Литиевый аккумулятор для автомобиля

За годы эксплуатации свинцово-кислотных аккумуляторов у пользователей сформировались стереотипы, которые мешают правильно использовать литиевые. Например, нормой считается определять состояние аккумулятора по напряжению. Но для литиевого аккумулятора напряжение мало информативно. Владельцам литиевых батарей также следует привыкнуть к тому, что аккумулятор необязательно заряжать полностью. Достаточно, если он станет хранить энергию на один или два дня эксплуатации

Замена свинцового аккумулятора на литиевый

Существует несколько причин, для замены дополнительного аккумулятора в автомобиле

Во-первых, это приходится делать тогда, когда аккумулятор перестает держать напряжение под нагрузкой или разряжается настолько быстро, что владелец вынужден заводить двигатель, чтобы поддерживать аккумулятор генератором. Яркий пример – аккумулятор, к которому в автомобиле подключен инвертор. Во время движения он никогда не заряжается полностью, поэтому уже через год эксплуатации теряет емкость настолько, что не может служить источником питания для инвертора без помощи генератора двигателя

Во-вторых, свинцово-кислотный аккумулятор глубокого разряда требует внимания. Его приходится регулярно подзаряжать даже тогда, когда он не используется по назначению. Но тщательно следить за аккумуляторами готовы далеко не все. Многие просто хотят эксплуатировать систему при минимальных затратах времени на ее обслуживание

И наконец вопрос о замене аккумулятора возникает, когда необходимо освободить место для полезного груза или уменьшить вес автомобиля.

Если одна из описанных проблем существует, то старый свинцово-кислотный аккумулятор лучше всего заменить на литий-железо-фосфатный

DC-DC зарядные устройства для литиевых аккумуляторов емкостью 100-150 Ач

При равной номинальной емкости литий-железо-фосфатный аккумулятор в три раза легче свинцово-кислотного и занимает на 50% меньше места. Литиевые ячейки без повреждения выдерживают высокий разрядный ток, а их напряжение остается постоянным почти до полного разряда, поэтому аккумулятор отлично подходит для питания инвертора. Литиевый аккумулятор не обязательно хранить полностью заряженным. Он не теряет емкость из-за сульфатации и его можно оставлять без присмотра на месяцы, не подзаряжая.

Единственный недостаток литий-железо-фосфатного аккумулятора — это его первоначальная стоимость.  Аккумулятор дороже свинцово-кислотного той же емкости. Но при его регулярном использовании затраты окупаются. Поскольку литиевая батарея выдерживает в 5-10 раз больше циклов, чем свинцово-кислотная, то вырабатываемый ей кВтч электрической энергии оказывается дешевле, а эксплуатация выгодней.

LiFePO4 аккумулятор в автомобиле

Перед покупкой LiFePO4 аккумулятора необходимо точно понять, в каком режиме он будет работать, с какой нагрузкой и с какими зарядными токами ему предстоит иметь дело.

Ток зарядки литиевого аккумулятора может быть равен емкости. Это значит, что при наличии мощного источника зарядки полностью разряженный аккумулятор емкостью 100 Ач можно зарядить всего за 1 час. Скорость зарядки очень важна для батареи, установленной в автомобиле. Ведь в основном заряжать ее придется во время движения машины и времени зарядку будет мало. Однако не все LiFePO4 аккумуляторы одинаковы. Стремясь уменьшить стоимость, изготовители при сборке батарей часто используют компоненты, не рассчитанные на высокий ток. Цена в результате становится привлекательной, но зарядный ток такого LiFePO4 аккумулятора не превышает 30% от емкости.

Максимальный ток заряда и разряда аккумулятора зависит не только от качества ячеек, но и от непрерывного тока BMS. Важен именно непрерывный, а не максимальный ток. Максимальное значение не имеет смысла, если не указано время, в течении которого проводилось испытание. Непрерывный ток BMS должен примерно на 20% превышать предполагаемые зарядный или разрядный токи в цепи. В противном случае плата будет работать на пределе своих возможностей, сильно нагреется и может раньше времени выйти из строя. Хорошая BMS отключает аккумулятор при перегрузке, высоком или низком напряжении и повышенной температуре ячеек

LiFePO4 и генератор автомобиля

Мощность автомобильных генераторов в последние годы неуклонно росла и в современных автомобилях достигает 2000-2500 Вт. Это значит, что при напряжении 14 Вольт генератор способен отдавать потребителям 140 – 180 Ампер.

Однако следует различать номинальный и реальный токи генератора. Номинальная сила тока – это сила тока, которую прогретый генератор отдает при частоте вращения ротора 6 000 оборотов в минуту. Номинальный ток определяют в ходе стандартизованных испытаний, и именно его указывают в характеристиках устройства. Реальный ток зависит от оборотов двигателя, температуры и нагрузки.

Нагрузкой для генератора служит стартовый аккумулятор и различные компоненты электрической системы автомобиля. Часть потребителей в электросистеме работает постоянно, часть не постоянно, но долго, а такие устройства как звуковой сигнал, вентилятор охлаждения радиатора или фонарь заднего хода включаются время от времени не на долго

Стартовый аккумулятор разряжается только во время запуска двигателя, поэтому на восстановление его заряда генератор тратит всего несколько минут, в течении которых отдаваемый им ток резко возрастает. По мере зарядки аккумулятора, ток снижается и в дальнейшем зависит от работающих компонентов электрической системы автомобиля – чем меньше устройств включено, тем меньше ток генератора.

Поскольку часть устройств потребляет ток в течении очень короткого промежутка времени и почти никогда все потребители не работают одновременно, на полной мощности генератор работает редко. Исключения составляют экстремальные ситуации, например, пробка на кольцевой дороге вечером в снегопад или прогрев автомобиля перед поездкой после запуска двигателя морозной зимней ночью.

После того, как в автомобиле появляется сервисный LiFePO4 аккумулятор, и на его основе создается дополнительная электрическая система у генератора возникает новая мощная нагрузка, поведение которой зависит от состояния LiFePO4 аккумулятора.

Разряженный литиевый аккумулятор способен потреблять ток более 150% от емкости. Сила тока зависит от приложенного к аккумулятору напряжения и от его текущей заряженности. Чем выше напряжение источника зарядки и чем сильнее разряжен аккумулятор, тем больше ток.  При напряжении источника 14 Вольт ток не уменьшается до тех пор, пока батарея не зарядится до 75-80%, а при напряжении 14,4 Вольта почти до полной зарядки аккумулятора. Это значит, что разряженный LiFePO4 аккумулятор емкостью 100 Ач заставит автомобильный генератор отдавать около 100 А.

DC-DC зарядные устройства для литиевых аккумуляторов емкостью 200 Ач и более

Если 100 Ампер — это номинальный ток генератора то, как показывают эксперименты на испытательном стенде, температура внутри его корпуса через пять минут работы возрастет до 160 С, а на пониженных оборотах, когда поток охлаждающего воздуха через корпус уменьшается, до 200 С. Под капотом автомобиля тепло отводится хуже, поэтому температура внутри генератора окажется еще выше и приблизится к 250-300 С.

Как поведет себя в таких условиях генератор неизвестно. Модель всемирного признанного производителя скорее всего выдержит нагрузку. В безымянном устройстве могут сгореть обмотки статора, диоды выпрямителя или расплавится пайка, соединяющая их между собой. В любом случае 2-3 часа работы на полной мощности не пройдут для генератора бесследно.

Предсказать как долго генератор конкретной марки при заданных оборотах двигателя сможет обеспечивать ток, равный стольким-то процентам номинала в реальных условиях можно, но очень сложно. Поэтому вместо того, чтобы контролировать все три параметра – состояние генератора, отношение потребляемого тока к номинальному и обороты двигателя гораздо проще ограничить ток, потребляемый LiFePO4 аккумулятором до безопасного для генератора значения. Безопасной считается длительная нагрузка, которая на 20-30% меньше номинальной силы тока генератора

Как заряжать литиевый аккумулятор в автомобиле

Основным источником зарядки дополнительного аккумулятора в автомобиле является генератор двигателя. Регулятор стандартного автомобильного генератора поддерживает напряжение 14,0 ± 0,2 Вольта. Такое напряжение позволяет генератору быстро заряжать стартовый аккумулятор и защищает его от сульфатации, но не приводит к перезарядке и интенсивному выделению газов, поэтому остается постоянным в течении всего времени работы двигателя

Напряжение 14,4 Вольта ниже напряжения, при котором БМС отключает литиевый аккумулятор от внешней цепи и потому, на первый взгляд, не опасно для аккумулятора. Однако необходимо различать два различных случая. В первом источник зарядки доводит напряжение литий-железо-фосфатного аккумулятора до 14,4 Вольт и, после короткого этапа абсорбции, отключается. Во втором, напряжение 14,4 Вольт приложено к клеммам аккумулятора постоянно, в том числе тогда, когда он уже заряжен на 100%.

Поскольку напряжение полностью заряженного LiFePO4 аккумулятора составляет 13,4 – 13,45 Вольт, а саморазряд у литиевых ячеек очень низкий, то постоянно приложенное напряжение 14,4 Вольта приведет к перезаряду аккумулятора и постепенной потери емкости. Дополнительным подтверждением этого служат рекомендации производителей литиевых ячеек хранить их заряженными на 40-60, а не на 100%

Несовместимость между напряжением генератора и требованиями литий-железо-фосфатного аккумулятора возрастает еще сильнее, если в машине генератор контролируется электронным блоком управления (ECU). У такого генератора напряжение колеблется от 11,5 до 16 Вольт, поэтому зарядить с его помощью литиевый аккумулятор в автомобиле не удастся

Зарядные устройства литиевого аккумулятора от сети 220 Вольт

Таким образом становится очевидным, что между генератором автомобиля и литиевым аккумулятором должно находится промежуточное устройство. Задача этого устройства — правильно заряжать аккумулятор и ограничивать ток в цепи. Контроль над током даст возможность регулировать нагрузку на генератор автомобиля, и не позволит аккумуляторной батарее отключаться при слишком высоком зарядном токе, если номинальная сила тока генератора окажется больше, чем у BMS.

Промежуточное устройство – это управляемый микропроцессором DC-DC конвертор, выходное напряжение которого зависит от состояния и температуры литиевого аккумулятора. Конвертер контролирует ток и поддерживает на выходе стабильное напряжение как при слишком высоком, так и при слишком низком напряжении генератора. Профиль зарядного напряжения уже записан в память DC-DC устройства изготовителем. Однако пользователь может настроить его исходя из собственных потребностей, изменив напряжение окончания зарядки, поддерживающее напряжение и продолжительность этапа абсорбции

Установка литиевого аккумулятора в автомобиль

Перед установкой литиевой батареи нужно проверить, что напряжение окончания зарядки, зарядный и разрядный токи соответствуют характеристикам аккумулятора. В противном случае BMS отключит аккумулятор от внешней цепи.

В качестве пути для тока вместо кузова автомобиля лучше использовать провод, соединяющий отрицательные клеммы сервисного к стартового аккумуляторов.

При коротком замыкании литиевый аккумулятор генерирует очень высокий ток. Поэтому все подключенные к нему провода должны быть установлены предохранителями или автоматическими выключателями. Предохранитель защищает провод, поэтому его номинал должен быть выше ожидаемого тока в цепи, но меньше максимально допустимого тока для провода данного сечения. Отключающая способность устройства защиты должна быть не менее 5000 Ампер.  Предохранитель устанавливают, как можно ближе к клемме аккумулятора.