Lifepo4 аккумуляторы напряжение разряда

Lifepo4 аккумуляторы эксплуатация и особенности

С эксплуатацией li-ion аккумуляторов проблем нет так-как они снабжены платой защиты (BMS), которая защищает аккумуляторы от перезарядов и глубоких разрядов, а так-же балансирует ячейки между собой. Но покупая просто ячейки — не снабжённые платами защиты, многие даже не подозревают что для аккумулятора ещё что-то нужно. А ведь любые литий-ионные аккумуляторы (li-ion, lifepo4, lipo и др.) запрещено перезаряжать и разряжать ниже положенного.

Если разрядить батарейку ниже положенного, то она просто стремительно начнёт терять ёмкость и в итоге совсем перестанет заряжаться, и окончательно умрёт, причем очень быстро. А если перезарядить, то аккумулятор начнёт вздуваться из-за выделения газов внутри ячейки, и тоже начнёт терять ёмкость, и быстро умирает.

Свинцово-кислотные аккумуляторы в этом смысле более выносливые так-как от перезаряда выкипает электролит, но если перезаряд недолгий, то это особо не вредит аккумулятору, потом можно просто долить дистиллированной воды и аккумулятор будет работать дальше. А если разрядить аккумулятор менее 10 V, то аккумулятор тоже будет работать после такого, но потеряет немного ёмкости.

Литий-ионные аккумуляторы просто умирают от перезарядов и глубоких разрядов ниже положенного, по-этому очень важно не допускать критических состояний таких аккумуляторов. Для li-ion критические параметры это разряд минимум до 2.70V, и заряд до 4.20V, а для lofepo4 разряд до 2.00V, а заряд до 3,75 (3.39)V, хотя некоторые производители разрешают заряжать до 3.90V (всё зависит от конкретной «химии» в аккумуляторах.

Вообще литий-ионные аккумуляторы не любят долго находится в полностью разряженном состоянии, то-есть для lofepo4 это 2.00V, и в полностью зажженном состоянии — 3.60V. Если аккумуляторы используются в мобильных устройствах и электротранспорте, то они заряжаются полностью на 100%, так-как почти сразу после зарядки они используются, и аккумуляторы разряжаются, и как только разрядятся их снова заряжают. Но если долго держать такие аккумуляторы на зарядке, то аккумуляторы быстро теряют ёмкость и часто разбухают. Наверно некоторые сталкивались с тем что аккумулятор телефона разбухал и окончательно выходил из строя, вот это как раз из-за длительной зарядки от сети, или что бывает редко из-за выхода из строя платы защиты (BMS).

Так вот от перезаряда вздулись и мои lifepo4 аккумуляторы, они ещё живые, но походу ёмкости там уже нет.

Если литий-ионные аккумуляторы используются не в циклическом режиме работы, а в буферном (ИПБ, солнечные системы и др.), то рекомендуется понизить напряжение заряда, чтобы на ячейку приходилось не 3.60-3.90V, а 3.40-3.45V. Или использовать умные заурядные устройства или контроллеры, которые заряжают (для систем 12 V) до 14.6V, а через 10-20 минут опускают напряжение до 13.6-13.8V, что соответствует 3,40-3,45V на ячейку.

Чтобы не испортить аккумуляторы обязательно нужно установить плату защиты BMS, или хотя-бы поставить балансировочные платы. Дело в том что во время эксплуатации напряжение ячеек может разбегаться, и со временем наступит тот момент когда общее напряжение будет вроде-бы в норме 14.6V, а напряжение ячеек разное. К примеру 1яч(3.35V), 2яч(3.57V), 3яч(3.44V) 4( 4.24V). В итоге четвёртая ячейка перезаряжается и значит просто умрет, хотя общее напряжение мы не превышали.

Дисбаланс ячеек происходит из-за разности сопротивлений ячеек, или из-за плохого соединения ячеек между собой. Если ячейки отличаются по внутреннему сопротивлению, то они по разному заряжаются и разряжаются. Для устранения дисбаланса применяют балансировочные платы (балансиры), которые подключаются к каждой ячейке, и при достижении 3.60-3.75V подключается балластный резистор, который разряжает ячейку если её напряжение превысило порог срабатывания. Таким образом балансиры держат уже зарядившиеся ячейки пока не зарядятся остальные. Но просто балансиры не уберегут ячейки от перезаряда если дисбаланс будет очень сильный, а так-же балансиры никак не помогут если аккумулятор разрядится слишком глубоко ( ниже положенного).

На литий-ионные аккумуляторы нужно устанавливать полноценные BMS (Battery monagement system), которые отслеживают напряжение каждой ячейки, и если напряжение превысит критические отметки заряда или разряда, то BMS полностью отключит аккумулятор. Так-же BMS отключает аккумулятор при превышении допустимого тока и при КЗ, и так-же при заряде выполняет балансировку ячеек. В общем это полноценная защита аккумулятора, которая не даст аккумулятору перезарядится, разрядится, тем самым обеспечит ему долгую жизнь.

Перед вводом в эксплуатацию нужно предварительно отбалансировать ячейки аккумулятора, так-как они могут быть разной степени заряженности и естественно с разным напряжением. Для этого нужно все ячейки соединить параллельно, то-есть плюс с плюсом всех ячеек и минус с минусом. И так соединённые параллельно ячейки нужно полностью зарядить до 3,60V. Ниже на фото пример параллельного соединения ячеек lifepo4 для балансировки.

Если посмотреть на график Lfepo4 (ниже рисунок), то можно увидеть что основная ёмкость ячейки лежит в пределах 3.0-3.35 V, это 90% ёмкости. После 3.0V, а разряд происходит очень быстро, а основное время разряда лежит в пределах напряжения 3.3-3.0V. Так-же и заряд после напряжения 3.35V происходит очень быстро так-как аккумулятор уже практически заряжен.

Исходя из этого понятно что lifepo4 вообще не нужно заряжать до 3.60V и более, так-как аккумулятор и так заряжен почти на 100% при напряжении 3.35V. При использовании 80% ёмкости количество циклов lifepo4 3000 и более, а при 100% использования ёмкости количество циклов всего 1500-2000. При циклировании на 20-25% количество циклов до 5000-7000. Точные данные можно узнать в описании конкретных аккумуляторов.

Lifepo4 хорошо работает со стандартными зарядными устройствами и контроллерами, предназначенными для заряда свинцово-кислотных аккумуляторов, так-как напряжение для систем на 12 V 13.8-14.7V. Особенно хорошо подходят для лифера контроллеры и зарядные ус., которые осуществляют «Умный» заряд АКБ., то-есть многостадийный заряд.

Алгоритм обычно такой:
заряд аккумулятора длится пока напряжение не поднимется до 14.2-14.7 V,
далее под этим напряжением аккумулятор держится 10-20 минут,
и далее напряжение понижается до 13.6-13.8V.

Так-как Lifepo4 должен быть защищен платой защиты (BMS), его нужно заряжать до 14.4-14.7V лишь для того чтобы работала балансировка ячеек. Обычно балансировка включается при 3.60-3.75V, по-этому чтобы она работала нужно кратковременно поднимать общее напряжение аккумулятора до 14.4 V и выше ( зависит от конкретных настроек BMS). Это как-раз и делают «Умные» контроллеры и зарядные ус. — поднимают напряжение до 14.2-14.7V кратковременно, а потом опускают до 13.6-13.8V. Только нужно подбирать BMS или просто балансиры, и зарядное устройство так чтобы балансировка включалась, то-есть BMS нужна с порогом балансировки 3.60V, а зарядное ус. с напряжением заряда 14.4 V. Думаю этот важный момент понятен, смысл в том чтобы и балансировка ячеек работала, и потом напряжение немного опускалось чтобы не «Кипятить» lifepo4.

Но все сложности эксплуатации Lifepo4 заключающиеся в установке платы BMS и соблюдении режимов заряда и разряда с лихвой перекрываются преимуществами перед свинцово-кислотными аккумуляторами. Во-первых это большое число циклов заряда/разряда, и длительный срок службы, 15-20 лет. Lifepo4 не нужно заряжать на 100%, он не теряет ёмкости от недозарядов. А так-же Lifepo4 аккумуляторы имеют очень низкое внутреннее сопротивление, которое напрямую влияет на КПД заряда/разряда. Такие аккумуляторы можно заряжать большими токами, и аккумулятор можно зарядить всего за 1 час током 1С, а вот свинцово-кислотные АКБ так зарядить не получится, их надо заряжать током 0.1С в течении 10 часов, можно чуть быстрее, но КПД от этого сильно уменьшится и закипит электролит.

Lifepo4 аккумуляторы очень стабильно держат напряжение даже под большими нагрузками, и в отличие от свинцово-кислотных АКБ напряжение Lifepo4 лишь немного просаживается под нагрузкой. Из-за этого КПД аккумулятора 95-98%, а свинцово-кислотных 60-80% (в зависимости от нагрузки). Вот к примеру если заряжать свинцово-кислотный АКБ, то его напряжение быстро поднимается до 13V и далее до 14V, в итоге в АКБ ёмкостью 240Ач мы за 8 часов зарядки вливаем примерно 13.5*240=3240ватт. А к примеру при разряде током 25А напряжение АКБ почти сразу упадет до 12,4-12.0V и мы сможем взять с АКБ при разряде до 10.0V 12.2*240=2928ватт. Получается мы просто потеряли 3240-2928=312ватт, а если разряжать АКБ к примеру инвертором и нагрузкой через него в 1кВт, то потери будут просто огромные, до 50% . А у Lifepo4 просадка напряжения минимальная даже при разряде токами в 1С и по этому КПД очень высокий.

Таким образом только на КПД мы получаем больше энергии на 20-30%, а это не мало, особенно когда ёмкость аккумуляторов киловатт десять, тогда на обычных АКБ будет теряется 2-3кВт за каждые 10кВт пришедшей в АКБ энергии, а при использовании Lifepo4 потери почти незаметны.

Если есть вопросы, то оставляйте комментарии ниже в форме «в контакте».

Источник

LiFePO4 аккумуляторы

Современный рынок пестрит разнообразным электронным оборудованием. Для их функционирования разрабатываются все более совершенные источники питания. Среди них особое место занимают литий железо фосфатные аккумуляторы. Они безопасны, обладают большой электроемкостью, практически не выделяют токсины, долговечны. Возможно, скоро эти батареи вытеснят из устройств своих «собратьев».

Что такое литий железо фосфатный аккумулятор

LiFePo4 аккумуляторы – это высококачественные и надежные источники питания с высокой производительностью. Они активно вытесняют не только морально устаревшие свинцово-кислотные, но и современные Li-ion батареи. Сегодня данные АКБ встречаются не только в промышленном оборудовании, но и в бытовых устройствах – от смартфонов до электровелосипедов.

LFP аккумуляторы были разработаны Массачусетским Технологическим Университетом в 2003 году. Их основа – усовершенствованная технология Li-ion с измененным химическим составом: для анода используется лития феррофосфат вместо кобальтата лития. Широкое распространение АКБ получили благодаря таким компаниям, как Motorola и Qualcomm.

Как осуществляется производство LiFePo4 аккумуляторов

Основные компоненты для изготовления LiFePo4 батарей поставляются на завод в виде темно-серого порошка с металлическим блеском. Схема производства анодов и катодов одинакова, но из-за недопустимости смешивания компонентов все технологические операции выполняются на разных цехах. Все производство делится на несколько этапов.

Первый шаг. Создание электродов. Для этого готовый химический состав покрывается с обеих сторон металлической фольгой (как правило, алюминиевой для катода, а медной для анода). Фольга предварительно обрабатывается суспензией, чтобы она могла выступать в роли приемника тока и токопроводящего элемента. Готовые элементы нарезаются на тонкие полоски и сворачиваются несколько раз, образуя квадратные ячейки.

Второй шаг. Непосредственно сборка батареи. Катоды и аноды в форме ячеек располагают по обе стороны сепаратора из пористого материала, плотно закрепляют на нем. Полученный блок помещают в пластиковый контейнер, заливают электролитом и запечатывают.

Заключительный этап. Контрольная зарядка/разрядка батареи. Зарядка производит с постепенным нарастанием напряжения электротока, чтобы не случился взрыв или воспламенение из-за выделения большого количества тепла. Для разрядки аккумулятор подключают к мощному потребителю. Не выявив отклонений, готовые элементы отправляются к заказчику.

Принцип работы и устройство литий железо фосфатного АКБ

LFP батареи состоят из электродов, плотно прижатых к пористому сепаратору с обеих сторон. Для питания устройств и катод, и анод подключаются к токосъемникам. Все компоненты помещены в пластиковый корпус, залиты электролитом. На корпус помещается контролер, который регулирует подачу тока во время зарядки.

Принцип работы LiFePo4 аккумуляторов основан на взаимодействии литий феррофосфата и углерода. Сама реакция протекает по формуле:

Переносчиком заряда АКБ выступает положительно заряженный ион лития. Он имеет способность внедряться в кристаллическую решетку других материалов, с образованием химических связей.

Технические характеристики LiFePo4 аккумуляторов

Вне зависимости от производителя все LFP ячейки имеют одинаковые технические характеристики:

• пиковое напряжение – 3,65 V;
• напряжение в средней точке – 3,3 V;
• напряжение в полностью разряженном состоянии – 2,0 V;
• номинальное рабочее напряжение – 3,0-3,3 V;
• минимальное напряжение под нагрузкой – 2,8 V;
• долговечность – от 2-х до 7 тыс. циклов заряда/разряда;
• самозаряд при температуре 15-18 С о – до 5% в год.

Представленные технические характеристики относятся именно к LiFePo4 ячейкам. В зависимости от того, сколько их объединено одной батареей, будут варьироваться и параметры аккумуляторов.

Экземпляры отечественного производства имеют следующие характеристики:

• емкостью – до 2000 Ач;
• напряжением – 12 v, 24v, 36v и 48v;
• с диапазоном рабочих температур – от -30 до +60 С о ;
• с током заряда – от 4 до 30А.

Все аккумуляторы не теряют свои качества при хранении на протяжении 15 лет, имеют стабильное напряжение и отличаются низкой токсичностью.

Какие бывают LiFePo4 батареи

В отличие от привычных для нас батарей, которые маркируются символами АА или ААА, литий железо фосфатные элементы имеют совершенно иную маркировку форм-фактора – их размеры шифруются 5-значным номером. Все они представлены в таблице.

Типоразмер	Габариты, DxL (мм)
14430	14 x 43
14505	14 x 50
17335	17 x 33
18500	18 x 50
18650	18 x 65
26650	26 x 65
32600	32 x 60
32900	32 x 90
38120	38 x 120
40160	40 x 160
42120	42 x 120

Даже не имея перед собой таблицу с обозначением маркировки, можно легко сориентироваться в габаритах батареи. Первый две цифры кода обозначают диаметр, остальные – длину источника питания (мм). Число 5 на конце некоторых типоразмеров соответствует половине миллиметра.

Литий железо фосфатный аккумулятор: плюсы и минусы

LFP батареи основаны на технологии Li-ion, что позволило им вобрать в себя все плюсы данных источников питания, и одновременно избавиться от присущих им недостатков.

Среди главных достоинств выделяют:

1. Долговечность – до 7 000 циклов.
2. Высокий ток заряда, что сокращает время восполнения энергии.
3. Стабильное рабочее напряжение, которое не падает до полного исчерпания заряда.
4. Высокое пиковое напряжение – 3,65 Вольта.
5. Высокая номинальная емкость.
6. Небольшой вес – до нескольких килограммов.
7. Низкий уровень загрязнения окружающей среды при утилизации.
8. Морозостойкость – работа возможна при температуре от -30 до +60С о .

Но у аккумуляторов выделяют также и минусы. Первый из них – это высокая стоимость. Цена элемента на 20 Ач может достигать 35 тыс. рублей. Второй и последний недостаток – сложность собственноручной сборки банки батарей, в отличие от литий-ионных элементов. Других явных минусов у этих источников питания пока не выявлено.

Зарядные устройства и как заряжать LiFePo4

Зарядные устройства для LiFePo4 аккумуляторов практически ничем не отличаются от обычных инверторов. В особенности можно записать большая сила тока на выходе – до 30А, что используется для быстрой подзарядки элементов.

Покупая готовый блок батарей трудностей с их зарядкой возникнуть не должно. В их конструкции встроено электронное управление, которое защищает все ячейки от полного разряда и перенасыщения электроэнергией. Дорогие системы используют балансирную плату, которая равномерно распределяет энергию между всеми ячейками устройства.

Важно при подзарядке не превышать рекомендуемую силу тока, если вы используете сторонние ЗУ. Это снизит срок службы батареи в несколько раз за одну подзарядку. Если батарея нагревается или вздувается, то сила тока превышает допустимые значения.

Где применяются LiFePo4 аккумуляторы

LFP батареи имеют большое значение для промышленности. Их используют для поддержания работоспособности устройств на метеостанциях, больницах. Они также внедряются в качестве буфера на ветряные электростанции и применяют для накопления энергии от солнечных панелей.

Аккумуляторы на 12v начинают использоваться в современных автомобилях вместо привычных свинцово-кислотных элементов. LiFePo4 конструкции устанавливаются в качестве главного источника питания на электровелосипедах и квадроциклах, моторных лодках.

Широко их значение и в быту. Они встраиваются в телефоны, планшеты, и даже в шуруповерты. Однако такие устройства значительно отличаются по цене от своих менее технологичных собратьев. Поэтому встретить их на рынке пока сложно.

Правила хранения, эксплуатации и утилизации LiFePo4

Прежде чем отправить LFP аккумулятор на длительное хранение, необходимо его зарядить до 40-60% и поддерживать этот уровень заряда на протяжении всего срока консервации. Держать АКБ следует в сухом месте, где температура не отпускается ниже комнатных значений.

Во время эксплуатации следует выполнять требования производителя. Важно не допускать перегрева батареи. Если вы заметили, что аккумулятор во время работы или подзарядки нагревается неравномерно, то следует обратиться в ремонтный центр – возможно одна из ячеек вышла из строя, либо присутствуют неисправности блока управления или балансирной платы. Так же следует поступить и при появлении вздутий.

Для правильной утилизации полностью исчерпавшей свой ресурс батареи следует обратиться в специализирующиеся на этом организации. Так вы не только поступите как сознательный гражданин, но и сможете на этом заработать. Однако если вы просто отправите АКБ на свалку, то ничего страшного не произойдет.

Источник