(16) Ідеальна акумуляторна батарея
Аккумуляторна батарея, як джерело зберігання енергії, повинна відповідати трьом ключовим параметрам: низька вартість, довговічність і висока щільність енергії.
Дослідник Техаського університету Джон Гуденафон ще у далекому 1996 році запропонував використовувати літій залізо фосфат як катод для літієвих батарей. Надалі технологія виробництва літій залізо фосфатних акумуляторів була розроблена групою вчених Массачусетського технологічного інституту під керівництвом професора Цзян Йе-Міна.
Основні характеристики цих батарей, по пунктах
LFP або LiFePO4- різновид літієвих батарей. Густина енергії батареї LFP нижча, ніж у інших поширених типів літій-іонних батарей, таких як нікель-марганцево-кобальтова (NMC) і нікель-кобальт-алюмінієва (NCA), а також має нижчу робочу напругу; Це означає, що для накопичення тієї самої кількості енергії, LFP батареї будуть займати більше місця, і якщо ви у вільному місці критично обмежені, тоді є сенс використовувати інший тип батарей, що часто і роблять виробники побутової техніки. Тут LFP програє, але значно виграє у циклах заряду - розряду. Також, однією з важливих переваг у порівнянні з іншими видами літій-іонних акумуляторів, є термічна і хімічна стабільність, що істотно підвищує безпеку цих батареї.
Число циклів заряд-розряд до втрати 20% ємності: 2000-7000 (ресурс сильно залежить від струму заряду та розряду, так при струмі 0,25 C ресурс при 100% глибині розряду перевищує 6000 циклів(уявіть собі , і це тільки для трати 20% ємності), але при струмі 1С падає до 3000, але це також дуже і дуже багато).
Що таке струм 1С - це коли струм зарядки або розряду дорівнює ємності батареї, тобто якщо батарея у вас 100Аг, то ми говоримо про струм в 100А, і це буде значити, що ви витягуєте або заряджаете всю ємність батареї за 1 годину.
Також ресурс залежить від глибини розряду: якщо при струмі 1C і 100% глибині розряду ресурс становить 3000 циклів, то за 80% — будете мати 4500 циклів, а за 60% розряду - вже 10000 циклів). Щоб ви розуміли, скільки це, скажу для порівняння, середня гелева або AGM батарея навряд чи буде мати більше 300 циклів при 100 відсотковому розряді, і втратить вона при цьому не 20% ємності, а всі 80%. Тому, ви бачите, яка прірва між цими типами батарей, 300 циклів, і 3000 циклів. Але тут треба розуміти, чи дійсно вона потрібна, така кількість циклів, і чи варто платити більше.
Термін зберігання: до 15 років
Саморозряд за кімнатної температури: десь 3-5 % на місяць
Розглянемо Напругу елементів, тут більше всього виникає питань.
3,65 В повністю заряджений елемент.
робоча напруга: 3.0-3.4 В (тут зосереджена основна ємність, десь 95%)
2.6 В - мінімальна робоча напруга (розряду)
Всі батареї, які ми використовуємо, складаються із таких елементів, і вони як правило складаються кратно чотирьом послідовно з‘єднаним елементам, котрі потім можуть бути з‘єднані паралельно між собою.
Тобто, чотири елементи формують напругу близько стандарту, 12 - 12,8 Вольт. Думаю, вони так і розроблялись, щоб бути заміною свинцево кислотних батарей, під які спроектовано дуже багато обладнання. І тут ми переходимо до наступного пункту.
Напруга заряду і розряду акумуляторних збірок.
12 Вольтові системи, мабуть одні із найпоширеніших. 4 послідовно з‘єднані ячейки (позначається як 4S). Для повного, 100% заряду, збірка має заряджатися напругою близько 14,6 Вольт, що відповідає напрузі 3,65 В на елементі. Максимальна ємність батареї зберігається на напругах 12.0 - 13,6 Вольт. Тобто, коли збірка працює на розряд, то 95% своєї ємності вона віддасть при напрузі біля 12.0 Вольт, що відповідає напрузі 3,0 В на елемент.
Чи треба заряджати елемент саме до 3,65В - існує багато думок, дехто каже, що треба, як рекомендує виробник, до 3,65В , дехто каже, щоб продовжити життя акумулятору, краще знизити верхню межу заряду, наприклад до 3,55В. І так і сяк, все працює як треба.
24 Вольтові системи. Вони як правило складаються з збірки, 8 послідовно з‘єднаних елементів(8S). Щоб отримати оптимальні робочі параметри, треба просто помножити на два, напруги 12-вольтових систем. Тобто, для повного заряду, збірка має заряджатися напругою близько 14,6*2=29,2 Вольта. Максимальна ємність батареї зберігається на напругах 24.0 - 27,2 Вольт. Тобто, коли збірка працює на розряд, то 95% своєї ємності вона віддасть при напрузі біля 24.0 Вольт, що відповідає напрузі 3,0 В на кожен з 8 елементів.
48 Вольтові системи. Вони як правило складаються з 16 послідовно з‘єднаних елементів, (схема 16S). Щоб отримати оптимальні робочі параметри, треба просто помножити на 4, напруги 12-вольтових систем. Тобто, для повного заряду, збірка має заряджатися напругою близько 14,6*4=58,4 Вольта. Максимальна ємність батареї зберігається на напругах 48.0 - 54,4 Вольт. Тобто, коли збірка працює на розряд, то 95% своєї ємності вона віддасть при напрузі біля 48.0 Вольт, що відповідає напрузі 3,0 В на кожен із 16 елементів.
Це найбільш поширені системи, які використовуються у ДБЖ і інверторах. Але можуть бути і інші.
Наступним пунктом у справі LFP батарей буде BMS-контролер. Розшифровується як Battery Management System - тобто система контролю батареї. BMS контролер використовується для виготовлення акумуляторної збірки на основі LiFePO4 та інших типів літієвих елементів. BMS має такі основні технічні характеристики: кількість підтримуваних секцій S, максимальна та мінімальна напруга на комірці, короткочасний та постійний струм розряду, струм балансування елемента.
Акумуляторна збірка, обладнана платою захисту BMS, забезпечить надійну, безпечну та довготривалу роботу літієвого акумулятора. Структура BMS контролера включає мікросхему захисту, аналогову розв'язку для балансування елементів акумулятора та силові транзистори для відключення навантаження.
Функції BMS плат
Захист від перегріву.
Захист по струму. Якщо струм заряду або розряду, перевищує встановлені граничні значення, BMS плата розімкне силові ключі та тим самим відключить навантаження або заряд.
Захист по напрузі на кожному елементі окремо, і по всій збірці загалом. Це захист від перезаряду і перерозряду). Коли плата встановлена на акумулятор, який зібраний з деякої кількості послідовно з'єднаних елементів, напруга вимірюється окремо для кожного елемента, якщо напруга на будь-якому з елементів нижче (при розряді) або вище (при заряді), ніж порогове значення, BMS плата розімкне силові ключі та тим самим відключить навантаження або заряд.
Балансування багатоелементного акумулятора - це вирівнювання напруги на всіх елементах батареї.
Більшість БМС контролерів мають струм вирівнювання між елементами - біля 30 мА. І у випадку, якщо у вас елементи великої ємності (100 Аг і більше), то його може бути недостатньо, для швидкого процесу балансування, і, наприклад в процесі заряду, елементи будуть розбалансовуватись по напрузі. Тоді на допомогу прийде активний балансир - пристрій, який оперує більш високими струмами. І чим більше різниця напруг, тим більше буде струм балансування, для швидшого вирівнювання.
BMS контролери можуть бути як звичайними, коли всі налаштування закладені виробником, і ви нічого не можете змінювати(і це в принципі достатній варіант), так і SMART-контролерами, де ви можете через Блютуз під‘єднатися до батареї, контролювати, та змінювати основні параметри, наприклад, збільшити нижній поріг розряду елементів, щоби батарея мала більше циклів роботи, або щоб підлаштувати цю напругу, для коректної роботи з джерелом безперебійного живлення, якщо, наприклад, ваш безперебійник не пристосований для роботи з LFP.
Зробимо зауваження, ми категорично не рекомендуємо використовувати LFP елементи без БМС контролера, бо не маючи професійних навиків, їх дуже просто зіпсувати.
Налаштування роботи LFP батарей із безперебійниками, розробленими для гелевих або AGM батарей - це часте питання, яке задають нашим консультантам. Це в принципі робоча схема, але є один нюанс - нижня межа напруги LFP батареї. Зазвичай, такі безперебійники налаштовані на розряд 12 вольтової батареї до 10,5 вольт, це стандартний параметр для них. А от BMS контролер LFP батареї, може мати такі налаштування, коли вже при наближенні до 11.2 Вольт, батарея блокується, так запрограмовано виробником. І коли вона блокується, то розблокується вона обо сама, за декілька годин, або до неї треба приєднати акумулятор, напругою 12-24-48, в залежності від напруги вашої LFP батареї. Зазвичай, приєднують одну, або збірку свинцево-кислотних батарей, і тоді, через певний час(від декількох хвилин, до декількох годин) BMS контролер розблоковується. Ну і як завжди, це все трапляється у самий непідходящий час, та і збірки свинцевих батарей у вас авжеж нема… Тому, щоб такої проблеми уникнути, підбирайте батарею, з BMS контролером, який відповідає робочим напругам вашого ДБЖ або інвертора.
Чим заряджати LFP. Напруга заряду.
Якщо ми беремо 12 Вольтові збірки, то максимальна рекомендована напруга зарядки становить 3,65В *4= 14,6 Вольт. Якщо маєте ЗП з ручним режимом, і можете трохи знизити, скажімо до 3,55В на елемент * 4 = від 14,2 Вольт, то може і додасте батареї трохи циклів життя. Як показує практика, зарядні пристрої для AGM або гелевих батарей, чудово підходять, якщо це сучасні, автоматичні імпульсні зарядні пристрої, із 3-х ступеневим алгоритмом заряду. Трансформаторні зарядні пристрої краще не використовувати. Завдяки БМС- контролеру, батарея під захистом, і не пропустить шкідливу для елементів напругу. Якщо ваша батарея на 24 або 48 Вольт, то помножуєте цей параметр на 2, або на 4, і отримуєте потрібну напругу заряду.
Струм заряду. Про струм заряду, ми вже казали на початку нашого огляду. Використовуючи струм заряду біля 1С - ви знижуєте ресурс батареї. Але, навіть при таких умовах, він буде достатньо тривалим. Радимо використовувати струм заряду до 0,5С. Тобто, якщо у вас батарея 100Аг, то краще заряджати її струмом до 50А, що забезпечить повний заряд, приблизно за 2 години. А ще краще, звичайно, якщо є час на зарядку, користуватися струмом близько 0,25С. Те саме, радимо робити і з розрядним струмом, тобто струм до 0,5С - повний розряд батареї, не швидше ніж за 2 години, а краще ще повільніше. Використовуйте ці рекомендації, і ваша батарея має бути в порядку.
Вага
Якщо порівнювати свинцеві батареї такі як гелеві і AGM, з LFP, то при тих самих струмових характеристиках і ємності, LFP більше ніж вдвічі легше. І це дуже важливо у деяких сферах застосування, наприклад у електротранспорті.
Сподіваємось ця інформація буде Вам в нагоді. Якщо тема збереження і накопичення енергії Вам цікава - можете подивитися огляд, ми готуємо огляди для вас. Якщо є потреба придбати акумуляторну батарею будь якого типу, консультанти магазинів завжди раді допомогти, як в наших фізичних магазинах по Україні, так і по телефонам на сайті.
Цікава та пізнавальна інформація