Умный аккумулятор LiFePO4

В LiFePO4 аккумуляторах нет свинца. Вместо него в качестве материалов для анода и катода используются графит и фосфат железа. Из-за разницы в химическом составе, литий-железо-фосфатные аккумуляторы не только легче и компактнее свинцово-кислотных, но и заряжаются иначе чем они.

Правильная зарядка аккумулятора

Литиевые аккумуляторы легко принимают заряд, быстро заряжаются и легко перезаряжаются. Если долго хранить аккумулятор полностью заряженным, то со временем он теряет емкость. Свинцово-кислотные аккумуляторы, «сопротивляются» зарядке, не боятся небольшого перезаряда, иногда даже требуют его, и быстро теряют емкость, если их регулярно не заряжать до 100%.

Зарядка свинцово-кислотного АКБ

Стандартный алгоритм зарядки свинцово-кислотных аккумуляторов выглядит следующим образом. На первом этапе зарядное устройство поддерживает постоянный ток. По мере поглощения тока напряжение аккумулятора повышается. Как только оно достигнет уровня, называемого напряжением абсорбции, зарядное устройство прекращает зарядку, фиксирует свое выходное напряжение и дает возможность аккумулятору самому потреблять (абсорбировать) необходимый ток.

При постоянном напряжение ток медленно снижается и, после того как он опустится до 5-7% от первоначального, зарядное устройство делает вывод, что аккумулятор полностью заряжен и понижает выходное напряжение. Теперь оно превышает напряжения холостого хода полностью заряженного аккумулятора всего на 0,6-0,8 В, но этого достаточно, чтобы компенсировать саморазряд аккумулятора и поддерживать его заряженным на 100%.

В дальнейшем зарядное устройство периодически включается и дозаряжает аккумулятор, независимо от того, нуждается он этом или нет. Солнечные контроллеры делают это каждое утро с восходом солнца, DC-DC зарядные при очередном запуске двигателя, а сетевые зарядные устройства автоматически с интервалом 1-2 для. Это необходимо для того, чтобы в не полностью заряженных пластинах не образовывались твердые кристаллы сульфата свинца и аккумулятор не терял из-за этого емкость.

Зарядка LiFePO4 АКБ

На первый взгляд, зарядка литий-железо-фосфатного аккумулятора протекает точно так же, как и свинцово-кислотного. Однако LiFePO4 элементы принимают заряд гораздо легче, поэтому заряженность (SoC) аккумулятора может достичь 100% задолго до того, как напряжение повысится до уровня абсорбции. Когда аккумулятор заряжается током до 0,2С, этап абсорбции может не потребоваться вовсе. Если же зарядный ток сопоставим с емкостью аккумулятора, стадия абсорбции, наоборот, необходима. По мере того, как элементы стареют, их внутреннее сопротивление возрастает, и чтобы компенсировать это, время абсорбции также приходится увеличивать.

Таким образом продолжительность этапа абсорбции зависит от возраста и состояния элементов, а также скорости (зарядного тока) и уровня остановки зарядки (напряжения абсорбции).

Напряжение абсорбции должно лежать в определенных пределах, но его точное значение не важно. При наличии достаточного времени любое напряжение, превышающее 3,40 В/элемент позволит в конечном итоге сначала полностью зарядить, а затем и перезарядить литий-железо-фосфатный аккумулятор. При более низком значении для этого потребуется больше, при более высоком меньше времени, но на конечное состояние аккумулятора величина напряжения абсорбции не влияет. Для балансировки и правильной перезарядки старых ячеек как правило достаточно 3,50 В/элемент

Комбинированные с зарядными устройствами инверторы лучше всего подходят для зарядки LiFePO4 аккумуляторов емкостью 200 Ач и более:

Как видим, по напряжению нельзя судить о том, заряжен аккумулятор полностью или нет. Чтобы определить это необходимо использовать другой, более точный критерий.

Во время зарядки ионы лития покидают положительный электрод, по электролиту достигают отрицательного и постепенно проникают в его кристаллическую структуру. Если напряжение зарядки постоянно, то количество высвобождающихся ионов постепенно уменьшается, а следовательно, уменьшается и зарядный ток. Когда ток снизится до определенного значения зарядку необходимо прекратить.

Если этого не сделать литий, который в нормальных условиях оставался в катоде, вынужден будет двигаться к аноду, чтобы встроиться в его структуру. Однако все свободные места в материале анода к этому моменту уже будут заняты, поэтому избыточные ионы лития, останутся на поверхности электрода, превратятся в металлический литий и больше не смогут участвовать в процессе зарядки. Аккумулятор перезарядиться и потеряет небольшую часть своей емкости

Таким образом полезный для свинцово-кислотного аккумулятора алгоритм зарядки может обернуться катастрофой для литий-железо-фосфатного. Если литиевая батарея длительное время не используется, а потребление мало или вообще отсутствует, подключенный к источникам зарядки (например, к солнечным панелям) аккумулятор будет оставаться полностью заряженным и, как следствие, потеряет емкость.

Ток аккумулятора – это важная информация, которую необходимо знать и использовать для управления его зарядкой.

Прекращение зарядки

Производители литиевых элементов определяют параметры завершения зарядки как пару значений напряжение – ток. Как правило это 3,65 В и C/30 (0,033C) или 3,65 и C/20 (0,05C) для элементов нового поколения.

Это означает что, если напряжение элемента достигло 3,65 В и зарядное устройство ограничило его дальнейший рост, элемент полностью зарядится, когда потребляемый им ток снизится до 0,033C (0,05C). Однако если целью является не максимально возможная заряженность, а длительный срок службы, то для остановки зарядки необходимо использовать другую комбинацию значений.

Напряжение холостого хода (OCV) полностью заряженного LiFePO4 элемента равно примерно 3,37 В. Поскольку элемент находится в состоянии покоя, то этому значению напряжения соответствует нулевой ток. В первом приближении аккумулятор можно рассматривать как источник напряжения, включенный последовательно с сопротивлением, поэтому зная начальную и конечные точки легко рассчитать остаточный ток для других значений напряжения между 3,37 и 3,65 В, например с шагом 0,25 В:

С помощью этой таблицы, можно задавать различные критерии прекращения зарядки. Например, если для LiFePO4 элемента установлено напряжение абсорбции 3,500В, то зарядку необходимо прекратить тогда, когда потребляемый им ток опустится до 0,015С. Но если зарядный ток ниже этой величины, например аккумулятор заряжается от солнечных панелей в пасмурный день и ток составляет всего 0,012 C, то зарядку следует остановить, как только напряжение элемента достигнет 3,475 В.

Условия работы сервисного аккумулятора

Сервисный аккумулятор на транспортном средстве, будь то автодом или катер, работает иначе чем батареи во множестве других устройств с аккумуляторным питанием.

Когда аккумуляторной дрелью сверлят отверстие, ее батарея разряжается. Но когда аккумулятор стоит на зарядке, дрелью не работают. Тоже самое происходит с электромобилем. Невозможно одновременно заряжать его батарею от сети и ездить по городу. И у электроинструмента, и у электромобиля ток, потребляемый аккумулятором во время зарядки, равен выходному току зарядного устройства. Следовательно, зарядное может измерять и регулировать его и имеет всю необходимую информацию для прекращения зарядки в нужный момент.

I_Bat = I_Charger

Сервисная батарея транспортного средства большую часть времени служит буфером между несколькими бортовыми потребителями и источниками электрической энергии. Поэтому в зависимости от текущей нагрузки аккумулятор может как разряжаться, так и заряжаться. В этом случае ток аккумулятора — это разница сумм всех зарядных и всех разрядных токов:

I_Bat = ∑ I_Charger – ∑ I_Load

При таком режиме эксплуатации аккумуляторной батареи бортовые зарядные устройства не способны точно определить ее состояние. Часть тока потребляет нагрузка, поэтому даже если каждое из устройств измерит свой выходной ток, это не даст никакой полезной информации для управления процессом зарядки.  Узнать ток аккумулятора I_Bat можно только с помощью датчика, расположенного на самой аккумуляторной батарее.

Существует два способа сделать это. Во-первых, если установленные на борту зарядные устройства имеют специальный вход для измерения тока, то они смогут прекращать зарядку после того, как ток опустится ниже определенного порогового значения. Во-вторых, каждое зарядное может быть подчинено мастер-контроллеру. Мастер единолично будет измерять напряжение и ток аккумулятора, а затем сообщит остальным устройствам, когда необходимо остановить зарядку.

Управление зарядкой LiFePO4 аккумулятора

Подробное описание системы Inverter Pack M12 скачать в pdf

В типичной электросистеме транспортного средства несколько устройств (солнечный контроллер, DC-DC и AC-DC зарядные) одновременно заряжают сервисный аккумулятор используя разные источники электрической энергии. Поскольку каждое из устройств следует собственному, не согласованному с остальными алгоритму, добиться высокого качества зарядки в такой системе сложно.

Точность не является проблемой, если батарея составлена из свинцово-кислотных аккумуляторов. Незначительный перезаряд им не страшен и даже в некоторых случаях полезен. Газы, выделяющиеся в аккумуляторах с жидким электролитом при перезаряде, перемешивают электролит, устраняют его расслоение и выравнивают напряжения ячеек. Литиевые элементы, наоборот, при перезаряде теряют емкость, поэтому зарядку LiFePO4 аккумулятора необходимо прекращать незадолго до того, как его заряженность достигнет 100%.

Безошибочнее всех этот момент способна определить БМС аккумуляторной батареи, так как кроме напряжения и температуры каждого элемента она отслеживает ток аккумулятора и количество отработанных им циклов (возраст).  Имея эти данные, БМС вычисляет фактическую заряженность аккумулятора в режиме реального времени, поэтому обладает всей необходимой информацией для управления системой зарядки.

Остается только объединить аккумуляторную батарею и зарядные устройства в сеть, чтобы умный аккумулятор сам мог управлять своей зарядкой — устанавливать оптимальные для текущего состояния напряжение и ток или отключать зарядные устройства, если уже полностью заряжен. Такой способ управления предотвратит перегрев и перезаряд LiFePO4 элементов, особенно в конце процесса зарядки, и гарантирует, что они прослужат заявленное количество циклов

Умные LiFePO4 аккумуляторы:

БМС в описанной системе становится единственным настоящим контроллером заряда (мастер-контроллером), а установленные на борту зарядные устройства превращаются в простые преобразователи мощности и регуляторы напряжения. Их единственная задача теперь — ограничивать выходное напряжение на требуемом уровне и ждать, пока от БМС поступит команда изменить его.

Преимущества умного аккумулятора

Решение о том, когда и насколько заряжать литиевый аккумулятор сильно влияет на его срок службы. Но неуправляемые зарядные устройства не учитывают этого, а заряжают аккумулятор полностью всегда, когда это возможно. В результате пользователь постоянно имеет большой запас электрической энергии, что он замечает и ценит, но однажды с удивлением обнаруживает, что емкость его батареи уже далеко не та, что была раньше

Система, контролируемая БМС, поддерживает заряженность аккумулятора ровно на том уровне, который необходим в текущий момент. Когда требуется, она позволяет батарее сильно разряжаться, уменьшая тем самым количество циклов заряда-разряда и время, проводимое литиевыми элементами в полностью заряженном состоянии. Такая батарея, безусловно, прослужит значительно дольше.

Вот несколько примеров управления состоянием аккумулятора:

• На борту установлены солнечные панели, которые генерируют достаточно большую мощность. Аккумуляторная батарея полностью заряжена, но расходовать запасенную энергию не хочется, так как известно, что через некоторое время она понадобится. В этом случае разумно запитать нагрузку напрямую от солнечного контроллера слегка разрядив при этом аккумулятор. Для этого достаточно установить выходное напряжение контроллера на 13,3 В, что будет ниже напряжения холостого хода аккумулятора (3,37 В/элемент)
• Транспортное средство подключено к стационарной сети, получаемой из нее энергии достаточно для питания бортового оборудования и задействовать аккумулятор не планируется в течении длительного времени. В такой ситуации сетевое зарядное необходимо переключить в режим источника питания, установив его выходное напряжение на 12,8 Вольт. Аккумулятор разрядится еще сильнее чем в предыдущем случае, но зато не потеряет емкость из-за хранения в полностью заряженном состоянии
• Транспортное средство не используется, но аккумуляторная батарея вынуждено остается подключенной к сетевому зарядному и солнечному контроллеру. Чтобы не хранить аккумулятор заряженным на 100%, БМС может заблаговременно отключить оба устройства

Установленное на многих автомобилях и катерах оборудование не позволяет управлять зарядкой LiFePO4 аккумулятора. Настройка независимых зарядных устройств в лучшем случае уменьшает возможный ущерб, но не продлевает срок службы аккумулятора. Из-за этого почти каждый день батарея перезаряжается и в результате служит меньше положенного. Вложенные в оборудование такого транспортного средства деньги оказываются потрачены неэффективно, но владелец узнает об этом слишком поздно