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.

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

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

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.

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

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.

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

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.

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

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.

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