Зарядка LiFePO4 аккумулятора

Аккумулятор накапливает электрический заряд и затем отдает его потребителям. Максимальный заряд, для хранения которого предназначен аккумулятор, называется его номинальной емкостью.

Зарядные характеристики LiFePO4 аккумулятора

Реальный заряд, хранимый LiFePO4 аккумулятором, может быть меньше емкости. Отношение текущего заряда к номинальной емкости называется заряженностью. Чем больший заряд хранит аккумулятор, тем выше его напряжение.

Зависимость напряжения холостого хода от заряженности для LiFePo4 аккумулятора
Чем сильнее заряжен аккумулятор, тем выше его напряжение. Напряжение холостого хода LiFePo4 аккумулятора равно 13,45 Вольт. Напряжение, измеренное после заряда, выше чем после разряда

У реального LiFePO4 аккумулятора существует внутреннее сопротивление, поэтому под нагрузкой измеряемое на клеммах напряжение оказывается ниже, а во время зарядки, наоборот, выше реального напряжения в ячейке. Напряжение аккумулятора в состоянии покоя называется напряжением холостого хода. У заряженной на 100% литий-железо-фосфатной ячейки оно равно 3,35-3,36 Вольт (13,4-13,45 Вольт для 4 ячеек)

Типичные характеристики LiFePo4 аккумулятора


  Максимальное напряжение заряда

Рекомендуемый ток заряда

  Максимальный ток заряда

Ток окончания зарядки

  Диапазон температур зарядки

Минимальное напряжение разряда

Рекомендуемый ток разряда

Максимальный ток разряда

Рекомендуемое рабочий диапазон

starter

3,65 В

0,5 С

1-2 С

0,05 С


0-45 °С

2,5 В

0,3 С

2-3 С

10-90%

Приведенные значения напряжения и тока, следует рассматривать как максимально допустимые во время зарядки литий-железо-фосфатного элемента по алгоритму CC/CV (постоянный ток – постоянное напряжение). Цель зарядки с такими параметрами – зарядить аккумулятор на 100%. Чтобы добиться этого, элемент необходимо удерживать при напряжении 3,65 Вольт до тех пор, пока потребляемый им ток не снизится до 0,05С. Другие условия окончания зарядки по могут не обеспечить LiFePO4 аккумулятору 100% заряженность. Однако необходимо помнить, что рекомендуемый верхний предел заряженности равен 90, а не 100 процентов.

Поскольку в спецификации на ячейки указываются максимальные, а не стандартные рабочие значения, распространенное утверждение о том, что 4 последовательно соединенных литий-железо-фосфатных элемента нужно заряжать до 4 x 3,65 В = 14,6 Вольт ошибочно.

Реализовать режим зарядки CC/CV на борту транспортного средства сложно. Ток, отдаваемый генератором двигателя, постоянно изменяется, а его регулятор поддерживает напряжение 14,4 – 14,6 Вольт. Кроме того, генератор не контролирует ток аккумулятора и не может прекратить зарядку тогда, когда аккумулятор уже полностью заряжен

DC-DC зарядное устройство позволяет безопасно заряжать LiFePo4 аккумулятор от генератора двигателя



Accounts

Free Trial

Projects

SSL

TBB Power DM1245

Входное и выходное напряжение 12 В

Ток зарядки 45 А

Типы аккумуляторов:  GEL, AGM, LiFePO4 , WET

-

TBB Power DDX1230

Входное и выходное напряжение 12 В

Ток зарядки 30 А

Типы аккумуляторов:  GEL, AGM, LiFePO4 , WET

Встроенный солнечный MPPT контроллер

TBB Power DMT1250

Входное и выходное напряжение 12 В

Ток зарядки 30 А

Типы аккумуляторов:  GEL, AGM, LiFePO4 , WET

Дополнительный выход для нагрузки 20 А

Зарядка при низкой температуре

Разряд LiFePO4 аккумуляторов при низкой или отрицательной температуре не причиняет литий-железо-фосфатным элементам вреда, но зарядка может вывести их из строя.

Зависимость емкости LiFePo4 аккумулятора от температуры
При отрицательной температуре емкость LiFePo4 аккумулятора падает

При низкой температуре положительным ионам лития становится сложнее проникать в графитовую матрицу анода (отрицательного электрода). Ионы покидают катод (положительный электрод), но не могут внедрится в анод и остаются на его поверхности. Соединяясь с электроном, ионы превращаются в чистый литий. Литий навсегда выбывает из процессов заряда и разряда, поэтому емкость аккумулятора теряется.  Быстрая зарядка при низкой температуре вредна для литий-железо-фосфатных ячеек, а ноль градусов — это порог, после которого заряжать большинство LiFePO4 аккумуляторов нельзя

Заряженность и срок службы

Потери емкости во время хранения LiFePo4 аккумулятора
Чем сильнее заряжен LiFePo4 аккумулятор перед хранением, тем большую емкость он потеряет. Потери емкости тем больше, чем выше температура при которой хранится аккумулятор

Со временем на поверхности отрицательного электрода увеличивается толщина неактивного слоя, на образование и рост которого расходуются ионы лития. Эти ионы не могут больше переносить заряд, поэтому емкость элемента уменьшается, а его внутренне сопротивление увеличивается. Процесс потери емкости ускорятся, когда аккумулятор постоянно находится в полностью заряженном состоянии и хранится при высокой температуре

На графике видно, что меньше всего теряют емкость элементы, которые хранились при самом низком уровне заряда и температуре. Из этого следует, что хранить LiFePO4 аккумуляторы нужно при низком напряжении, например 3,0 В на элемент и в прохладных условиях. Температура не должна превышать 25 ˚C, но лучше, если она будет еще ниже

Напряжение зарядки и заряженностью

Разность потенциалов между положительным и отрицательным электродами различна у аккумуляторов разных типов. Если напряжение зарядного устройства ниже ее значения, то аккумулятор не зарядится. А если выше, то аккумулятор можно полностью зарядить, даже тогда, когда напряжение зарядного лишь незначительно превышает ее.

Заряженность аккумулятора в зависимости от напряжения окончания зарядки
На графике видно, что заряжать LiFePo4 элемент до максимального напряжения не имеет смысла. Если зарядка заканчивается при напряжении 3,65 В/элемент (14,6 В для 4 ячеек) аккумулятор получает 100% заряд. Но почти такой же заряд он получит, если напряжение окончания зарядки равно 3,5 В/элемент (14,0 В для 4 ячеек). Чем выше напряжение тем большую нагрузку испытывает элемент и тем меньше он служит

Во время зарядки LiFePO4 аккумулятора ионы лития проникают в твердые соединения, имеющими кристаллическую структуру. Этот процесс называется интеркаляцией. Но чтобы загнать ионы в пространство между кристаллическими плоскостями, нужна приложить силу (напряжение). Чем больше сила, тем больше ионов проникнет в материал электрода, но тем больше нагрузка на материал.

Интересно узнать, как зависит заряд, получаемый аккумулятором, от напряжения окончания зарядки. Такой эксперимент проводился для литий-железо фосфатных элементов 26650 емкостью около 2000 мАч. В ходе эксперимента элементы заряжались током 1,6 А до различного напряжения и затем удерживались при этом напряжении до тех пор, пока ток не опускался до 30 мА (стандартный метод постоянный ток-постоянное напряжение). После этого элементы разряжались до 2,6 Вольт. Во время разряда определялся заряд полученный при зарядке

DC-DC зарядные устройства для LiFePO4 аккумуляторов большой емкости



Accounts

Free Trial

Projects

SSL

Storage

Domains

Sterling Power BB12120

Входное и выходное напряжение 12 В

Максимальный входной ток 120 А

6 программ зарядки, в том числе 2 для LiFePO4  АКБ

Выходная мощность 1620 Вт

Размеры - 270 х 130 х 73 мм

Вес 1,8 кг

Sterling Power BB1260

Входное и выходное напряжение 12 В

Максимальный входной ток 60 А

9 программ зарядки, в том числе 1 для LiFePO4  АКБ

Выходная мощность 630 Вт

Размеры - 190 х 160 х 70 мм

Вес 1,4 кг

Sterling Power BB1270

Входное и выходное напряжение 12 В

Максимальный входной ток 70 А

6 программ зарядки, в том числе 2 для LiFePO4  АКБ

Выходная мощность 930 Вт

Размеры - 200 х 130 х 56  мм

Вес 1 кг

Эксперимент показал, что если зарядка оканчивалась при напряжении меньшем чем 3,3 Вольта, заряженность элемента не поднималась выше 30%. Но зато при напряжении окончания зарядки 3,4 Вольта, она достигала 96-99%. Дальнейшее увеличение напряжения до 3,6-3,7 Вольт доводило заряженность элемента до 100%. При напряжении 4,2 Вольта ячейки заряжались на 100-103%

Перезарядка

Перезарядка наступает тогда, когда аккумулятор получает большее количество электричества (ампер-часов), чем-то на которое он рассчитан.

Во время зарядки ионы лития покидают положительный электрод, по электролиту достигают отрицательного и постепенно проникают в его кристаллическую структуру. Сначала ионы занимают свободные места на поверхности, но постепенно продвигаются вглубь материала электрода и распространяются по всему его объему.

Если напряжение зарядки постоянно, то количество высвобождающихся ионов постепенно уменьшается. Внешний наблюдатель замечает это по снижающемуся зарядному току. Когда ток опустится до 5% от емкости, LiFePO4 аккумулятор считается заряженным на 100%, поэтому сразу после этого зарядку необходимо прекратить. Если этого не сделать, то аккумулятор получит избыточный заряд или перезарядится.

Срок службы LiFePo4 элемента в зависимости от уровня заряда
Если заряжать LiFePo4 элемент на 105 %, то он выйдет из строя через 100 циклов заряда разряда. А если доводить его заряд до 110%, то он выдержит всего 10 циклов

Но поскольку и катод (+), и анод (-) изготавливаются с определенным запасом емкости, однократная перезарядка на 1-3% мало влияет на состояние литий-железо-фосфатного элемента. Некоторое количество ионов лития теряется, емкость слегка уменьшается, но потери не критичны. Проблемы возникают тогда, когда аккумулятор получает заряд, превышающий 104-105% от номинальной емкости.

Перезарядка происходит за счет лития, который в нормальных условиях оставался в катоде (+), но сейчас вынужден двигаться к аноду, чтобы встроиться в его структуру. Однако из-за недостатка места избыточные ионы лития с трудом проникают внутрь материала анода. Часть из них не успевает это сделать и превращается в металлический литий, который остается на поверхности электрода.

Эти зарядные устройства имеют режим зарядки LiFePo4 аккумуляторов

PLAN - PRICE

Description

Description

Description

Description

Description

Description

TBB Power BS1225-3

25 А три выхода 

LiFePO4, AGM, GEL, жидкий электролит  

 

 

TBB Power CC2.0 

100 А 2 выхода 

LiFePO4, AGM, GEL, жидкий электролит 

 

 

TBB Power BS1240-3

40 А три выхода

LiFePO4, AGM, GEL, жидкий электролит 

 

 

Металлизированный литий – химически очень активный материал. Он вступает в побочную реакцию с электролитом в результате которой увеличивается внутреннее сопротивление элемента. Металлический литий, не участвующий в этой реакции, остается на поверхности анода. Он больше не может переносить заряд, поэтому количество хранимой в элементе энергии (его емкость) уменьшается

Если источник зарядки продолжает работать, то постепенно большая часть лития покидает катод (+). Напряжение и температура аккумулятора возрастают, и защитная пленка между электролитом и анодом начинает разлагаться. Активный материал анода теряет защиту и литий, находящийся в нем, взаимодействует с электролитом. Обе реакции приводят к росту температуры и образованию газа. Газ накапливается и давление внутри корпуса элемента постепенно возрастает. Из-за этого корпус сначала раздувается, а затем, когда давление достигает предельно допустимого значения, газ вырывается наружу через предохранительный клапан.

Вместе с газом уходит часть тепла, и температура элемента снижается. Однако из-за того, что химические реакции продолжаются, температура внутри элемента вновь быстро возрастает. Когда она достигает температуры плавления сепаратора, сепаратор разрушается. Возникающее следом за этим масштабное короткое замыкание выводит элемент из строя.

Напряжение и заряженность LiFePo4 элемента в зависимости от зарядного тока
Напряжение и заряженность в зависимости от зарядного тока для LiFePo4 элемента емкостью 10AH При токе 1С элемент будет заряжен на 100% когда его напряжение повысится до 3,6 В (14,4В). При токе 0,2С напряжение 100% заряженного элемента равно 3,45 В (13,8 В)

Но короткое замыкание может наступить и по другим причинам. При регулярной зарядке аккумулятора более чем на 105% емкости на положительном электроде (катоде) появляются ионы железа. Часть из них двигается к аноду (-), принимает вблизи него электроны и становится нейтральным железом. Ионы, оставшиеся рядом катодом, также становятся нейтральными атомами железа, но уже во время разряда аккумулятора. Очень быстро железо на обоих электродах кристаллизуется. Кристаллы растут и со временем формируют железный мост, который вызывает микро замыкание. Эксперименты показали, что литий-железо-фосфатный элемент заряжаемый на 105% выдерживает около 100 циклов заряда разряда, а заряжаемый на 110% выходит из строя через 10 циклов

Как правило, такая критическая перезарядка возможна лишь в аккумуляторе с вышедшим из строя контроллером. Но и при нормально работающей БМС аккумулятор также может регулярно перезаряжаться, просто это будет происходить медленнее. Чем старше аккумулятор, тем больше рассогласование элементов, и тем легче их перезарядить.

Важно помнить, что напряжение холостого хода полностью заряженного литий-железо-фосфатного аккумулятора равно 13,4-13,45 Вольт. Следовательно, любое напряжение источника зарядки превышающее это значение, приведет перезарядке аккумулятора.

Если отношение зарядного тока к емкости мало (ток менее 0,2С), то заряженность LiFePO4  аккумулятора достигнет 100% задолго до того, как его напряжение увеличится до 14 Вольт. Поэтому аккумулятор легко перезарядить, даже не подозревая об этом. Стоит это сделать 50-100 раз всего лишь на 5%, как аккумулятор потеряет значительную часть емкости или выйдет из строя. Чтобы этого не произошло зарядное устройство или инвертор-зарядное должно контролировать напряжение окончания зарядки, зарядный ток и продолжительность этапа абсорбции

Задайте вопрос,

и получите консультацию по электрооборудованию для катера, яхты, автодома или кемпера

Ваше имя

Ваш e-mail

Сообщение

captcha