Как да намерите щастие с LiFePO4 (литиево-йонни) батерии

Цени на литиево-йонни батерии бавно се променя от неприлично скъпо до само умерено недостъпно и ние от BSLBATT виждаме стабилно увеличение на продажбите на този тип батерии.Повечето потребители изглежда ги карат да работят в RVs, седлови колела, кемпери и подобни превозни средства, докато някои отиват в действителни стационарни системи извън мрежата.

Тази статия ще говори за една специфична категория литиево-йонни батерии;Литиево-желязо-фосфат или LiFePO4 в неговата химическа формула, също съкратено като LFP батерии.Те са малко по-различни от това, което имате във вашия мобилен телефон и лаптоп, това са (предимно) литиево-кобалтови батерии.Предимството на LFP е, че е много по-стабилен и не е склонен към самозапалване.Това не означава, че батерията не може да се запали в случай на повреда: в заредена батерия се съхранява много енергия и в случай на непланирано разреждане резултатите могат да станат много интересни много бързо!LFP също издържа по-дълго в сравнение с литиево-кобалтовия и е по-стабилен на температура.От всички различни технологии за литиеви батерии, които съществуват, това прави LFP най-подходящ за приложения с дълбок цикъл!

Ще приемем, че батерията има BMS или система за управление на батерията, както правят почти всички LFP батерии, които се продават като пакет от 12/24/48 волта.BMS се грижи за защитата на батерията;изключва батерията, когато е разредена, или заплашва да бъде презаредена.BMS също така се грижи за ограничаване на токовете на зареждане и разреждане, следи температурата на клетките (и ограничава зареждането/разреждането, ако е необходимо) и повечето ще балансират клетките всеки път, когато се извършва пълно зареждане (мислете за балансиране като поставяне на всички клетки вътре в батерия до същото състояние на зареждане, подобно на изравняването на оловно-киселинна батерия).Освен ако не обичате да живеете на ръба, НЕ КУПУВАЙТЕ батерия без BMS!

Това, което следва по-долу, са знанията, събрани от четене на голям брой уеб статии, страници в блогове, научни публикации и дискусии с производители на LFP.Внимавайте в какво вярвате, има много дезинформация!Въпреки че това, което пишем тук, в никакъв случай не е предназначено като най-доброто ръководство за LFP батерии, нашата надежда е, че тази статия пресича говеждите екскременти и дава солидни насоки, за да извлечете максимума от вашите литиево-йонни батерии.

Защо литиево-йонна?

Обяснихме в нашата статия за оловно-киселинни батерии как ахилесовата пета на тази химия остава при частично зареждане твърде дълго.Твърде лесно е да се извади скъпа банка от оловно-киселинни батерии само за месеци, като се остави да престои частично заредена.Това е много различно за LFP!Можете да оставите литиево-йонните батерии да стоят частично заредени завинаги без повреда.Всъщност LFP предпочита да остане с частично зареждане, вместо да бъде напълно пълен или празен, и за дълготрайност е по-добре да включите батерията или да я оставите да остане с частично зареждане.

Но почакай!Има още!

Литиево-йонните батерии са почти свещеният граал на батериите: с правилните параметри на зареждане можете почти да забравите, че има батерия.Няма поддръжка.BMS ще се погрижи за това и можете щастливо да карате!

Но почакай!Има още!(Всяка прилика с определени информационни реклами е чисто съвпадение и, честно казано, възмущаваме се от предложението!)…

LFP батериите също могат да издържат много дълго време.Нашите BSLBATT LFP батерии са оценени на 3000 цикъла, при пълен 100% цикъл на зареждане/разреждане.Ако правите това всеки ден, това означава над 8 години колоездене!Те издържат дори по-дълго, когато се използват в по-малко от 100% цикли, всъщност за простота можете да използвате линейна връзка: 50% цикли на разреждане означава два пъти повече цикли, 33% цикли на разреждане и можете разумно да очаквате три пъти повече цикли.

Но почакай!Има още!…

LiFePO4 батерия също тежи по-малко от 1/2 от оловно-киселинна батерия с подобен капацитет.Той може да се справи с големи токове на зареждане (100% от Ah рейтинг не е проблем, опитайте това с оловна киселина!), позволява бързо зареждане, той е запечатан, така че няма изпарения, и има много ниска степен на саморазреждане ( 3% на месец или по-малко).

Оразмеряване на батерията за LFP

Ние намекнахме за това по-горе: литиево-йонните батерии имат 100% използваем капацитет, докато оловно-киселинните наистина завършват на 80%.Това означава, че можете да оразмерите LFP батерия с по-малък размер от оловно-киселинна банка и въпреки това функционално да е същата.Цифрите показват, че LFP може да бъде 80% от размера на ампер-часа на оловно-киселинния.В това обаче има нещо повече.

За дълготрайност банките с оловно-киселинни батерии не трябва да се оразмеряват там, където редовно виждат разреждане под 50% SOC.С LFP това не е проблем!Двупосочената енергийна ефективност за LFP е доста по-добра от тази на оловно-киселинния, което означава, че е необходима по-малко енергия за пълнене на резервоара след определено ниво на разреждане.Това води до по-бързо възстановяване до 100%, докато вече имахме по-малка батерия, засилвайки този ефект още повече.

Изводът е, че ще ни е удобно да оразмерим литиево-йонна батерия на 75% от размера на еквивалентна оловно-киселинна банка и да очакваме същата (или по-добра!) производителност.Включително и в онези тъмни зимни дни, когато слънцето не достига.

Но почакайте малко!

Наистина ли литиево-йонната е решението за всички наши проблеми с батериите?Е, не съвсем…

LFP батериите също имат своите ограничения.Голяма е температурата: не можете да зареждате литиево-йонна батерия под точката на замръзване или нула по Целзий.Оловно-киселината не можеше да се интересува по-малко от това.Все още можете да разредите батерията (при временна загуба на капацитет), но зареждането няма да се случи.BMS трябва да се погрижи да блокира зареждането при минусови температури, като избягва случайни повреди.

Температурата също е проблем във високия клас.Най-голямата единична причина за стареене на батериите е използването или дори само съхранението им при високи температури.До около 30 градуса няма проблем.Дори 45 по Целзий не води до твърде голяма санкция.Всичко по-високо обаче наистина ускорява стареенето и в крайна сметка края на батерията.Това включва съхранение на батерията, когато не е в цикъл.Ще говорим за това по-подробно по-късно, когато обсъждаме как LFP батериите се провалят.

Има подъл проблем, който може да възникне при използване на източници на зареждане, които потенциално осигуряват високо напрежение: Когато батерията е пълна, напрежението ще се повиши, освен ако източникът на зареждане не спре да се зарежда.Ако се повиши достатъчно, BMS ще защити батерията и ще я изключи, оставяйки този източник на зареждане да се повиши още повече!Това може да е проблем с (лоши) регулатори на напрежението на алтернатора на автомобила, които трябва винаги да виждат натоварване, в противен случай напрежението ще скочи и диодите ще пуснат магическия си дим.Това също може да бъде проблем с малки вятърни турбини, които разчитат на батерията, за да ги държат под контрол.Те могат да избягат, когато батерията изчезне.

След това има тази стръмна, стръмна първоначална покупна цена!

Но се обзалагаме, че все още искате един!…

Как работи LiFePO4 батерия?

Литиево-йонните батерии се наричат ​​тип батерии тип „люлеещ се стол“: те преместват йони, в този случай литиеви йони, от отрицателния към положителния електрод при разреждане и обратно при зареждане.Чертежът вдясно показва какво се случва вътре.Малките червени топчета са литиевите йони, които се движат напред-назад между отрицателния и положителния електрод. От лявата страна е положителният електрод, изграден от литиево-железен фосфат (LiFePO4).Това трябва да помогне да се обясни името на този тип батерия!Желязните и фосфатните йони образуват решетка, която улавя хлабаво литиевите йони.Когато клетката се зарежда, тези литиеви йони се изтеглят през мембраната в средата, към отрицателния електрод вдясно.Мембраната е направена от вид полимер (пластмаса) с много малки малки пори в нея, което улеснява преминаването на литиевите йони.От друга страна, откриваме решетка, съставена от въглеродни атоми, която може да улови и задържи онези литиеви йони, които се пресичат.

Разреждането на батерията прави същото нещо в обратна посока: докато електроните се отдалечават през отрицателния електрод, литиевите йони отново се движат през мембраната обратно към желязно-фосфатната решетка.Те отново се съхраняват на положителна страна, докато батерията се зареди отново.

Ако наистина сте обръщали внимание, сега разбирате, че чертежът на батерията вдясно показва LFP батерия, която е почти напълно разредена.Почти всички литиеви йони са от страната на положителния електрод.Напълно заредена батерия ще има всички тези литиеви йони, съхранявани във въглерода на отрицателния електрод.

В реалния свят литиево-йонните клетки са изградени от много тънки слоеве редуващи се алуминиеви – полимерни – медни фолиа, с химикали, залепени върху тях.Често те се навиват като желе и се поставят в стоманена кутия, подобно на AA батерия.12-волтовите литиево-йонни батерии, които купувате, са направени от много от тези клетки, свързани последователно и паралелно, за да увеличат напрежението и капацитета в ампер-час.Всяка клетка е около 3,3 волта, така че 4 от тях в серия правят 13,2 волта.Това е точното напрежение за подмяна на 12-волтова оловно-киселинна батерия!

Зареждане на LFP батерия

Повечето обикновени слънчеви контролери за зареждане нямат проблеми със зареждането на литиево-йонни батерии.Необходимите напрежения са много подобни на тези, използвани за AGM батерии (вид запечатана оловно-киселинна батерия).BMS също помага, за да се увери, че клетките на батерията виждат правилното напрежение, не се презареждат или прекомерно разреждат, балансира клетките и гарантира, че температурата на клетките е в разумни граници, докато се зареждат.

Графиката по-долу показва типичен профил на LiFePO4 батерия, която се зарежда.За да се улесни четенето, напреженията са преобразувани в това, което би видял 12-волтов LFP батериен пакет (4x едноклетъчното напрежение).

На графиката е показана скорост на зареждане от 0,5C, или половината от капацитета в Ah, с други думи за батерия от 100Ah това ще бъде скорост на зареждане от 50 Ah.Напрежението на зареждане (в червено) всъщност няма да се промени много за по-високи или по-ниски скорости на зареждане (в синьо), LFP батериите имат много плоска крива на напрежението.

Литиево-йонните батерии се зареждат на два етапа: Първо, токът се поддържа постоянен или със слънчева PV, което обикновено означава, че се опитваме да изпратим толкова ток в батериите, колкото е наличен от слънцето.Напрежението бавно ще нараства през това време, докато достигне „абсорбиращото“ напрежение, 14,6 V на графиката по-горе.След като абсорбцията е достигната, батерията е около 90% пълна и за да запълни останалата част от пътя, напрежението се поддържа постоянно, докато токът бавно намалява.След като токът спадне до около 5% – 10% от номиналния Ah на батерията, тя е в 100% състояние на зареждане.

В много отношения литиево-йонната батерия се зарежда по-лесно от оловно-киселинната батерия: стига зарядното напрежение да е достатъчно високо, за да премести йони, които тя зарежда.Литиево-йонните батерии не се интересуват, ако не са напълно заредени на 100%, всъщност те издържат по-дълго, ако не са.Няма сулфатиране, няма изравняване, времето за абсорбиране няма особено значение, не можете наистина да презаредите батерията и BMS се грижи да поддържа нещата в разумни граници.

Какво напрежение е достатъчно, за да накара тези йони да се движат?Малко експериментиране показва, че 13,6 волта (3,4 волта на клетка) е точката на прекъсване;под това много малко се случва, докато над това батерията ще се зареди поне 95% при достатъчно време.При 14,0 волта (3,5 волта на клетка) батерията лесно се зарежда до 95+ процента с няколко часа време за усвояване и за всички намерения и цели има малка разлика в зареждането между 14,0 или по-високо напрежение, нещата просто се случват малко по-бързо при 14,2 Волт и повече.

Насипно/погълнато напрежение

За да обобщим това, настройка за обем/абсорбиране между 14,2 и 14,6 волта ще работи чудесно за LiFePO4!Възможно е и по-ниско, до около 14,0 волта, с помощта на известно време за абсорбиране.Възможни са малко по-високи напрежения, BMS за повечето батерии ще позволи около 14,8 – 15,0 волта, преди да изключите батерията.Въпреки това няма полза от по-високо напрежение и по-голям риск от прекъсване от BMS и евентуално повреда.

Плаващо напрежение

LFP батериите не трябва да бъдат плаващи.Контролерите за зареждане имат това, защото оловно-киселинните батерии имат толкова висок процент на саморазреждане, че има смисъл да продължите да добавяте повече заряд, за да ги поддържате щастливи.За литиево-йонните батерии не е чудесно, ако батерията постоянно е на високо ниво на зареждане, така че ако контролерът ви за зареждане не може да деактивира плаващия режим, просто го настройте на достатъчно ниско напрежение, за да не се случи реално зареждане.Всяко напрежение от 13,6 волта или по-малко ще свърши работа.

Изравняване на напрежението

Тъй като зарядното напрежение над 14,6 волта активно се обезсърчава, трябва да е ясно, че не трябва да се прави изравняване на литиево-йонна батерия!Ако изравняването не може да бъде деактивирано, задайте го на 14,6 V или по-малко, така че да стане просто цикъл на абсорбиране на зареждане.

Абсорбиране на времето

Има много какво да се каже за просто задаване на абсорбираното напрежение на 14,4 V или 14,6 V и след това просто спрете зареждането, щом батерията достигне това напрежение!Накратко, нула (или кратко) абсорбира време.В този момент батерията ви ще бъде около 90% пълна.LiFePO4 батериите ще бъдат по-щастливи в дългосрочен план, когато не седят на 100% SOC твърде дълго, така че тази практика ще удължи живота на батерията.Ако абсолютно трябва да имате 100% SOC във вашата батерия, тогава absorb ще направи това!Официално това се достига, когато токът на зареждане спадне до 5% – 10% от номиналния Ah на батерията, така че 5 – 10 A за батерия от 100 Ah.Ако не можете да спрете абсорбирането въз основа на тока, задайте времето за абсорбиране на около 2 часа и го наречете ден.

Температурна компенсация

LiFePO4 батериите не се нуждаят от температурна компенсация!Моля, изключете това във вашия контролер за зареждане, или напрежението ви за зареждане ще падне много, когато е много топло или студено.

Не забравяйте да проверите настройките на напрежението на вашия контролер за зареждане спрямо действително измерените с качествен цифров мултицет!Малките промени в напрежението могат да имат голямо влияние при зареждане на литиево-йонна батерия!Променете съответно настройките за зареждане!

Разреждане на LFP батерия

За разлика от оловно-киселинните батерии, напрежението на литиево-йонната батерия остава много постоянно по време на разреждане.Това затруднява разпознаването на състоянието на заряд само от напрежението.За батерия с умерено натоварване кривата на разреждане изглежда по следния начин.

През повечето време по време на разреждане напрежението на батерията ще бъде около 13,2 волта.Варира само с 0,2 волта по целия път от 99% до 30% SOC.Неотдавна беше много лоша идея™ да се слезе под 20% SOC за LiFePO4 батерия.Това се е променило и текущата реколта от LFP батерии доста весело ще се разреди до 0% за много цикли.Въпреки това, има полза от колоезденето на по-малка дълбочина.Не само, че цикълът до 30% SOC ще ви осигури 1/3 повече цикли в сравнение с циклирането до 0%, батерията ви вероятно ще издържи повече цикли от това.Твърдите цифри са, добре, трудни за намиране, но цикличното намаляване до 50% SOC изглежда показва около 3 пъти живота на цикъла спрямо цикличното 100%.

По-долу има таблица, която показва напрежението на батерията за 12-волтов акумулаторен пакет спрямо дълбочината на разреждане.Вземете тези стойности на напрежението със зърно сол, кривата на разреждане е толкова плоска, че наистина е трудно да се определи SOC само от напрежението.Малките вариации в натоварването и точността на волтметъра ще попречат на измерването.

Съхранение на литиево-йонни батерии  

Много ниската степен на саморазреждане улеснява съхранението на LFP батерии дори за по-дълги периоди.Няма проблем да оставите литиево-йонна батерия за една година, просто се уверете, че има заряд в нея, преди да я поставите на склад.Нещо между 50% – 70% е добре, което ще даде на батерията много дълго време, преди саморазреждането да доведе напрежението близо до опасната точка.

Съхраняването на батериите под точката на замръзване е добре, те не замръзват и не се интересуват много от температурата.Опитайте се да избягвате да ги съхранявате при високи температури (45 градуса по Целзий и повече) и се опитайте да избягвате да ги съхранявате напълно пълни, ако е възможно (или почти празни).

Ако трябва да съхранявате батериите за по-дълго време, не забравяйте просто да изключите всички кабели от тях.По този начин не може да има бездомни товари, които бавно разреждат батериите.

Краят на вашите литиево-йонни батерии

Чуваме те да ахнеш от ужас;мисълта, че вашата скъпоценна LFP батерия вече не изпраща тръпки по гръбнака ви!Уви, всички хубави неща в крайна сметка трябва да свършат.Това, което искаме да предотвратим, е краят на преждевременния вид и за да направим това, трябва да разберем как умират литиево-йонните батерии.

Производителите на батерии смятат батерията за „мъртва“, когато капацитетът й падне до 80% от това, което трябва да бъде.И така, за батерия от 100Ah, нейният край идва, когато капацитетът й падне до 80Ah.Има два механизма, които действат за изтощаване на вашата батерия: цикъл и стареене.Всеки път, когато разреждате и презареждате батерията, тя причинява малко щети и вие губите малко капацитет.Но дори и да поставите скъпоценната си батерия в красив остъклен храм, който никога да не бъде цикличен, тя все пак ще се изтощи.Последният се нарича календарен живот.

Трудно е да се намерят твърди данни за календарния живот на LiFePO4 батериите, много малко са там.Бяха направени някои научни изследвания върху ефекта на крайностите (в температурата и SOC) върху живота в календара и те помагат да се определят ограничения.Това, което разбираме, е, че ако не злоупотребявате с батерията си, избягвате крайности и като цяло просто използвате батериите си в разумни граници, има горна граница от около 20 години за календарен живот.

Освен клетките в батерията, има и BMS, който е направен от електронни части.Когато BMS се повреди, батерията ще се повреди.Литиево-йонните батерии с вграден BMS са все още твърде нови и ще трябва да видим, но в крайна сметка системата за управление на батерията трябва да оцелее толкова дълго, колкото и литиево-йонните клетки.

Процесите вътре в батерията се заговорничат с течение на времето, за да покрият граничния слой между електродите и електролитите с химически съединения, които предотвратяват навлизането и излизането на литиевите йони от електродите.Процесите също така свързват литиевите йони в нови химични съединения, така че те вече не могат да се преместват от електрод на електрод.Тези процеси ще се случат независимо какво правим, но те са много зависими от температурата!Дръжте батериите си под 30 градуса и те са много бавни.Преминете над 45 градуса и нещата се ускоряват значително!Обществен враг бр.1 за литиево-йонни батерии, безусловно, е топлина!

Има още неща за календарния живот и колко бързо ще остарее една LiFePO4 батерия: State-Of-Charge също има нещо общо с това.Докато високите температури са лоши, тези батерии наистина, наистина не обичат да стоят при 0% SOC и много високи температури!Също така лошо, макар и не толкова лошо, колкото 0% SOC, е да седят при 100% SOC и високи температури.Много ниските температури имат по-малък ефект.Както обсъдихме, не можете (и BMS няма да ви позволи) да зареждате LFP батерии под точката на замръзване.Както се оказа, изхвърлянето им под точката на замръзване, макар и възможно, също има ускорен ефект върху стареенето.Никъде не е толкова лошо, колкото да оставите батерията си да престои при висока температура, но ако възнамерявате да излагате батерията си на ниски температури, по-добре е да го направите, докато тя нито се зарежда, нито се разрежда и с малко газ в резервоара (макар и не пълен резервоар).В по-общ смисъл е по-добре да оставите тези батерии на около 50% – 60% SOC, ако се нуждаят от по-дългосрочно съхранение.

Разтопена батерия

Ако наистина искате да знаете, какво се случва, когато литиево-йонна батерия се зареди под нулата, е, че металният литий се отлага върху отрицателния (въглероден) електрод.Не по хубав начин, той расте в остри, иглоподобни структури, които в крайна сметка пробиват мембраната и дават на късо батерията (което води до грандиозно събитие за бързо непланирано разглобяване, както го нарича НАСА, включващо дим, екстремна топлина и много вероятно пламъци също).За наш късмет, това е нещо, което BMS предотвратява да се случи.

Преминаваме към цикличен живот.Стана обичайно да се получават хиляди цикли, дори при пълен 100% цикъл на зареждане-разреждане, от литиево-йонните батерии.Все пак има някои неща, които можете да направите, за да увеличите живота на цикъла.

Говорихме за това как работят LiFePO4 батериите: Те преместват литиеви йони между електродите.Важно е да се разбере, че това са действителни, физически частици, които имат определен размер.Те се изтръгват от единия електрод и се натъпкват в другия всеки път, когато зареждате-разреждате батерията.Това причинява увреждане, по-специално на въглерода на отрицателния електрод.Всеки път, когато батерията се зарежда, електродът се издува малко и при всяко разреждане отново намалява.С течение на времето това причинява микроскопични пукнатини.Поради това зареждането малко под 100% ще ви даде повече цикли, както и разреждането до малко над 0%.Освен това мислете за тези йони като за упражняващи „налягане“, а екстремните стойности на състоянието на заряд упражняват по-голям натиск, причинявайки химични реакции, които не са в полза на батерията.Ето защо LFP батериите не обичат да се оставят на 100% SOC или да се поставят в плаващо зареждане на (близо) 100%.

Колко бързо тези литиеви йони се издърпват тук и това също има ефект върху живота на цикъла.В светлината на горното, това не трябва да е изненада.Докато LFP батериите рутинно ще извършват зареждане и разреждане при 1C (т.е. 100 ампера за 100Ah батерия), ще видите повече цикли на батерията, ако ограничите това до по-разумни стойности.Оловно-киселинните батерии имат ограничение от около 20% от номиналния Ah и оставането в рамките на това за литиево-йонните ще има предимства и за по-дълъг живот на батерията.

Последният фактор, който си струва да се спомене, е напрежението, въпреки че BMS наистина е предназначен да го контролира.Литиево-йонните батерии имат тесен прозорец на напрежението както за зареждане, така и за разреждане.Излизането извън този прозорец много бързо води до трайни щети и в горния край възможно RUD събитие (разговор с НАСА, както беше споменато по-горе).За LiFePO4 този прозорец е около 8,0 V (2,0 V на клетка) до 16,8 волта (4,2 V на клетка).Вграденият BMS трябва да се погрижи да поддържа батерията в рамките на тези граници.

Уроци за вкъщи

Сега, след като знаем как работят литиево-йонните батерии, какво харесват и какво не харесват и как в крайна сметка се провалят, има някои насоки, които да вземем.Направихме малък списък по-долу.Ако няма да правите нищо друго, моля, обърнете внимание на първите две, те имат най-голям ефект върху общото време, което ще получите, за да се насладите на вашата литиево-йонна батерия!Внимаването на другите също ще помогне, за да издържи батерията ви още по-дълго.

За да обобщим, за дълъг и щастлив живот на LFP батерията, по ред на важност, трябва да имате предвид следното:

● Поддържайте температурата на батерията под 45 градуса по Целзий (под 30 градуса, ако е възможно) – това е най-важното!!
● Поддържайте ток на зареждане и разреждане под 0,5C (за предпочитане 0,2C)
● Поддържайте температурата на батерията над 0 градуса по Целзий при разреждане, ако е възможно – това и всичко по-долу не е толкова важно, колкото първите две
● Не преминавайте под 10% – 15% SOC, освен ако наистина не е необходимо
● Не оставяйте батерията на 100% SOC, ако е възможно
● Не зареждайте до 100% SOC, ако не ви трябва

Това е!Сега и вие можете да намерите щастие и пълноценен живот с вашите LiFePO4 батерии!