(15) Идеальная аккумуляторная батарея
Аккумуляторная батарея, как источник хранения энергии, должна соответствовать трем ключевым параметрам: низкая стоимость, долговечность и высокая плотность энергии.
Исследователь Техасского университета Джон Гуденафон еще в далеком 1996 году предложил использовать литий железо фосфат в качестве катода для литиевых батарей. В дальнейшем технология производства литий железо фосфатных аккумуляторов была разработана группой ученых Массачусетского технологического института под руководством профессора Цзян Йе-Мина.
Основные характеристики этих батарей, по пунктам
LFP или LiFePO4- разновидность литиевых батарей. Плотность энергии батареи LFP ниже, чем у других распространенных типов литий-ионных батарей, таких как никель-марганцево-кобальтовая (NMC) и никель-кобальт-алюминиевая (NCA), а также имеет более низкое рабочее напряжение; Это означает, что для накопления того же количества энергии, LFP батареи будут занимать больше места, и если вы в свободном месте критически ограничены, тогда есть смысл использовать другой тип батарей, что часто и делают производители бытовой техники. Здесь LFP проигрывает, но значительно выигрывает в циклах заряда - разряда. Также, одним из важных преимуществ по сравнению с другими видами литий-ионных аккумуляторов, является термическая и химическая стабильность, что существенно повышает безопасность этих батареи.
Число циклов заряд-разряд до потери 20% емкости: 2000-7000 (ресурс сильно зависит от тока заряда и разряда, так при токе 0,25 C ресурс при 100% глубине разряда превышает 6000 циклов(представьте себе , и это только для траты 20% емкости), но при токе 1С падает до 3000, но это также очень и очень много).
Что такое ток 1С - это когда ток зарядки или разряда равен емкости батареи, то есть если батарея у вас 100Ач, то мы говорим о токе в 100А, и это будет значить, что вы вытягиваете или заряжаете всю емкость батареи за 1 час.
Также ресурс зависит от глубины разряда: если при токе 1C и 100% глубине разряда ресурс составляет 3000 циклов, то при 80% - будете иметь 4500 циклов, а при 60% разряда - уже 10000 циклов). Чтобы вы понимали, сколько это, скажу для сравнения, средняя гелевая или AGM батарея вряд ли будет иметь более 300 циклов при 100 процентном разряде, и потеряет она при этом не 20% емкости, а все 80%. Поэтому, вы видите, какая пропасть между этими типами батарей, 300 циклов, и 3000 циклов. Но тут надо понимать, действительно ли она нужна, такое количество циклов, и стоит ли платить больше.
Срок хранения: до 15 лет
Саморазряд при комнатной температуре: где-то 3-5 % в месяц
Рассмотрим Напряжение элементов, здесь больше всего возникает вопросов.
3,65 В полностью заряженный элемент.
рабочее напряжение: 3.0-3.4 В (здесь сосредоточена основная емкость, где-то 95%)
2.6 В - минимальное рабочее напряжение (разряда)
Все батареи, которые мы используем, состоят из таких элементов, и они как правило состоят кратно четырем последовательно соединенным элементам, которые затем могут быть соединены параллельно между собой.
То есть, четыре элемента формируют напряжение около стандарта, 12 - 12,8 Вольт. Думаю, они так и разрабатывались, чтобы быть заменой свинцово кислотных батарей, под которые спроектировано очень много оборудования. И здесь мы переходим к следующему пункту.
Напряжение заряда и разряда аккумуляторных сборок.
12 Вольтовые системы, пожалуй одни из самых распространенных. 4 последовательно соединенные ячейки (обозначается как 4S). Для полного, 100% заряда, сборка должна заряжаться напряжением около 14,6 Вольт, что соответствует напряжению 3,65 В на элементе. Максимальная емкость батареи сохраняется на напряжениях 12.0 - 13,6 Вольт. То есть, когда сборка работает на разряд, то 95% своей емкости она отдаст при напряжении около 12.0 Вольт, что соответствует напряжению 3,0 В на элемент.
Надо ли заряжать элемент именно до 3,65В - существует много мнений, некоторые говорят, что надо, как рекомендует производитель, до 3,65В, некоторые говорят, чтобы продлить жизнь аккумулятора, лучше снизить верхний предел заряда, например до 3,55В. И так и сяк, все работает как надо.
24 Вольтовые системы. Они как правило состоят из сборки, 8 последовательно соединенных элементов (8S). Чтобы получить оптимальные рабочие параметры, надо просто умножить на два, напряжения 12-вольтовых систем. То есть, для полного заряда, сборка должна заряжаться напряжением около 14,6*2=29,2 Вольта. Максимальная емкость батареи сохраняется на напряжениях 24.0 - 27,2 Вольт. То есть, когда сборка работает на разряд, то 95% своей емкости она отдаст при напряжении около 24.0 Вольт, что соответствует напряжению 3,0 В на каждый из 8 элементов.
48 Вольтовые системы. Они как правило состоят из 16 последовательно соединенных элементов, (схема 16S). Чтобы получить оптимальные рабочие параметры, надо просто умножить на 4, напряжения 12-вольтовых систем. То есть, для полного заряда, сборка должна заряжаться напряжением около 14,6*4=58,4 Вольта. Максимальная емкость батареи сохраняется на напряжениях 48.0 - 54,4 Вольт. То есть, когда сборка работает на разряд, то 95% своей емкости она отдаст при напряжении около 48.0 Вольт, что соответствует напряжению 3,0 В на каждый из 16 элементов.
Это наиболее распространенные системы, которые используются в ИБП и инверторах. Но могут быть и другие.
Следующим пунктом в деле LFP батарей будет BMS-контроллер. Расшифровывается как Battery Management System - то есть система контроля батареи. BMS контроллер используется для изготовления аккумуляторной сборки на основе LiFePO4 и других типов литиевых элементов. BMS имеет следующие основные технические характеристики: количество поддерживаемых секций S, максимальное и минимальное напряжение на ячейке, кратковременный и постоянный ток разряда, ток балансировки элемента.
Аккумуляторная сборка, оборудованная платой защиты BMS, обеспечит надежную, безопасную и долговременную работу литиевого аккумулятора. Структура BMS контроллера включает микросхему защиты, аналоговую развязку для балансировки элементов аккумулятора и силовые транзисторы для отключения нагрузки.
Функции BMS плат
Защита от перегрева.
Защита по току. Если ток заряда или разряда, превышает установленные предельные значения, BMS плата разомкнет силовые ключи и тем самым отключит нагрузку или заряд.
Защита по напряжению на каждом элементе отдельно, и по всей сборке в целом. Это защита от перезаряда и переразряда). Когда плата установлена на аккумулятор, который собран из некоторого количества последовательно соединенных элементов, напряжение измеряется отдельно для каждого элемента, если напряжение на любом из элементов ниже (при разряде) или выше (при заряде), чем пороговое значение, BMS плата разомкнет силовые ключи и тем самым отключит нагрузку или заряд.
Балансировка многоэлементного аккумулятора - это выравнивание напряжения на всех элементах батареи.
Большинство БМС контроллеров имеют ток выравнивания между элементами - около 30 мА. И в случае, если у вас элементы большой емкости (100 Ач и более), то его может быть недостаточно, для быстрого процесса балансировки, и, например в процессе заряда, элементы будут разбалансироваться по напряжению. Тогда на помощь придет активный балансир - устройство, которое оперирует более высокими токами. И чем больше разница напряжений, тем больше будет ток балансировки, для более быстрого выравнивания.
BMS контроллеры могут быть как обычными, когда все настройки заложены производителем, и вы ничего не можете менять (и это в принципе достаточный вариант), так и SMART-контроллерами, где вы можете через Блютуз подключиться к батарее, контролировать и изменять основные параметры, например, увеличить нижний порог разряда элементов, чтобы батарея имела больше циклов работы, или чтобы подстроить это напряжение, для корректной работы с источником бесперебойного питания, если, например, ваш бесперебойник не приспособлен для работы с LFP.
Сделаем замечание, мы категорически не рекомендуем использовать LFP элементы без БМС контроллера, так как не имея профессиональных навыков, их очень просто испортить.
Настройка работы LFP батарей с бесперебойниками, разработанными для гелевых или AGM батарей - это частый вопрос, который задают нашим консультантам. Это в принципе рабочая схема, но есть один нюанс - нижний предел напряжения LFP батареи. Обычно, такие бесперебойники настроены на разряд 12 вольтовой батареи до 10,5 вольт, это стандартный параметр для них. А вот BMS контроллер LFP батареи, может иметь такие настройки, когда уже при приближении к 11.2 Вольт, батарея блокируется, так запрограммировано производителем. И когда она блокируется, то разблокируется она обо сама, за несколько часов, или к ней надо присоединить аккумулятор, напряжением 12-24-48, в зависимости от напряжения вашей LFP батареи. Обычно, присоединяют одну или сборку свинцово-кислотных батарей, и тогда, через определенное время (от нескольких минут, до нескольких часов) BMS контроллер разблокируется. Ну и как всегда, это все случается в самое неподходящее время, да и сборки свинцовых батарей у вас конечно же нет... Поэтому, чтобы такой проблемы избежать, подбирайте батарею, с BMS контроллером, который соответствует рабочим напряжениям вашего ИБП или инвертора.
Чем заряжать LFP. Напряжение заряда.
Если мы берем 12 Вольтовые сборки, то максимальное рекомендуемое напряжение зарядки составляет 3,65В *4= 14,6 Вольт. Если имеете ЗУ с ручным режимом, и можете немного снизить, скажем до 3,55В на элемент *4= от 14,2 Вольт, то может и добавите батарее немного циклов жизни. Как показывает практика, зарядные устройства для AGM или гелевых батарей, прекрасно подходят, если это современные, автоматические импульсные зарядные устройства, с 3-х ступенчатым алгоритмом заряда. Трансформаторные зарядные устройства лучше не использовать. Благодаря БМС- контроллеру, батарея под защитой, и не пропустит вредное для элементов напряжение. Если ваша батарея на 24 или 48 Вольт, то умножаете этот параметр на 2, или на 4, и получаете нужное напряжение заряда.
Ток заряда. Про ток заряда, мы уже говорили в начале нашего обзора. Используя ток заряда около 1С - вы снижаете ресурс батареи. Но, даже при таких условиях, он будет достаточно длительным. Советуем использовать ток заряда до 0,5С. То есть, если у вас батарея 100Ач, то лучше заряжать ее током до 50А, что обеспечит полный заряд, примерно за 2 часа. А еще лучше, конечно, если есть время на зарядку, пользоваться током около 0,25С. То же, советуем делать и с разрядным током, то есть ток до 0,5С - полный разряд батареи, не быстрее чем за 2 часа, а лучше еще медленнее. Используйте эти рекомендации, и ваша батарея должна быть в порядке.
Вес
Если сравнивать свинцовые батареи такие как гелевые и AGM, с LFP, то при тех же токовых характеристиках и емкости, LFP более чем вдвое легче. И это очень важно в некоторых сферах применения, например в электротранспорте.
Надеемся эта информация будет Вам полезна. Если тема сохранения и накопления энергии Вам интересна - можете посмотреть обзор, мы готовим обзоры для вас. Если есть необходимость приобрести аккумуляторную батарею любого типа, консультанты магазинов всегда рады помочь, как в наших физических магазинах по Украине, так и по телефонам на сайте.
Цікава та пізнавальна інформація