также поменялись радикальным образом.

4. Алюминиевые отопительные радиаторы. Красивое литье из алюминия, секционность конструкции, небольшой вес, высокая степень теплоотдачи привлекают как специалистов, так и отдельных пользователей.
Отопительные радиаторы из алюминия изготавливаются в двух версиях:
— литые радиаторы из алюминия, где каждый сегмент отливается как единая деталь;
— радиаторы экструзионного типа, где каждая секция включает в себя три элемента, соединенные механическим путем друг с другом. Для герметизации соединений используются уплотнительные элементы или клеевые соединения. Чаще всего монтаж секций осуществляется в виде блоков, включающих в себя 2, 3 и более секций.

5. Биметаллические отопительные радиаторы. Несмотря на, скажем, «алюминиевый» их вид все же необходимо их вывести в отдельную группу радиаторов, чудесно прижившихся в нашем государстве. Итальянский завод Sira производит радиаторы этого типа уже более 30 лет, в России же они эксплуатируются почти 15 лет. Благодаря конструкции этих радиаторов отопления, защищенной патентом Sira, запас прочности многократно превосходит все вероятные давления, имеющегося в системе, а контакт между теплоносителем и алюминием сведен почти к нулю.
Следует также особо отметить оригинальный узел сочленения отопительных секций, позволяющий минимизировать трудозатраты и физические усилия во время их сборки и разборки при высокой надежности соединений. Радиатор RS-Bimetal, являющийся новой разработкой компании Sira, воплотил в себе последние технологические и дизайнерские подходы. Новые варианты биметаллических радиаторов (Global, Сантехпром, Bimex) в настоящий момент проходят испытания в условиях реальной эксплуатации в нашей стране.

7. Конвекторы плинтусного типа. Данные отопительные приборы размещаются не только под оконными проемами. В основном они располагаются вдоль периметра наружных стеновых конструкций, занимая при этом незначительную площадь (до 10 см по глубине и до 20-25 см по высоте).
Их применение типично для североамериканских систем отопления. У нас же американские приборы, имеющие медные трубы и алюминиевое оребрение, продаются уже почти 10 лет.

8. Конвекторы со стальными трубами и стальным оребрением (универсал). В настоящий момент это самый широко используемый прибор отопления в новостройках. В нем привлекает, в первую очередь, его довольно невысокая цена (без терморегулятора). Безусловно, данные приборы имеют очень высокую степень живучести, но их достаточно устаревший дизайн и малая теплоотдача приводят к их замене в массовом порядке.

Батареи отопления: как выбрать и какие лучше? — Батареи отопления — Тепло — Статьи и исследования

17.05.2011

Тепло / Батареи отопления

Вас все чаще посещает желание поменять батареи отопления? Но как выбрать эти самые батареи отопления среди огромного множества предлагаемых в торговых точках? Вариантов несколько — спросить у друзей, спросить у сантехника, проконсультироваться в торговой точке торгующей теплотехникой. И, наверняка, вы получите большое количество самых разных ответов. Друг скажет — я поставил классный «алюминий». Сантехник скажет — нет ничего лучше «чугуна». А в фирме начнут рассказывать про чудовищное давление в 40-50 атмосфер которое выдерживает «биметалл» (будто это глубоководный батискаф, а не батарея отопления. Так какой, все таки, отопительный прибор выбрать?

Попробую помочь, объяснить просто и доступно, не вдаваясь глубоко в технические подробности, и не щеголяя без надобности различными техническими терминами.

И так, для начала, какие бывают батареи отопления (по научному отопительные приборы). Их огромное множество попробую перечислить самые распространенные. Это конечно, прежде всего, чугунные радиаторы. Cледующие по распространенности это пожалуй

различные конвекторы. Нельзя не упомянуть самые сейчас модные алюминиевые радиаторы. Последняя новинка это биметаллические радиаторы.Кроме того существуют стальные пластинчатые радиаторы и стальные трубчатые. Отдельную позицию занимают различные дизайнерские изделия. Ну, и, пожалуй, к отопительным приборам можно отнести такие изделия как полотенцесушители.

Теперь о самом выборе. К нему надо отнестись очень тщательно. Нет однозначного ответа. Все зависит от условий и целей установки отопительных приборов. В наиболее льготном положении находятся владельцы частных домов, они могут устанавливать практически любые отопительные приборы. А мы сейчас разберем наиболее часто встречающуюся ситуацию — это замена батарей отопления в квартире многоквартирного дома.

Итак, вы, наконец, решились поменять батареи, и пошли в магазин. Что может (а точнее должен) спросить у Вас продавец? Конечно же узнать, живете вы в квартире или частном доме(коттедже). После этого продавец должен задать казалось бы странный вопрос, о том какие батареи у вас стояли (не подумайте, что у продавца разыгралось нездоровое любопытство). От того, что “стояло” зависит, что можно ставить.

Теперь о том, что можно ставить. Тут выбор несколько ограничен, прежде всего, сразу отпадают стальные пластинчатые радиаторы — они абсолютно не держат гидроудар, а гидроудары в наших системах отопления вещь обыденная. Если строители в Вашей новой квартире решили сэкономить и поставили такие радиаторы, постарайтесь их поменять пока не затопили соседей.

И у нас остаются: чугунные радиаторы и стальные трубчатые. Но последние, пожалуй, тоже стоит отбросить — это вещь дизайнерская, и для широкого применения не подходит. Кроме того, у импортных трубчатых радиаторов очень тонкие стенки и долго в наших условиях такие радиаторы не проживут (ну не понимают иностранцы какая у нас вода). Правда такие радиаторы идеально подходят для определенных учреждений, например медицинскх.

Кроме выше перечисленных «право на жизнь» имеют различные конвекторы, а так же алюминиевые радиаторы и их ближайшие родственники биметаллические радиаторы. И так, у нас получился список из четырех типов отопительных приборов, и каждый из них имеет право на существование.

Чугунные радиаторы

Чугунные радиаторы самые долговечные могут простоять от 30 до 50 лет. Они просто не заменимы когда теплоноситель (вода в трубах отопления), не достаточно горячий (до 50-55 градусов). До 90 процентов энергии чугунные радиаторы отдают за счет инфракрасного излучения (проще говоря, нагревают окружающий их воздух и предметы за счет теплового излучения), имеют большую тепловую инерцию за счет большой массы (до 8 кг.).

Конвекторы

Конвекторы, наоборот, — основную часть тепла отдают за счет конвекции (движения теплого воздуха). Воздух, проходя между горячих пластин конвектора, нагревается, а горячий воздух стремится в верх и чем выше поднимается, тем сильнее нагревается об пластины конвектора и тем выше скорость его движения. Из этого следует, что температура теплоносителя должна быть достаточно высокой (не менее 70 градусов), чтобы достаточно нагреть пластины конвектора.

Алюминиевые радиаторы

Алюминиевые радиаторы объединяют в себе оба способа отдачи тепла. По этому создают наиболее комфортную обстановку в помещении. Благодаря маленькой массе у них низкая тепловая инерция, что позволяет эффективно управлять температурой в помещении, и широко использовать для этой цели автоматику. Температура теплоносителя должна быть довольно высокой (от 60 градусов) — чтобы обеспечить наиболее качественную теплоотдачу алюминиевых радиаторов.

Биметаллические радиаторы

Биметаллические радиаторы — это новинка на российском рынке (да и на мировом рынке тоже). Они вобрали в себя все достоинства алюминиевых радиаторов: высокая теплоотдача, красивый внешний вид, маленький вес и при этом большая прочность, удобство в использовании автоматики и наконец относительная простота установки. Кроме того, в биметаллических радиаторах устранен такой серьезный недостаток алюминиевых радиаторов как высокая требовательность к качеству воды и существенно увеличена долговечность.

Вроде все. Ах, да! Чуть не забыл несколько обещанных советов)

Совет первый

Если у вас в квартире установлены чугунные батареи, выбирать можно между чугунными радиаторами и радиаторами биметаллическими, по причине низкого качества воды в отопительной данной системе (за исключением тех случаев когда замену батарей отопления производят все жильцы дома).

Совет второй

Он вытекает из первого. Если теплоноситель в системе отопления чаще холодный, чем горячий (трубы отопления чуть теплые) ставьте чугунные батареи, они будут греть лучше за счет своей значительной массы. Если теплоноситель горячий (беретесь за трубу отопления — руке горячо) ставьте биметалл. За счет высокой теплоотдачи и как следствие меньшего количества секций это Вам обойдется не намного дороже, но результат будет приятнее.

Совет третий

Если в доме стоят конвекторы, значит вода в системе отопления более менее терпимая по качеству, и можно поставить алюминиевые батареи.

Совет четвертый

Если вы хотите, чтобы Ваши отопительные приборы простояли лет этак 30-40 ставьте чугун или конвекторы.

Источник: советы мастера

Радиаторы Global | Батареи Глобал

В 1971 году братья Фарделли основали в Италии предприятие GLOBAL di Fardelli Ottorino & C. s.a.s. и организовали на нём производство радиаторов отопления. Компания довольно быстро превратилась в одно из ведущих предприятий по разработке и изготовлению надёжных и энергоэкономичных радиаторов. Более 45 лет работы на итальянском и мировом рынках отопительных конструкций позволили разработать собственные производственные схемы и методы контроля качества. На сегодняшний день продукция GLOBAL представлена в более чем 40 странах мира.

GLOBAL учитывает многообразие условий, в которых в России эксплуатируются радиаторы отопления, и предлагает разные типы этих приборов.

• Алюминиевые модели серий Vox и Vox Extra, Iseo и Klass, VIP, GL и Oscar станут отличным выбором для автономной отопительной системы. Их главный плюс — высокая теплоотдача
• Биметаллические модели серий Style, Style Extra, Style Plus и Sfera идеально впишутся в систему централизованного отопления. Они выдерживают большое давление и его резкие перепады, свойственные российскому жилищно-коммунальному хозяйству
• Дизайн-радиаторы серий Ekos и Ekos Plus благодаря своему эффектному виду гармонично впишутся в изысканный интерьер и станут его завершающим штрихом. Элегантность линий удачно сочетается в них с эффективностью и долговечностью

Кроме радиаторов из разных материалов, GLOBAL предлагает алюминиевые полотенцесушители серий Vetta и Junior — модели с отличной теплоотдачей и продуманным дизайном, а также многочисленные комплектующие для отопительных приборов. У вас будет возможность выбора — какими бы ни были ваши потребности.

В России компания работает более 20 лет (с 1994 года). Ключевая особенность производимой продукции заключается в том, что она максимально адаптирована под использование в сетях отопления с нестабильными показателями давления и не самым высоким качеством теплоносителя. Продукция GLOBAL сертифицирована в соответствии со Стандартом системы менеджмента качества ISO 9001:2008, Стандартом системы управления окружающей средой ISO 14001:2004 и в системе ГОСТ России. На все радиаторы GLOBAL предоставляет гарантию 10 лет. Гарантия подтверждена страховым ведущей европейской страховой компании.

Как правильно заменить батареи в квартире / Новости города / Сайт Москвы

Специалисты Мосжилинспекции объяснили, как правильно менять батареи в квартире. В частности, для замены радиаторов необходимо обращаться в управляющую организацию. Вне зависимости от сезона в батареях находится теплоноситель (специально подготовленная техническая вода, очищенная от солей и других примесей, чтобы на стенках труб не скапливались отложения) под давлением, поэтому самостоятельная замена труб может быть опасной.

Когда отопительный сезон заканчивается, вода перестает подаваться нагретой, но остается в системе и предохраняет ее от коррозии. При замене отопительных приборов требуется слить воду из системы отопления (с последующим заполнением).

Для отключения стояков необходимо заранее обратиться в управляющую компанию и написать заявление.

Не все отопительные приборы в квартире считаются собственностью жителей, поэтому их не получится заменить без весомых причин. Собственники квартир отвечают за трубы, которые можно демонтировать без ущерба для всей внутридомовой системы отопления. В этом случае ответвления от стояков оборудованы вентилями или отключающими устройствами, которые позволяют не нарушить циркуляцию теплоносителя во внутридомовой системе. За отопительные приборы общедомового имущества несет ответственность управляющая организация, поэтому при их коррозии, протечке, или аварийном состоянии такие приборы должны отремонтировать или заменить бесплатно.

При выборе новых отопительных приборов рекомендуется также обратиться за помощью в управляющую организацию. Там есть информация о том, какие параметры отопительных приборов предусмотрены для каждой квартиры дома.

Новые отопительные приборы должны соответствовать характеристикам системы отопления, предусмотренным технической документацией на дом.

Рассчитать и сэкономить: в сервисе для передачи показаний счетчиков воды и тепла появились новые функции Как отличить сотрудника коммунальных служб от мошенника

стандартные, высокие, низкие, их межосевое расстояние

Проектирование систем отопления — непростое занятие. Много нужно учесть нюансов: даже выбор размера радиатора требует определенных знаний.

Какими должны быть размеры радиаторов

Выбор габаритов отопительных приборов основывается далеко не на эстетических соображениях. Главную роль тут играет теплоотдача. Особенно это справедливо, если подбирается модель для установки под окном. Нужно так подобрать модель, чтобы соблюсти сразу несколько требований:

• по длине радиатор должен перекрывать не менее 70-75% ширины оконного проема;
• расстояние от пола должно быть 80-120 мм;
• от подоконника 60-120 мм.

  Выбирая размеры радиатора, нужно подбирать их в зависимости от того, насколько высоко расположен подоконник

Только при таких условиях теплоотдача выбранного вами отопительного прибора будет нормальной: он будет выдавать заявленное производителем количество Ватт.

Терминология

Часто в описаниях и спецификациях присутствует понятие «межосевое расстояние». Иногда встречается термин «межниппельное» и «межцентровое» или присоединительные размеры. Это разные названия одной величины. Определяется она как расстояние между центрами входных отверстий секции или радиатора.

Этот параметр важен, если подводящие трубы в нормальном состоянии и менять их нет необходимости. В этом случае, чтобы не переваривать подводку, можно подобрать модель с таким же межосевым расстоянием, как старые радиаторы.

Габаритные размеры самой секции или радиатора описываются следующими параметрами:

• монтажная высота;
• глубина;
• ширина.

Если радиатор имеет секционное строение, то глубина и ширина относятся к размерам секции. Причем глубина радиатора будет такой же, а ширина батареи зависит от требуемого количества секций (нужно добавить еще примерно 1 см на прокладки, которые укладываются для герметичности соединений).

В названиях радиаторов часто присутствуют цифры: РАП-350, Magica 400, Rococo 790 или РАП-500. Цифры — это и есть межосевое расстояние, указанное в миллиметрах. Так легче ориентироваться, и покупателю, и продавцу. Дело в том, что при одинаковом межосевом расстоянии монтажная высота может значительно отличаться. Потому в спецификации ставят самое точное значение.

К параметрам радиатора, которые бывает необходимо учитывать, относится объем воды в секции. Для квартир, подключенных к централизованному отоплению,  эта характеристика ни на что не влияет, а для индивидуальных систем бывает важна: когда требуется рассчитать объем системы (для определения производительности котла или характеристик насоса).

И самый важный, пожалуй, параметр — тепловая мощность. Стоит обратить внимание, что самая большая мощность — это не всегда необходимо. Все чаще в квартирах и домах с хорошей теплоизоляцией требуются отопительные приборы средней мощности, а никак не огромной.

При подборе тепловой мощности одной секции нужно помнить, что радиатор под окном должен перекрывать не менее 75% ширины оконного проема. Тогда и тепло будет в комнате, не будет зон холода и стекло «потеть» не будет. Потому и лучше бывает взять 10 менее мощных секций, чем 6 штук с большой тепловой отдачей.

Стандартная ширина окна — 1100-1200 мм. Соответственно, 75% это 825-900 мм. Вот такой длины или больше должна быть ваша батарея. Забегая немного вперед, скажем, что средняя ширина одной секции алюминиевого радиатора — 80 мм, значит, вам понадобится 10-12 секций.

Стандартная высота

Говоря о стандартной высоте, имеют в виду межосевое расстояние 500 мм. Именно такие присоединительные размеры были у всем известной чугунной «гармошки» советских времен. А так как срок службы у них большой, то до сих пор эти батареи стоят в сетях отопления. Только сейчас их меняют на новые. Причем часто систему не хотят переделывать, вот и ищут отопительные приборы такого же размера. Что хорошо: они есть почти в любой группе.

Чугунные

Из чугуна сегодня делают не только «гармошку», хотя и она есть, и пользуется успехом. Есть еще с межосевым расстоянием 500 мм радиаторы в стиле ретро, выполненные в современном стиле:

Алюминиевые

Размеры алюминиевых радиаторов более стандартизованы. Тут даже можно говорить о средних величинах. При межосевом расстоянии 500 мм средняя высота секции — 570-585 мм. Практически стандартная ширина — 80 мм.  По глубине есть варианты. Есть практически плоские: радиаторы российского производства «Термал» имеют глубину всего  52 мм. Это самые плоские алюминиевые батареи. У всех других она 80-100 мм.

Биметаллические

Тут ситуация еще более стандартная. Плоских радиаторов в этой категории не нашлось. В среднем габариты такие: ширина 80-87 мм, глубина 80-95 мм, высота 565-575 мм.

Стальные

Стальные панельные радиаторы редко выпускаются с межосевым расстоянием 500 мм. Но все-таки, есть и такие. Например, кампания Kermi специально под замену сделала такие подсоединительные размеры: есть они в линейке Plan-K и Profil -K. Есть радиаторы стандартного размера и у российского производителя «Конрад»: модель РСВ-1.

Трубчатые радиаторы радуют обилием моделей и размеров. Тут довольно легко найти требуемые размеры. Есть у российского производителя КЗТО, есть у европейцев. В этой категории больше оперируют общей высотой  — монтажной, так как многие предпочитают нижнее подключение.

Высокие и узкие

Высокие радиаторы даже в обычном исполнении смотрятся необычно. А если его еще покрасить в нестандартный цвет, придать необычную форму, скомпоновать с зеркалом или полочкой, получается вообще, больше похоже на дизайнерскую вещь, чем на банальный отопительный прибор.

Сразу огорчим любителей чугуна: самый высокий чугунный радиатор — это в районе метра. Выше не встречали. То же самое можно сказать о биметаллических — выше метра они не бывают. И вообще, все что есть в биметалле — это 760-860 мм или около того.

Стальные панельные батареи в стандартном исполнении идут высотой до 900 мм. Но есть и специальные модели, которые могут достигать двух метров и выше. Например у  Kermi есть две модели Verteo Plan и Verteo Profil — максимально они могут быть до 2,2 м. Есть гиганты и у  Purmo: Kos V, Faros V, Tinos V, Narbonne V и VT, Paros V. Они отличаются типом лицевой панели (гладкая или профилированная) и глубиной. Но у всех у них только нижнее подключение.

Стальные трубчатые радиаторы есть высотой до 3000 мм. Причем, если нужно, некоторые производители могут сделать выше. Есть высокие модели у любого производителя: все, кто присутствует на рынке, предлагают «под заказ» такие нестандартные варианты. Тут перечислим только наиболее интересные с точки зрения дизайна:  Entreetherm, Planterm у «Арбонии», серия Dekor у «Керми», «Гармония» у российского КЗТО, Charleston у «Зендера».

В других типах высоких радиаторов нет. Выбор и так, нужно сказать, немалый. Не растеряться бы.

Все отопительные приборы, межосевое расстояние которых меньше 400 мм можно считать низкими. И тут предлагают много разных моделей.

В группе чугунных минимальное межосевое расстояние у модели BOLTON 220 с монтажной высотой 330 м, чуть выше Hellas 270 от Viadrus: она имеет монтажную высоту 340 мм. Все остальные — более высокие — с межосевым расстоянием 300-350 мм или около того.

Среди алюминиевых радиаторов самые маленькие есть у фирмы Sira их монтажная высота 245 мм, а межосевое — 200 мм. Это модели Alux и Rovall с глубиной 80 мм м 100 мм. Аналогичных габаритов есть модели у  другого известного производителя Global (Глобал)  — модель Gl-200/80/D и у  российского «Рифара» — это «Бэйс 200» и «Форза 200».

Алюминиевые батареи чуть большего размера (с межосевым 300 мм и больше) есть у всех производителей. Тут выбор широкий.

Биметаллические низкие радиаторы есть у тех же Rifar и  Sira: высота 245 мм и 264 мм соответственно.  Но больше всего моделей с присоединительными габаритами 350 мм. Они есть у любого производителя. Такое расстояние тоже, собственно, можно отнести к стандартным — оно есть у всех.

Еще больше выбор в группе стальных радиаторов. Самые маленькие панельные выпускает фирма Purmo — Purmo Planora и Ramo Compact — их межосевое расстояние 150 мм, а высота 200 мм.

У всех остальных производителей высота стартует от 300 мм. Причем длина может быть до 3 метров (шаг ее изменения — 100 мм).

Трубчатые радиаторы тоже есть очень маленькие: от 150 мм размеры Delta Laserline (производитель Purmo). У  Arbonia высота всех моделей трубчатых радиаторов начинается от 180 мм, у  Zehnder от 190 мм (модель Charleston), у российского КЗТО от 300 мм.

Есть низкие радиаторы медные и медно-алюминиевые. Они выпускаются в основном небольших габаритов — мощность у них большая, да и цена тоже немаленькая. Самые низкие модели есть такие: украинская «Термия» — высота от 200 м,  польские Regulus-sistem — все модели высотой от 215 мм; российский «ИзоТерм» — от 215 мм; китайский Mars  (секционного типа) с высотой от 385 мм.

И самыми низкими можно считать встраиваемые в пол конвекторы. Они вообще не выступают над уровнем пола, а ставятся для отопления сплошного остекления, или встраиваются в подоконники панорамных окон. Есть они разной мощности и назначения, могут использоваться как дополнительное или основное отопление.

Плоские радиаторы

В некоторых случаях играет роль не высота, а глубина радиаторов: нужны плоские батареи. Тут выбор не очень большой.

Малой глубины алюминиевые радиаторы  выпускает Златоустовский «Термал». Их модели РАП 500 и РАП 300 имеют глубину 52 мм, тепловая мощность при этом приличная — 161 Вт и 105 Вт.

Плоскими можно считать панельные радиаторы: они в зависимости от количества нагревательных панелей имеют глубину от 60 мм. Тоже толщина небольшая.

Небольшая глубина бывает у трубчатых стальных радиаторов: двухтрубные делают толщиной от 50 мм, трехтрубные от 100 мм до 110 мм, все остальные уже солиднее — от 135 мм и больше.

Ни биметалл, ни, тем более чугун, плоским не бывает. Зато есть очень неплохой и совершенной плоский тип отопления — теплый плинтус. При такой системе отопительные приборы располагаются вдоль пола по периметру. Их размеры при этом — около 30 мм глубины и 100-120 мм высоты.

Итоги

Разнообразие отопительных приборов позволяет выбрать вариант для любых условий: есть не только стандартные размеры, но и низкие, высокие, плоские. На любой вкус и цвет.

Управление температурным режимом батареи

Температурные эффекты

Пределы рабочих температур

Все батареи зависят от своего действия в электрохимическом процессе, будь то зарядка или разрядка, и мы знаем, что эти химические реакции в некотором роде зависят от температуры.Номинальная производительность батареи обычно указывается для рабочих температур где-то в диапазоне от + 20 ° C до + 30 ° C, однако фактическая производительность может существенно отличаться от этого, если батарея эксплуатируется при более высоких или более низких температурах. См. «Температурные характеристики» для получения типичных графиков производительности.

Закон Аррениуса говорит нам, что скорость, с которой протекает химическая реакция, увеличивается экспоненциально с повышением температуры (см. Срок службы батареи).Это позволяет получать больше мгновенной энергии от батареи при более высоких температурах. В то же время более высокие температуры улучшают подвижность электронов или ионов, уменьшая внутренний импеданс ячейки и увеличивая ее емкость.

В верхней части шкалы высокие температуры могут также вызвать нежелательные или необратимые химические реакции и / или потерю электролита, что может вызвать необратимое повреждение или полный выход батареи из строя. Это, в свою очередь, устанавливает верхний предел рабочей температуры для аккумулятора.

В нижней части шкалы электролит может замерзнуть, что приведет к ограничению низкотемпературных характеристик. Но значительно выше точки замерзания электролита производительность батареи начинает ухудшаться, поскольку скорость химической реакции снижается. Даже если батарея может работать при температурах до -20 ° C или -30 ° C, производительность при 0 ° C и ниже может быть серьезно снижена.

Также обратите внимание, что нижний рабочий предел температуры батареи может зависеть от ее состояния заряда.Например, в свинцово-кислотном аккумуляторе по мере разряда аккумулятора сернокислый электролит становится все более разбавленным водой, и его точка замерзания соответственно увеличивается.

Таким образом, аккумулятор необходимо поддерживать в ограниченном диапазоне рабочих температур, чтобы можно было оптимизировать как емкость заряда, так и срок службы. Поэтому для практической системы может потребоваться как нагрев, так и охлаждение, чтобы поддерживать ее не только в рабочих пределах, указанных производителем батареи, но и в более ограниченном диапазоне для достижения оптимальной производительности.

Управление температурным режимом заключается не только в соблюдении этих ограничений. Батарея подвержена нескольким одновременным внутренним и внешним тепловым воздействиям, которые необходимо контролировать.

Электрический нагрев (Джоулев нагрев)

При работе любой батареи выделяется тепло из-за потерь I ² R, поскольку ток течет через внутреннее сопротивление батареи, независимо от того, заряжается она или разряжается.Это также известно как Джоулев нагрев. В случае разряда общая энергия в системе фиксирована, а повышение температуры будет ограничено доступной энергией. Однако это все еще может вызвать очень высокие локальные температуры даже в батареях с низким энергопотреблением. Во время зарядки такое автоматическое ограничение не применяется, поскольку нет ничего, что могло бы помешать пользователю продолжать перекачивать электроэнергию в аккумулятор после того, как он полностью зарядился. Это может быть очень рискованная ситуация.

Разработчики аккумуляторов стремятся поддерживать внутреннее сопротивление элементов на минимально возможном уровне, чтобы минимизировать тепловые потери или тепловыделение внутри аккумулятора, но даже при сопротивлении элементов всего 1 миллиОм нагрев может быть значительным.См. Примеры в разделе «Влияние внутреннего импеданса».

Термохимический нагрев и охлаждение

Помимо джоулева нагрева, химические реакции, протекающие в ячейках, могут быть экзотермическими, добавляясь к выделяемому теплу, или они могут быть эндотермическими, поглощая тепло в процессе химического воздействия. Поэтому перегрев с большей вероятностью будет проблемой при экзотермических реакциях, в которых химическая реакция усиливает тепло, выделяемое током, а не при эндотермических реакциях, когда ему противодействует химическое воздействие.В аккумуляторных батареях, поскольку химические реакции обратимы, химические вещества, являющиеся экзотермическими во время зарядки, будут эндотермическими во время разряда и наоборот. Так что от проблемы никуда не деться. В большинстве ситуаций Джоулев нагрев будет превышать эффект эндотермического охлаждения, поэтому меры предосторожности все же необходимо принимать.

Свинцово-кислотные аккумуляторы экзотермичны во время зарядки, а аккумуляторы VRLA склонны к тепловому разгоне (см. Ниже). NiMH-элементы также являются экзотермическими во время зарядки, и по мере приближения к полной зарядке температура элемента может резко повыситься.Следовательно, зарядные устройства для никель-металлгидридных элементов должны быть спроектированы так, чтобы определять это повышение температуры и отключать зарядное устройство, чтобы предотвратить повреждение элементов. Напротив, никелевые батареи с щелочными электролитами (NiCad) и литиевые батареи эндотермичны во время зарядки. Тем не менее, тепловой разгон все еще возможен во время зарядки этих аккумуляторов, если они подвержены перезарядке.

Термохимия литиевых элементов немного сложнее, в зависимости от степени внедрения ионов лития в кристаллическую решетку.Во время зарядки реакция сначала является эндотермической, а затем переходит в слегка экзотермическую в течение большей части цикла зарядки. Во время разряда реакция обратная, сначала экзотермическая, затем переходящая в слегка эндотермическую на протяжении большей части цикла разряда. Как и в других химических реакциях, эффект джоулевого нагрева больше, чем термохимический эффект, пока ячейки остаются в пределах своих проектных ограничений.

Внешнее тепловое воздействие

Тепловое состояние аккумулятора также зависит от окружающей среды.Если его температура выше температуры окружающей среды, он будет терять тепло из-за теплопроводности, конвекции и излучения. Если окружающая температура выше, аккумулятор будет нагреваться от окружающей среды. Когда температура окружающей среды очень высока, система терморегулирования должна работать очень усердно, чтобы поддерживать температуру под контролем. Одиночный элемент может очень хорошо работать при комнатной температуре сам по себе, но если он является частью аккумуляторной батареи, окруженной аналогичными элементами, которые генерируют тепло, даже если он несет ту же нагрузку, он может значительно превысить свои температурные пределы.

Температура — ускоритель

Конечным результатом термоэлектрических и термохимических эффектов, возможно, усиленных условиями окружающей среды, обычно является повышение температуры, и, как мы отметили выше, это вызывает экспоненциальное увеличение скорости протекания химической реакции. Мы также знаем, что при чрезмерном повышении температуры может произойти много неприятностей

• Активные химические вещества расширяются, вызывая набухание клетки
• Механическая деформация компонентов ячейки может привести к короткому замыканию или разрыву цепи
• Могут происходить необратимые химические реакции, вызывающие необратимое снижение количества активных химикатов и, следовательно, емкости ячейки
• Продолжительная работа при высоких температурах может вызвать растрескивание пластиковых частей ячейки
• Повышение температуры вызывает ускорение химической реакции, повышение температуры еще больше и может привести к тепловому разгоне
• Газы могут выделяться
• Давление внутри ячейки
• Ячейка может в конечном итоге разорваться или взорваться
• Могут выделяться токсичные или легковоспламеняющиеся химические вещества
• Судебные иски последуют за

По иронии судьбы, поскольку инженеры по аккумуляторным батареям стремятся втиснуть все больше и больше энергии во все меньшие объемы, разработчику приложений становится все труднее получить ее снова.К сожалению, большая сила батарей, изготовленных по новой технологии, также является источником их наибольшей слабости.

Теплоемкость объекта определяет его способность поглощать тепло. Проще говоря, для заданного количества тепла, чем больше и тяжелее объект, тем меньше будет повышение температуры, вызванное теплом.

В течение многих лет свинцово-кислотные батареи были одними из немногих источников питания, доступных для приложений большой мощности.Из-за их большого размера и веса повышение температуры во время работы не было большой проблемой. Но в поисках меньших и легких батарей с большей мощностью и плотностью энергии неизбежным следствием является уменьшение тепловой емкости батареи. Это, в свою очередь, означает, что для данной выходной мощности повышение температуры будет выше.

(Это предполагает аналогичный внутренний импеданс и аналогичные термохимические свойства, что не обязательно так.В результате отвод тепла является серьезной инженерной проблемой для батарей с высокой плотностью энергии, используемых в приложениях с высокой мощностью. Разработчики ячеек разработали инновационные методы строительства ячеек, чтобы отводить тепло от ячейки. Разработчики аккумуляторных батарей должны найти столь же инновационные решения, чтобы избавить аккумулятор от тепла.

Подобные конфликты случаются с аккумуляторами электромобилей и сверхвысокого напряжения.Аккумулятор электромобиля большой, с хорошей способностью рассеивать тепло за счет конвекции и теплопроводности и подвержен небольшому повышению температуры из-за своей высокой теплоемкости. С другой стороны, батарея HEV с меньшим количеством ячеек, но каждая из которых имеет более высокие токи, должна выдерживать ту же мощность, что и батарея EV, менее чем на одну десятую размера. Благодаря более низкой теплоемкости и более низким характеристикам рассеивания тепла это означает, что батарея HEV будет подвергаться гораздо более высокому повышению температуры.

Принимая во внимание необходимость поддерживать работу элементов в допустимом температурном диапазоне (см. Срок службы в разделе «Отказы литиевой батареи»), у аккумуляторной батареи электромобиля с большей вероятностью возникнут проблемы, связанные с поддержанием ее тепла на нижнем конце диапазона температур, в то время как аккумулятор HEV с большей вероятностью будет иметь проблемы с перегревом в условиях высокой температуры, даже если они оба рассеивают одинаковое количество тепла.

В случае электромобиля при очень низких температурах окружающей среды самонагрев (нагрев I ² R) за счет протекания тока во время работы, скорее всего, будет недостаточным для повышения температуры до желаемых рабочих уровней из-за большого размера батареи и для повышения температуры могут потребоваться внешние нагреватели. Это может быть обеспечено за счет отвода части емкости батареи на обогрев. С другой стороны, такое же тепловыделение I ² R в аккумуляторной батарее HEV, работающей в высокотемпературных средах, может привести к тепловому разгоне, и необходимо обеспечить принудительное охлаждение.

См. Также Технические характеристики EV, HEV и PHEV в разделе «Тяговые батареи»

Термический побег

Рабочая температура, достигаемая в батарее, является результатом увеличения температуры окружающей среды за счет тепла, выделяемого батареей. Если аккумулятор подвергается чрезмерному току, возникает возможность теплового разгона, что приводит к катастрофическому разрушению аккумулятора.Это происходит, когда скорость выделения тепла внутри батареи превышает ее способность рассеивания тепла. Это может произойти при нескольких условиях:

• Первоначально тепловые потери I ² R зарядного тока, протекающего через элемент, нагревают электролит, но сопротивление электролита уменьшается с температурой, так что это, в свою очередь, приведет к более высокому току, вызывающему еще более высокую температуру, усиление реакции до достижения состояния выхода из-под контроля.
• Во время зарядки зарядный ток вызывает экзотермическую химическую реакцию химических веществ в элементе, которая усиливает тепло, выделяемое зарядным током.
• Или во время отвода тепла, возникающего в результате экзотермического химического воздействия, генерирующего ток, усиливает резистивный нагрев из-за протекания тока внутри элемента.
• Слишком высокая температура окружающей среды.
• Недостаточное охлаждение

Если не будут приняты какие-либо защитные меры, последствия теплового разгона могут привести к расплавлению элемента или повышению давления, что приведет к взрыву или пожару в зависимости от химического состава и конструкции элемента. См. Более подробную информацию в разделе «Неисправности литиевых батарей».

Система терморегулирования должна держать все эти факторы под контролем.

Примечание

Температурный разгон может произойти во время зарядки свинцово-кислотных аккумуляторных батарей с регулируемым клапаном, когда выделение газа запрещено, а рекомбинация способствует повышению температуры. Это не относится к залитым свинцово-кислотным аккумуляторным батареям, поскольку электролит выкипает.

Регуляторы температуры

Отопление

Относительно легко справиться с низкотемпературными условиями эксплуатации.В простейшем случае в батарее обычно достаточно энергии для питания самонагревательных элементов, которые постепенно доводят батарею до более эффективной рабочей температуры, когда нагреватели могут быть отключены. В некоторых случаях достаточно, чтобы аккумулятор не перезаряжался, когда он не используется. В более сложных случаях, например, с высокотемпературными батареями, такими как батарея Zebra, работающая при температурах, значительно превышающих нормальные температуры окружающей среды, может потребоваться некоторый внешний обогрев, чтобы довести батарею до рабочей температуры при запуске, и может потребоваться специальная теплоизоляция для поддержания температуру как можно дольше после выключения.

Охлаждение

Для маломощных батарей достаточно обычных схем защиты, чтобы поддерживать батарею в рекомендуемых пределах рабочих температур. Однако цепи большой мощности требуют особого внимания к управлению температурным режимом.

Проектные цели

• Защита от перегрева —
  В большинстве случаев это просто включает в себя мониторинг температуры и прерывание пути тока, если температура при достижении температурных пределов достигается с использованием обычных схем защиты.Хотя это предотвратит повреждение аккумулятора от перегрева, оно, тем не менее, может отключить аккумулятор до того, как будет достигнут предел допустимой нагрузки по току, что серьезно ограничит его производительность.
• Рассеивание избыточного тепла —
  Удаление тепла из батареи позволяет переносить более высокие токи до достижения температурных пределов. Тепло выходит из батареи за счет конвекции, теплопроводности и излучения, и задача разработчика блока состоит в том, чтобы максимизировать эти естественные потоки, поддерживая низкую температуру окружающей среды, путем обеспечения прочного, хорошего теплопроводящего пути от батареи (с использованием металлических охлаждающих стержней или пластин между ними). ячейки, если необходимо), максимально увеличив площадь его поверхности, обеспечив хороший естественный поток воздуха через или вокруг блока и установив его на проводящей поверхности.
• Равномерное распределение тепла —

Даже несмотря на то, что тепловая конструкция батареи может быть более чем достаточной для рассеивания общего тепла, выделяемого батареей, внутри батареи все же могут быть локализованные горячие точки, которые могут превышать указанные температурные пределы. Это может быть проблемой для ячеек в середине многоячеечной упаковки, которая будет окружена теплыми или горячими ячейками по сравнению с внешними ячейками в упаковке, которые обращены к более прохладной среде.

Температурный градиент аккумулятора может серьезно повлиять на срок его службы. Закон Аррениуса указывает, что с увеличением температуры на каждые 10 ° C скорость химической реакции увеличивается примерно вдвое. Это создает несбалансированную нагрузку на элементы в батарее, а также усугубляет любой возрастной износ элементов. См. Также «Взаимодействие между ячейками и балансировка ячеек».

Разделение ячеек во избежание этой проблемы увеличивает объем упаковки.Для выявления потенциальных проблемных участков может потребоваться тепловидение.

Пассивное рассеяние можно еще больше улучшить, установив ячейки в блок из теплопроводящего материала, который действует как теплоотвод. Теплопередача от ячеек может быть максимизирована, если для этой цели используется материал с фазовым переходом (PCM), поскольку он также поглощает скрытую теплоту фазового перехода при переходе из твердого в жидкое состояние. Находясь в жидком состоянии, конвекция также вступает в игру, увеличивая потенциал теплового потока и выравнивая температуру в аккумуляторной батарее.Для этого применения доступны графитовые губчатые материалы с высокой проводимостью, пропитанные воском, который поглощает дополнительное тепло, когда температура достигает точки плавления.

• Минимальная прибавка к весу —
  Для приложений с очень высокой мощностью, таких как тяговые батареи, используемые в электромобилях и HEV, естественного охлаждения может быть недостаточно для поддержания безопасной рабочей температуры, и может потребоваться принудительное охлаждение. Это должно быть последним средством, поскольку это усложняет конструкцию батареи, увеличивает ее вес и потребляет электроэнергию.Однако, если принудительное охлаждение неизбежно, первым выбором будет принудительное воздушное охлаждение с помощью вентилятора или вентиляторов. Это относительно просто и недорого, но теплоемкость теплоносителя, воздуха, который предназначен для отвода тепла, относительно мала, что ограничивает его эффективность. В худшем случае может потребоваться жидкостное охлаждение.
  Для очень высоких скоростей охлаждения требуются рабочие жидкости с более высокой теплоемкостью. Вода обычно является первым выбором, поскольку она недорогая, но можно использовать и другие жидкости, такие как этиленгликоль (антифриз), которые имеют лучшую теплоемкость.Вес охлаждающей жидкости, насосы для ее циркуляции, рубашки охлаждения вокруг ячеек, трубопроводы и коллекторы для транспортировки и распределения охлаждающей жидкости, а также радиатор или теплообменник для ее охлаждения — все это значительно увеличивает общий вес, сложность и стоимость. батареи. Эти штрафы вполне могут перевесить выгоды, которые могут быть достигнуты за счет использования химического состава батарей с высокой плотностью энергии.

Рекуперация тепла

В некоторых приложениях, например в электромобилях, как указано выше, есть возможность использовать отработанное тепло для обогрева салона, и большинство автомобильных систем включают в себя некоторую форму интеграции управления температурным режимом аккумуляторной батареи с системами климат-контроля транспортного средства.Однако это полезно только в холодную погоду. В жарком климате высокая температура окружающей среды ложится дополнительным бременем на управление температурным режимом батареи.

Новая тепловая батарея может изменить правила хранения возобновляемой энергии

Новая тепловая батарея аккумулирует тепло из возобновляемых источников энергии.

Компания из Южной Австралии представила первое в мире действующее устройство для тепловой энергии (TED). Создатели TED сообщают, что аккумулятор может хранить возобновляемую энергию, имеет большую емкость, чем традиционные аккумуляторы, и полностью пригоден для вторичной переработки.

Термобатарея имеет те же функции, что и литий-ионные и свинцово-кислотные батареи; он может принимать любую форму электрического входа и создавать переменный ток (AC) или постоянный ток (DC).

В отличие от существующих батарей, он может заряжаться и разряжаться одновременно, по словам Сержа Бондаренко, генерального директора CCT Energy Storage. И вместо того, чтобы накапливать электрический заряд, он преобразует подводимый электрический ток в тепло.

«Это устройство, которое принимает любую форму электрического входа на входе и преобразует его в тепловую энергию», — объясняет он. «Мы используем кремний в качестве материала с фазовым переходом, плавим его и накапливаем тепло».

Емкость теплового аккумулятора в 12 раз больше, чем у свинцово-кислотных аккумуляторов, и он может хранить в пять-шесть раз больше энергии, чем литий-ионный.«Таким образом, емкость хранилища значительно выше, чем то, что мы видим сейчас у традиционных аккумуляторных устройств хранения на рынке», — говорит Бондаренко.

Признавая, что у всех технологий есть свои проблемы, Бондаренко по-прежнему считает, что у них есть конкурентное преимущество. Их тепловые батареи значительно дешевле свинцово-кислотных и литий-ионных.

По его оценкам, срок службы батареи составит не менее 20 лет, но им еще предстоит проверить это. Бондаренко объясняет, что характеристики кремниевого материала с фазовым переходом не ухудшаются, поэтому он может служить еще дольше.

По истечении срока службы аккумулятор можно перерабатывать, не оставляя вредных химикатов в окружающей среде.

Доктор Маникам Минакши, эксперт по материалам для хранения энергии в Университете Мердока в Западной Австралии, работает с литий-ионными батареями, которые накапливают энергию в виде химического вещества.

Минакши признает, что, хотя все устройства накопления энергии имеют достоинства и ограничения, тепловые батареи имеют более длительный срок службы и большую емкость, чем литий-ионные.

«Солнечная энергия — самая распространенная возобновляемая энергия, — добавляет он, — и любая избыточная энергия может храниться в виде тепловой энергии и высвобождаться при необходимости».

Комментируя новую батарею, он говорит: «Это новое открытие, обеспечивающее альтернативный способ разумного хранения возобновляемой энергии».

TED был впервые разработан в 2011 году группой ученых и инженеров. Сейчас компания работает с исследователями из Университета Южной Австралии, чтобы снизить температуру плавления кремниевой подложки, что еще больше снизит конечную стоимость батареи.

«Это отличное сотрудничество», — говорит Бондаренко, добавляя, что две группы учатся друг у друга. Исследователи из университета довели температуру материала с фазовым переходом до 900 градусов по Цельсию, в то время как команда CCT теперь определила температуру кремния до 1600 градусов (2912 градусов по Фаренгейту).

Эндрю Робинсон, генеральный директор CCT Energy Storage, с устройством тепловой энергии (TED)

Следующий шаг — запуск прототипа в поле.Технология масштабируема, поэтому имеет большой потенциал для крупномасштабного хранения энергии. Для начала компания нацелена на «низко висящие плоды» — телекоммуникации и замену дизельного топлива.

Они заключили принципиальное соглашение с крупным владельцем активов в телекоммуникационной отрасли Австралии, который присутствует в Новой Зеландии и США. Батарея будет введена в эксплуатацию на нераскрытом участке в течение следующего месяца или около того.

Они также стали партнерами MIBA Solutions в Европе.MIBA предлагает несколько экологически чистых продуктов, в том числе усовершенствованный зеркальный трекер, который концентрирует солнечное тепло с помощью зеркал.

Устройство занимает только круг диаметром 8 метров, что значительно снижает площадь, занимаемую типичным фотоэлектрическим объектом. Кроме того, он более эффективен, он может вращаться, следуя за солнцем, и переворачиваться вверх дном, чтобы избежать скопления пыли.

Тепло, которое он генерирует, может быть напрямую переведено на TED. «Так что это партнерство, заключенное на небесах», — говорит Бондаренко. «На самом деле решение с точки зрения общих затрат на непрерывную работу очень хорошее.”

Обе компании поделят свои экспонаты на конференции по возобновляемой энергии и хранению в Риме в конце мая.

CCT Energy Storage подписала соглашение, дающее MIBA Solutions эксклюзивные права на производство, строительство и распространение тепловых батарей в Дании, Швеции и Нидерландах.

Бондаренко также планирует использовать совместную технологию, чтобы помочь отдаленным общинам избавиться от зависимости от дизельных генераторов. Чтобы проверить это, у них на рассмотрении есть проект по оказанию помощи изолированному сообществу на северо-западе Австралии «отключиться от сети».

Кроме того, они собираются подписать лицензию на распространение с крупным проектом экологического жилья в Великобритании, чтобы внести свой вклад в достижение целей устойчивого развития, не связанных с сетью.

«Они используют энергию из возобновляемых источников для местных жителей», — поясняет Бондаренко. «И какую энергию они не используют, они сами возвращают в сеть или продают другим. Так что сообщества в основном будут использовать аккумуляторные батареи ».

Бондаренко говорит, что он в восторге от возможностей.«Это действительно меняет мир».

Раскрытие информации: Натали — старший научный сотрудник Университета Южной Австралии. Она обнаружила их связь с CCT Energy Storage во время интервью с Сержем Бондаренко и не связана ни с командой, ни с проектом .

Самонагревающийся аккумулятор с быстрой зарядкой делает электромобили невосприимчивыми к климатическим изменениям.

UNIVERSITY PARK, PA. — Калифорнийцы не покупают электромобили, потому что они крутые, они покупают электромобили, потому что живут в теплом климате.Обычные литий-ионные батареи не могут быть быстро заряжены при температуре ниже 50 градусов по Фаренгейту, но теперь команда инженеров Пенсильванского университета создала батарею, которая может самонагреваться, что позволяет быстро заряжаться независимо от внешнего холода.

«Электромобили популярны на западном побережье, потому что погода благоприятная, — сказал Сяо-Гуан Ян, доцент кафедры машиностроения в Пенсильвании. «Как только вы переместите их на восточное побережье или в Канаду, возникнет огромная проблема.Мы продемонстрировали, что аккумуляторы можно быстро заряжать независимо от температуры окружающей среды ».

Когда владельцы могут заряжать автомобильные аккумуляторы за 15 минут на зарядной станции, заправка электромобиля становится почти эквивалентной заправке бензином по времени. Если предположить, что зарядные станции размещены достаточно широко, водители могут избавиться от «беспокойства по поводу дальности» и без проблем проезжать большие расстояния.

Ранее исследователи разработали батарею, которая могла саморазогреваться, чтобы избежать потери мощности ниже нуля.Теперь тот же принцип применяется к батареям, чтобы обеспечить быструю зарядку за 15 минут при всех температурах, даже до минус 45 градусов F.

В самонагревающейся батарее используется тонкая никелевая фольга, один конец которой прикреплен к отрицательной клемме, а другой выходит за пределы ячейки, образуя третью клемму. Датчик температуры, прикрепленный к переключателю, заставляет электроны проходить через никелевую фольгу, замыкая цепь, когда температура ниже комнатной. Это быстро нагревает никелевую фольгу за счет резистивного нагрева и нагревает внутреннюю часть батареи.Как только внутренняя температура батареи становится выше комнатной, переключатель размыкается, и электрический ток течет в батарею, чтобы быстро зарядить ее.

«Уникальной особенностью нашего элемента является то, что он нагревается, а затем автоматически переключается на зарядку», — сказал Чао-Ян Ван, Чао-Ян Ван, заведующий кафедрой машиностроения Уильяма Э. Дифендерфера, профессор химической инженерии и профессор кафедры машиностроения. материаловедение и инженерия, директор Центра электрохимических двигателей.«Кроме того, уже существующие станции не нужно менять. Управление выключением нагрева и зарядки осуществляется внутри батареи, а не зарядных устройств».

Исследователи сообщают о результатах испытаний своего прототипа в выпуске Proceedings of the National Academy of Sciences на этой неделе. Они обнаружили, что их самонагревающаяся батарея может выдержать 4500 циклов 15-минутной зарядки при 32 градусах по Фаренгейту с потерей только 20 процентов емкости. Это обеспечивает примерно 280000 миль вождения и срок службы 12.5 лет, больше, чем у большинства гарантий.

Обычный аккумулятор, испытанный в тех же условиях, потерял 20 процентов емкости за 50 циклов зарядки.

разлагаются при быстрой зарядке при температуре ниже 50 градусов по Фаренгейту, потому что литий, вместо того, чтобы плавно интегрироваться с угольными анодами, осаждается в виде шипов на поверхности анода. Это литиевое покрытие снижает емкость элементов, но также может вызвать скачки напряжения и небезопасное состояние батареи. В настоящее время длительная и медленная зарядка — единственный способ избежать литиевого покрытия при температуре ниже 50 градусов по Фаренгейту.

Батареи, нагретые выше порогового значения для литиевого покрытия, будь то температура окружающей среды или внутренний нагрев, не будут иметь литиевого покрытия и не будут терять емкость.

«Этот повсеместный метод быстрой зарядки также позволит производителям использовать батареи меньшего размера, которые легче и безопаснее в автомобиле», — сказал Ван.

Также над этим проектом работали Гуаншэн Чжан, бывший научный сотрудник по машиностроению, и Шанхай Ге, доцент кафедры машиностроения, Penn State.

Департамент охраны окружающей среды Пенсильвании, EC Power, LLC и Министерство энергетики США поддержали эту работу. Ван является основателем и техническим директором компании EC Power, LLC.

может победить зимние невзгоды

В 1990-е годы коммерциализация литий-ионных (литий-ионных) батарей открыла новую эру инноваций. Этот революционный источник питания позволил разрабатывать новые продукты, начиная от мобильной бытовой электроники и заканчивая электромобилями и сложными военными и медицинскими приложениями.Сегодня литий-ионные батареи по-прежнему играют фундаментальную роль в сотнях продуктов, которые ежедневно затрагивают нашу жизнь.

По иронии судьбы, многие продукты, которые стали возможными благодаря этому революционному источнику питания, теперь предъявляют требования, которые раскрывают ограничения литий-ионных аккумуляторов. Сегодня потребители ожидают, что следующее поколение устройств, носимых устройств и других продуктов будет меньше, безопаснее и долговечнее. Литий-ионные аккумуляторы создают несколько проблем для инженеров-конструкторов, которым поручено разработать новую волну миниатюрной бытовой электроники.

Для этих небольших приложений серебро-цинк оказывается чрезвычайно привлекательной альтернативой литий-ионным батареям и батареям другого химического состава. Это особенно актуально для производителей и инженеров-конструкторов, которые занимаются четырьмя ключевыми областями:

• Плотность энергии и время работы
• Безопасность
• Нормативно-отгрузочная сложность
• Срок службы прибора и право на ремонт

В этих важнейших областях серебро-цинк обеспечивает атрибуты, необходимые для разработки более безопасных, долговечных и более прочных миниатюрных продуктов.

Плотность энергии: больше энергии в меньшем пространстве

В то время как литий-ионный источник питания по-прежнему будет предпочтительным источником питания для многих продуктов, производители, сталкивающиеся с потребностями в устройствах меньшего размера, найдут желанную альтернативу в серебре и цинке. Из-за своей конструкции серебро-цинк обеспечивает более высокую плотность энергии в элементах небольшого размера — свойство, на которое Li-ion не может претендовать.

Серебро-цинк имеет такую ​​же плотность энергии, что и литий-ионные батареи размером более 250 мм. ³ .Реальное преимущество серебра и цинка становится очевидным в устройствах, требующих батарей меньшего размера. По мере уменьшения доступного пространства плотность энергии литий-ионных аккумуляторов резко падает из-за их намотанной конструкции «желеобразный валок», полости оправки и более низкой плотности тока электродов (рис. 1) .

1. Благодаря плоской конструкции серебряно-цинковых батарей плотность энергии остается пропорциональной при уменьшении размера. Наличие полости оправки в литий-ионных батареях означает, что при уменьшении размера батареи активный материал составляет пропорционально меньшую площадь батареи.В результате плотность энергии существенно снижается.

При уменьшении размера серебряно-цинковые батареи обеспечивают более высокие значения плотности энергии и более длительное время работы, чем любые другие батареи в том же диапазоне объемов (3) (Рис. 2) . Например, ZPower разработала микробатареи с плотностью около 340 ватт-часов на литр (Втч / л) при размере 156 мм. ³ . При запланированном увеличении использования электродов эти микробатареи будут иметь удельную энергию 370 Втч / л к концу 2019 года и 400 Втч / л в 2021 году.

2. По мере уменьшения объема микробатареи серебро-цинк сохраняет высокую плотность, в то время как плотность энергии литий-ионных аккумуляторов быстро падает.

Безопасность: решение горячей промышленной проблемы

В последние годы инциденты, связанные с безопасностью литий-ионных аккумуляторов, привлекли внимание как средств массовой информации, так и юридических лиц: мобильные телефоны перегреваются, ноутбуки начинают таять. Эти истории более чем анекдотичны. Взрыв литий-ионных аккумуляторов в устройствах для электронных сигарет за последние два года отправил более 2000 человек в отделения неотложной помощи.По данным FAA, в 2018 году в результате возгорания литий-ионных аккумуляторов один коммерческий рейс в США был остановлен примерно каждые 10 дней.

Несмотря на то, что выход из строя литий-ионных аккумуляторов маловероятен, с увеличением количества устройств с литий-ионным питанием на рынке даже небольшая частота отказов может иметь серьезные последствия. В 2006 году инцидент с поломкой 1 из 200 000 вызвал отзыв почти шести миллионов устройств, когда микроскопические частицы металла вступили в контакт с другими частями аккумуляторной батареи, что привело к короткому замыканию.Отзыв об этом не только влияет на прибыльность производителя, но также может вызвать у потребителей опасения по поводу качества и безопасности продукции бренда.

В серебряно-цинковых батареях используется химический состав на водной основе, который не представляет опасности возгорания или перегрева. Это особенно актуально в таких приложениях, как носимые, наушники, медицинские устройства, военные устройства на теле и другие технологии, которые находятся в тесном контакте с пользователем.

Безопасность химического соединения серебра и цинка также обеспечивает преимущества конструкции.Серебряно-цинковые батареи не требуют дополнительных цепей безопасности, необходимых для всех литий-ионных батарей. Это освобождает ценное пространство для дизайна, что, в свою очередь, позволяет создавать устройства меньшего размера.

Правила доставки: серебро-цинк получает свои крылья

Размер и безопасность — не единственные недостатки литий-ионных аккумуляторов для производителей. Из-за своего химического состава литий-ионный аккумулятор также создает препятствия, которые могут повлиять на доставку, стоимость и удобство.

Недавние правила перевозки наложили существенные ограничения на транспортировку литий-ионных аккумуляторов.При отгрузке оптом небольшие литий-ионные аккумуляторы классифицируются как опасные грузы и могут нести не более 30% заряда во время авиаперевозки. Это может привести к разрядке батарей, что, в свою очередь, может повлиять на производительность устройства после установки. Правила транспортировки литий-ионных аккумуляторов также включают множество требований к упаковке, маркировке и обращению.

Ограничения сохраняются в отношении небольших партий и бывших в употреблении устройств. Например, поврежденные литий-ионные аккумуляторы нельзя отправлять по воздуху ни при каких обстоятельствах, что может привести к задержкам и неудовлетворенности клиентов, возвращающих устройство для ремонта.Это может быть еще более серьезной проблемой для тех, у кого есть военное и медицинское оборудование, которое может срочно нуждаться в замене или ремонте. Ограничения на доставку литий-ионных аккумуляторов распространяются даже на потребительский уровень. Федеральные правила запрещают авиапассажирам путешествовать с запасными или сменными аккумуляторами в зарегистрированном багаже.

Вскоре к транспортировке литий-ионных аккумуляторов могут быть предъявлены дополнительные требования для дальнейшего устранения опасностей, связанных с дымом, огнем, горючими газами или взрывом, когда элемент в упаковке подвергается тепловому разгону.

Напротив, на серебро-цинк не распространяются никакие ограничения на транспортировку или транспортировку. Поскольку они менее токсичны и негорючие, серебристо-цинковые батареи рассматриваются в том же свете, что и другие щелочные батареи. Они могут быть доставлены по всему миру без ограничений или специальной упаковки. Это не только улучшает время отклика и удобство, но также снижает риски, затраты и логистическую сложность в цепочке поставок.

Срок службы устройства: серебро-цинк преодолевает расстояние

Проблемы безопасности литий-ионных аккумуляторов влияют не только на способ транспортировки аккумуляторов, но и на конструкцию устройств.Дизайнеры делают невозможным разборку продуктов, чтобы защитить потребителей от травм из-за литий-ионных батарей внутри них. Устройства, разработанные таким образом, не могут быть отремонтированы кем-либо, кроме производителя, если они вообще могут быть отремонтированы.

Дело в том, что все батареи начинают терять емкость при первой зарядке, и эта потеря емкости продолжается с каждым циклом зарядки. Каждый, кто владеет мобильным телефоном с литий-ионным питанием, сталкивался со временем, когда эта батарея разряжалась.Клиенты, владеющие устройствами с батареями, которые больше не держат заряд, должны отправить свое устройство обратно и оплатить замену батареи, если это возможно, или приобрести новое устройство.

Фактически, проблемы, порождаемые этим методом проектирования, достигли такого уровня видимости, что теперь вмешивается правительство. Восемнадцать штатов приняли законы, касающиеся «права пользователей на ремонт» своих электронных устройств. Самая крайняя форма законодательства была принята в штате Вашингтон, где в настоящее время рассматривается законопроект, полностью запрещающий продажу электронных устройств, у которых нет легко снимаемых батарей.

Серебряно-цинковые батареи негорючие и работают от более низкого напряжения, чем литий-ионные. Следовательно, с ними безопасно обращаться и меньше рисков при проглатывании или проглатывании. Из-за их безопасности серебряно-цинковые батареи также могут быть сконструированы так, чтобы их можно было снимать с устройства и, таким образом, заменять потребитель. Это продлевает срок службы устройств, улучшает впечатления потребителей и снижает количество электронных отходов.

Большие преимущества для небольших приложений

позволили создать и разработать буквально сотни инновационных электронных продуктов, и они будут продолжать делать это и в будущем.Однако по мере роста спроса на меньшие, более безопасные и более энергоемкие источники питания недостатки литий-ионных аккумуляторов в этих приложениях становятся все более очевидными.

Серебро-цинк напрямую решает многие проблемы конструкции, безопасности и питания, с которыми сталкиваются производители и инженеры-конструкторы. В поисках лучшей микробатареи серебро-цинк обладает непревзойденной способностью вкладывать большую энергию и инновации в все меньшие пространства.

Тим Пауэрс — вице-президент по развитию бизнеса ZPower.

Быстрая зарядка литий-ионных аккумуляторов при любых температурах

Значимость

Беспокойство о запасе хода является ключевой причиной того, что потребители неохотно выбирают электромобили. Чтобы быть действительно конкурентоспособными с бензиновыми автомобилями, электромобили должны позволять водителям быстро перезаряжаться в любом месте в любую погоду, например, заправлять бензиновые автомобили. Однако ни один из современных электромобилей не поддерживает быструю зарядку при низких или даже низких температурах из-за риска лития, образования металлического лития, что резко сокращает срок службы батареи и даже создает угрозу безопасности.Здесь мы представляем подход, который обеспечивает быструю зарядку литий-ионных аккумуляторов за 15 минут при любых температурах (даже при -50 ° C), сохраняя при этом значительный срок службы (4500 циклов, что эквивалентно> 12 лет и> 280000 миль электромобиля). срок службы), что делает электромобили действительно независимыми от погодных условий.

Abstract

Быстрая зарядка — ключевой фактор массового внедрения электромобилей (EV). Ни один из современных электромобилей не выдерживает быстрой зарядки при низких или даже низких температурах из-за риска литиевого покрытия.Попытки включить быструю зарядку затрудняются из-за компромиссного характера литий-ионной батареи: улучшение возможности быстрой низкотемпературной зарядки обычно приносит в жертву долговечность элементов. Здесь мы представляем управляемую структуру ячеек, чтобы избавиться от этого компромисса и обеспечить быструю зарядку без литиевого покрытия (LPF). Кроме того, элемент LPF обеспечивает унифицированную практику зарядки независимо от температуры окружающей среды, предлагая платформу для разработки материалов для аккумуляторов без температурных ограничений.Мы демонстрируем элемент LPF 9,5 А · ч 170 Вт · ч / кг, который можно зарядить до 80% за 15 минут даже при -50 ° C (за пределами рабочего предела элемента). Кроме того, элемент LPF выдерживает 4500 циклов зарядки 3,5-C при 0 ° C с потерей емкости <20%, что в 90 раз увеличивает срок службы по сравнению с базовым обычным элементом и эквивалентно> 12 лет и> 280000 миль. Срок службы электромобиля в таких экстремальных условиях использования, т. Е. 3,5 ° C или 15-минутная быстрая зарядка при отрицательных температурах.

Электромобили (ЭМ) имеют большие перспективы в решении проблем изменения климата и энергетической безопасности (1).Автопроизводители выстраиваются в очередь, чтобы наводнить рынок серией новых электромобилей. Несмотря на быстрое падение стоимости литий-ионных аккумуляторов (LiB) на 80% за последние 7 лет (2), рынок электромобилей по-прежнему составляет лишь около 1% годовых продаж легковых автомобилей. Беспокойство о запасе хода, страх того, что у электромобиля может закончиться заряд во время поездки с водителем, который остался в затруднительном положении, долгое время упоминался как основная причина, по которой потребители неохотно выбирают электромобили. Это беспокойство усугубляется тем фактом, что подзарядка электромобилей обычно занимает гораздо больше времени, чем заправка автомобилей с двигателем внутреннего сгорания (ICEV).Исследования показали, что годовой пробег электромобилей увеличился более чем на 25% в районах, где водители имеют доступ к станциям быстрой зарядки, даже в тех случаях, когда быстрая зарядка использовалась для от 1 до 5% от общего числа случаев зарядки (3).

По всему миру идет захватывающая гонка за увеличение количества и мощности станций быстрой зарядки. BMW, Daimler, Ford и Volkswagen в прошлом году создали совместное предприятие (4) для развертывания 400 «сверхбыстрых» зарядных станций по всей Европе к 2020 году с мощностью зарядки до 350 кВт, что позволяет заряжать электромобиль с пробегом 200 миль. (е.г., Chevy Bolt с батареей на 60 кВтч) за ∼10 мин. Honda также объявила о планах по выпуску электромобилей, способных к 15-минутной быстрой зарядке к 2022 году. Совсем недавно Министерство энергетики США объявило о финансировании проектов по разработке технологий сверхбыстрой зарядки (5), направленных на дальнейшее увеличение мощности зарядки до 400 кВт.

Критическим препятствием для быстрой зарядки является температура. Чтобы быть действительно конкурентоспособными с ICEV, быстрая зарядка электромобилей не должна зависеть от региона и погодных условий, так же, как заправка бензинового автомобиля.Зимой на половине территории США средняя температура ниже 0 ° C, как показано на рис. 1 A (6). Однако ни один из современных электромобилей не поддерживает быструю зарядку при низких температурах. Nissan Leaf, например, можно зарядить до 80% за 30 минут (заряд ~ 2 ° C) при комнатной температуре, но для зарядки того же количества энергии при низких температурах потребуется> 90 минут (заряд + . В суровых условиях большая поляризация анода может подтолкнуть потенциал графита ниже порога для литиевого покрытия (8, 9).

LPF Быстрая зарядка независимо от температуры окружающей среды. ( A ) Средняя зимняя температура в США. Половина из них <0 ° C, а 47 состояний <10 ° C. ( B ) Литературные данные о сроке службы при различных температурах, нормированные на срок службы при 25 ° C. Элемент LPF позволяет сместить парадигму от экспоненциальной линии обычных литий-ионных элементов к верхней горизонтальной линии.( C — E ) Схематическое изображение структуры управляемого элемента для быстрой зарядки LPF. Ячейка ( C ), изначально находящаяся при температуре замерзания, ( D ) проходит этап быстрого внутреннего нагрева, чтобы поднять ее температуру выше порогового значения (T _LPF ), которое устраняет литиевое покрытие до того, как ( E ) станет заряжен. Используется конструкция самонагревающейся батареи, которая имеет тонкую никелевую фольгу внутри элемента (подробности см. В приложении SI, рис. S4).Эта структура ячейки обеспечивает интеллектуальное управление разделением тока между никелевой фольгой (нагрев) и материалами электродов (зарядка) в зависимости от температуры ячейки (ячейка T _, ). ( D ) Если ячейка T LPF , переключатель замыкается, чтобы направить весь ток в никелевую фольгу для быстрого нагрева (~ 1 ° C / с) без проникновения в материалы анода (без покрытия). ( E ) Когда элемент T > T _LPF , переключатель размыкается, и весь ток уходит в электродные материалы для быстрой зарядки без литиевого покрытия.

Основным признаком литиевого покрытия является резкая потеря емкости в дополнение к угрозам безопасности. Действительно, недавние данные показали, что срок службы LiB значительно снижается с температурой. Коммерческий 16-Ач графит / LiNi _1/3 Mn _1/3 Co _1/3 O ₂ ячеек в европейском проекте Mat4Bat потеряли 75% емкости за 50 циклов при 1-C заряда при 5 ° C (10), хотя одни и те же клетки могут выдержать 4000 циклов при 25 ° C. Schimpe et al. (11) циклически повторяли идентичные элементы графит / LiFePO ₄ при разных температурах.Ячейки при 25 ° C потеряли 8% емкости за 2800 эквивалентных полных циклов (EFC). При такой же потере емкости срок службы элементов сокращается до 1800 EFC при 15 ° C, 1400 EFC при 10 ° C и 350 EFC при 0 ° C. На рис. 1 B обобщены некоторые недавние данные (11⇓⇓⇓ – 15) в литературе о сроке службы при различных температурах, нормированные на соответствующий срок службы при 25 ° C. Можно отметить явное экспоненциальное падение жизненного цикла с температурой в соответствии с законом Аррениуса, предложенным Waldmann et al. (12). Даже при низкой температуре 10 ° C срок службы элементов составляет лишь половину от срока службы при 25 ° C.Стоит отметить, что в 47 из 50 штатов США зимой средняя температура ниже 10 ° C (рис. 1 A ). Даже при ежегодном усреднении ( SI Приложение , рис. S1) 23 состояния имеют температуру ниже 10 ° C. Таким образом, даже когда станции быстрой зарядки становятся повсеместными, потребители все еще не могут быстро заправлять свои электромобили в течение большей части года из-за низких температур окружающей среды.

По сути, на литиевое покрытие влияют скорость ионной проводимости и диффузии в электролите, диффузия лития в частицах графита и кинетика реакции на графитовых поверхностях.Все ключевые параметры, управляющие этими процессами, подчиняются закону Аррениуса и существенно падают с температурой ( SI Приложение , рис. S2). Таким образом, подключаемый гибридный аккумулятор EV (PHEV), который может выдерживать заряд 4 ° C без литиевого покрытия при 25 ° C, может допускать заряд только 1,5 ° C при 10 ° C и C / 1,5 при 0 ° C для предотвращения литиевое покрытие ( SI Приложение , рис. S3), которое объясняет длительное время перезарядки современных электромобилей при низких температурах. Для повышения способности к быстрой зарядке исследования в литературе были сосредоточены на улучшении анодных материалов, таких как покрытие графита нанослоем аморфного кремния (16, 17), и разработке новых материалов, таких как титанат лития (18, 19) и графеновые шары (20), и по разработке новых электролитов (21, 22) и добавок (23).LiBs, однако, хорошо известны своей компромиссной природой между ключевыми параметрами (24). Улучшение одного свойства без ущерба для другого всегда нетривиально. Например, электролит с превосходными характеристиками при низких температурах довольно часто нестабилен при высоких температурах (23, 24). Точно так же уменьшение размера частиц и / или увеличение площади поверхности активных материалов Брунауэра – Эммета – Теллера (БЭТ) способствует быстрой зарядке, но при этом страдает срок службы батареи и безопасность. Чрезвычайно сложно, если вообще возможно, разработать материалы с высокой скоростью зарядки, сохраняя при этом долговечность и безопасность в широком диапазоне температур.

Здесь мы делаем попытку освободить науку об аккумуляторах от компромиссов. В частности, мы представляем структуру ячеек, которой можно активно управлять для достижения быстрой зарядки без литиевого покрытия (LPF) при любых температурах окружающей среды, что позволяет изменить парадигму отношения между сроком службы и температурой (рис. 1 B ), с корреляция Аррениуса обычных LiB с горизонтальной линией, нечувствительной к температуре. Мы выбрали пакетные ячейки емкостью 9,5 Ач с графитовым анодом, LiNi _0.6 Mn _0,2 Co _0,2 O ₂ (NMC622) катод и плотность энергии на уровне ячейки 170 Втч / кг для демонстрации. Со структурой элемента LPF элемент выдержал 4500 циклов (2806 EFC) зарядки 3,5-C при 0 ° C до достижения 20% потери емкости, что означает, что даже если электромобиль заряжается один раз в день в этих суровых условиях, Элемент LPF имеет срок службы 12,5 лет и может обеспечить дальность действия> 280 000 миль (при условии, что 1 EFC ≈ 100 миль). Это уже выходит за рамки гарантии большинства ICEV.Для сравнения, обычный LiB-элемент с идентичными материалами батареи в тех же условиях тестирования (заряд 3,5 ° C при 0 ° C) потерял 20% емкости всего за 50 циклов и 23 EFC.

Кроме того, в этой работе подчеркивается концепция унифицированной практики зарядки, независимой от температуры окружающей среды. Для электромобилей профили разряда батареи зависят от поведения водителей, но протоколы зарядки определяются производителями. Сегодняшние электромобили должны снижать скорость зарядки при понижении температуры из-за опасений по поводу литиевого покрытия.С помощью элемента LPF зарядка при любой температуре окружающей среды превращается в зарядку при оптимальной температуре всего за десятки секунд. Как показано здесь, элемент LPF может быть заряжен до 80% состояния заряда (SOC) за 15 минут даже при температуре окружающей среды -50 ° C. Более того, кривая зарядного напряжения при -50 ° C почти такая же, как и при 25 ° C. Эта унифицированная практика зарядки может значительно упростить управление аккумулятором и продлить срок его службы.

Кроме того, ячейка LPF предлагает платформу для материаловедов.Неизменной проблемой при исследовании материалов аккумуляторных батарей является поиск материалов, которые могут поддерживать хорошие характеристики в широком диапазоне температур. Поскольку температурные ограничения снимаются с ячейками LPF, исследователям нужно только оптимизировать характеристики материала около одной температуры.

Результаты и обсуждение

Контролируемая структура ячеек для быстрой зарядки LPF.

Ключевая идея быстрой зарядки LPF состоит в том, чтобы заряжать элемент всегда выше температуры, которая может препятствовать образованию литиевого покрытия, далее именуемой температурой LPF (T _LPF ).Как показано на рис. 1 C — E , этап быстрого внутреннего нагрева (рис. 1 D ) добавляется перед этапом зарядки (рис. 1 E ), чтобы убедиться, что аккумулятор заряжен при температура выше T _LPF .

Быстрый нагрев необходим для быстрой зарядки LPF, так как общее время зарядки, включая нагрев, ограничено от 10 до 15 минут. Обычные методы нагрева батареи с использованием внешних нагревательных устройств или систем управления температурой ограничены внутренним конфликтом между скоростью нагрева и однородностью (т.е., высокая скорость нагрева приводит к неоднородной температуре и локализованному перегреву вблизи поверхности ячейки), как подробно описано в ссылке. 25; таким образом, их скорость нагрева ограничена ~ 1 ° C / мин (26), что означает, что нагрев от -20 ° C до 20 ° C уже займет> 40 мин. Добавляя время на зарядку, он уже не в категории быстрой зарядки. В этой работе мы используем самонагревающуюся структуру LiB (27), которая имеет тонкую никелевую (Ni) фольгу, встроенную в ячейку, которая может создавать огромный и равномерный нагрев, как показано в приложении SI, приложение , рис.S4. Фольга Ni является неотъемлемым компонентом отдельной ячейки вместе с электродами и электролитом. Он служит внутренним нагревательным элементом, а также внутренним датчиком температуры, поскольку его электрическое сопротивление линейно зависит от температуры ( SI Приложение , рис. S5). Кроме того, введение никелевой фольги добавляет только 0,5% веса и 0,04% стоимости по сравнению с обычным одиночным элементом LiB.

Стратегия управления, основанная на структуре самонагревающейся батареи, разработана в этой работе, как показано на рис.1 C — E . Ключом к этой стратегии является интеллектуальное разделение входного тока между никелевой фольгой (нагрев) и материалами электродов (зарядка) в зависимости от температуры элемента (T _{, ячейка} ). Если T _{элемент} LPF (Рис. 1 D ), постоянное напряжение, близкое к напряжению холостого хода элемента (OCV), применяется вместе с замыканием переключателя между положительной клеммой и клеммой активации. Поскольку напряжение элемента ≈ OCV, весь ток от источника заряда направляется к никелевой фольге, чтобы генерировать огромное внутреннее тепло, не проникая в материалы анода (без литиевого покрытия).Как только T _cell > T _LPF (Рис. 1 E ), переключатель открывается для перехода из режима нагрева в режим зарядки, при этом ток подается на материалы электродов без какого-либо риска литиевого покрытия.

Для демонстрации быстрой зарядки LPF мы выбрали 9,5-Ач графитовые ячейки / пакет NMC622. Элементы имеют емкость 1,85 мАч / см ² и плотность энергии на уровне элементов 170 Втч / кг. Выбор скорости заряда и T _LPF основан на результатах моделирования потенциала осаждения лития (LDP) в приложении SI, рис.S3 с использованием откалиброванной модели LiB. Как правило, T _LPF должен иметь минимальную температуру, при которой можно избежать образования лития при данной скорости заряда. Хотя более высокая температура всегда благоприятна для устранения литиевого покрытия, она также может ускорить рост межфазной границы твердого электролита (SEI). В этой работе скорость заряда 3,5 C и T _LPF ∼25 ° C выбраны на основе приложения SI , рис. S3 C .

На рис.2 показан общий процесс быстрой зарядки LPF 9.Элемент емкостью 5 Ач при экстремальной температуре −40 ° C. Перед испытанием полностью разряженный элемент выдерживали в климатической камере при -40 ° C на> 12 часов. Чтобы гарантировать, что элемент не был заряжен (без литиевого покрытия) на этапе нагрева, при включении переключателя было приложено напряжение 3,15 В, что немного ниже, чем OCV (∼3,2 В) (см. Рис. 1 D ). Таким образом, весь входной ток проходил через никелевые фольги (рис. 2 E ) автоматически, не затрагивая материалы батареи.Поскольку напряжение элемента было установлено на 50 мВ ниже, чем OCV, элемент слегка разряжался на этапе нагрева, который постепенно увеличивался до ~ 0,2 ° C к концу, когда элемент стал нагреваться (рис. 2 F ). Тем не менее, общая разрядная емкость на этапе нагрева составляет только 6,85 × 10 ^-3 Ач или 0,072% емкости элемента и, следовательно, несущественна. Благодаря сильному току, протекающему через Ni-фольгу, ячейка быстро нагревается (рис. 2 C ).Когда температура поверхности достигала 20 ° C, выключатель открывался для завершения этапа нагрева, а затем ячейка отдыхала 10 с для релаксации внутреннего температурного градиента. Как показано на рис. 2 G , температура Ni-фольги, самая высокая температура внутри ячейки, была <45 ° C во время нагрева и быстро падала и достигала температуры поверхности около 27 ° C после 10-секундного периода покоя. Это означает, что быстрый нагрев не вызывает никаких опасений по поводу безопасности. После этого ячейка переключилась в режим зарядки с использованием протокола постоянного тока постоянного напряжения (CCCV) при токе 3.5 C ограничено напряжением отсечки 4,2 В до достижения 80% SOC. Весь процесс занял 894,8 с (14,9 мин), включая 61,6 с нагрева и 10 с термической релаксации.