Como atopar a felicidade coas baterías LiFePO4 (Ion-Litio).

Prezos das baterías de ión-litio está cambiando lentamente de obscenamente cara a só moderadamente inasequible, e en BSLBATT estamos a ver un aumento constante nas vendas deste tipo de batería.A maioría dos usuarios parecen poñelos a traballar en vehículos recreativos, quintas rodas, campistas e vehículos similares, mentres que algúns están a entrar en sistemas estacionarios fóra da rede.

Este artigo falarase dunha categoría específica de baterías de ión-litio;Litio-Ferro-Fosfato ou LiFePO4 na súa fórmula química, tamén abreviado como baterías LFP.Estes son un pouco diferentes do que tes no teu teléfono móbil e portátil, son (principalmente) baterías de litio-cobalto.A vantaxe de LFP é que é moito máis estable e non é propenso á autocombustión.Iso non significa que a batería non poida arder en caso de dano: hai moita enerxía almacenada nunha batería cargada e, en caso dunha descarga non planificada, os resultados poden ser moi interesantes moi rápido.O LFP tamén dura máis tempo en comparación co litio-cobalto e é máis estable á temperatura.De todas as tecnoloxías de batería de litio que existen, isto fai que LFP sexa o máis axeitado para aplicacións de ciclo profundo.

Asumiremos que a batería ten un BMS ou un sistema de xestión de baterías, como case todas as baterías LFP que se venden como paquetes de 12/24/48 voltios.O BMS encárgase de protexer a batería;desconecta a batería cando se descarga ou ameaza con sobrecargarse.O BMS tamén se encarga de limitar as correntes de carga e descarga, supervisa a temperatura das células (e reduce a carga/descarga se é necesario) e a maioría equilibrará as celas cada vez que se faga unha carga completa (considere equilibrar como traer todas as células dentro do batería ao mesmo estado de carga, similar á ecualización dunha batería de plomo-ácido).A menos que che guste vivir ao límite, NON COMPRES unha batería sen BMS!

O que segue a continuación é o coñecemento obtido coa lectura dun gran número de artigos web, páxinas de blogs, publicacións científicas e discusións cos fabricantes de LFP.Coidado co que cres, hai moita desinformación!Aínda que o que escribimos aquí non é de ningún xeito a guía definitiva para as baterías LFP, a nosa esperanza é que este artigo corte os excrementos bovinos e ofreza pautas sólidas para sacar o máximo proveito das súas baterías de iones de litio.

Por que ión-litio?

No noso artigo sobre baterías de chumbo-ácido, explicamos como o talón de Aquiles desa química está a unha carga parcial durante demasiado tempo.É demasiado fácil buscar un banco de baterías de chumbo-ácido caro en só meses deixándoo a unha carga parcial.Iso é moi diferente para LFP!Podes deixar que as baterías de iones de litio se queden cunha carga parcial para sempre sen danos.De feito, LFP prefire estar a unha carga parcial en lugar de estar completamente cheo ou baleiro, e para a lonxevidade, é mellor facer ciclos coa batería ou deixala asentar cunha carga parcial.

Pero agarda!Hai máis!

As baterías de iones de litio son case o santo grial das baterías: cos parámetros de carga correctos, case podes esquecer que hai unha batería.Non hai mantemento.O BMS encargarase diso e podes ir en bicicleta.

Pero agarda!Aínda hai máis!(Calquera semellanza con certos infomerciales é puramente casual e, francamente, resentimos a suxestión!)...

As baterías LFP tamén poden durar moito tempo.O noso Baterías BSLBATT LFP están clasificados en 3000 ciclos, con un ciclo completo de carga/descarga del 100%.Se o fixeches todos os días, fai máis de 8 anos de ciclismo.Duran aínda máis cando se usan en ciclos inferiores ao 100 %, de feito, para simplificar, podes usar unha relación lineal: 50 % de ciclos de descarga significa o dobre de ciclos, 33 % de ciclos de descarga e podes esperar razoablemente tres veces os ciclos.

Pero agarda!Aínda hai máis!…

Unha batería LiFePO4 tamén pesa menos de 1/2 dunha batería de chumbo-ácido de capacidade similar.Pode soportar grandes correntes de carga (o 100% da clasificación Ah non é problema, proba iso con chumbo-ácido!), Permite unha carga rápida, está selado para que non haxa fumes e ten unha taxa de autodescarga moi baixa ( 3% ao mes ou menos).

Tamaño do banco de baterías para LFP

Insinuamos isto anteriormente: as baterías de ión-litio teñen unha capacidade útil do 100%, mentres que o chumbo-ácido realmente remata no 80%.Isto significa que pode dimensionar un banco de baterías LFP máis pequeno que un banco de chumbo-ácido e aínda así funcionando igual.Os números suxiren que a LFP pode ser un 80% do tamaño de amperios por hora do chumbo-ácido.Non obstante, hai máis.

Para a lonxevidade, os bancos de baterías de chumbo-ácido non deben dimensionarse onde se observan habitualmente descargas por debaixo do 50 % de SOC.Con LFP non hai problema!A eficiencia enerxética de ida e volta para LFP tamén é un pouco mellor que o chumbo-ácido, o que significa que se necesita menos enerxía para encher o tanque despois dun certo nivel de descarga.Isto resulta nunha recuperación máis rápida ao 100 %, mentres que xa tiñamos un banco de baterías máis pequeno, reforzando aínda máis este efecto.

A conclusión é que sería cómodo dimensionar un banco de baterías de iones de litio ao 75% do tamaño dun banco de chumbo-ácido equivalente e esperar o mesmo (ou mellor!) rendemento.Incluso eses días escuros de inverno nos que escasea o sol.

Pero agarda un minuto!

O ión de litio é realmente a solución para todos os problemas de batería?Ben, non moi...

As baterías LFP tamén teñen as súas limitacións.Unha grande é a temperatura: non podes cargar unha batería de iones de litio por debaixo do punto de conxelación ou cero graos centígrados.O chumbo-ácido non podía importarlle menos isto.Aínda podes descargar a batería (con unha perda de capacidade temporal), pero a carga non vai ocorrer.O BMS debe ter coidado de bloquear a carga a temperaturas de conxelación, evitando danos accidentais.

A temperatura tamén é un problema no extremo superior.A principal causa do envellecemento das baterías é o uso ou mesmo o almacenamento a altas temperaturas.Ata uns 30 graos centígrados, non hai ningún problema.Incluso os 45 graos centígrados non incorren en demasiada penalización.Calquera cousa máis alta realmente acelera o envellecemento e, finalmente, o fin da batería.Isto inclúe almacenar a batería cando non está a ser ciclada.Falaremos sobre isto con máis detalle máis adiante cando tratemos de como fallan as baterías LFP.

Hai un problema furtivo que pode aparecer cando se usan fontes de carga que potencialmente proporcionan unha alta tensión: cando a batería estea chea, a tensión aumentará a menos que a fonte de carga deixe de cargarse.Se aumenta o suficiente, o BMS protexerá a batería e desconectará, deixando que esa fonte de carga aumente aínda máis.Isto pode ser un problema cos reguladores de voltaxe do alternador (mal) do coche, que sempre necesitan ver unha carga ou a tensión aumentará e os díodos liberarán o seu fume máxico.Isto tamén pode ser un problema con pequenos aeroxeradores que dependen da batería para mantelos baixo control.Poden fuxir cando a batería desaparece.

Despois está ese prezo de compra inicial empinado!

Pero apostamos que aínda queres un!...

Como funciona unha batería LiFePO4?

As baterías de ión-litio denomínanse un tipo de batería de "cadeira de mecedora": moven os ións, neste caso, os ións de litio, do electrodo negativo ao positivo ao descargarse e de novo ao cargar.O debuxo da dereita mostra o que está a suceder dentro.As boliñas vermellas son os ións de litio, que se moven cara atrás e cara atrás entre os electrodos negativos e positivos. No lado esquerdo está o electrodo positivo, construído a partir de fosfato de ferro de litio (LiFePO4).Isto debería axudar a explicar o nome deste tipo de batería.Os ións ferro e fosfato forman unha reixa que atrapa os ións litio.Cando a célula se está cargando, eses ións de litio pasan a través da membrana do medio, ata o electrodo negativo da dereita.A membrana está feita dun tipo de polímero (plástico), con moitos pequenos poros, o que facilita o paso dos ións de litio.No lado negativo, atopamos unha rede feita de átomos de carbono, que pode atrapar e conter eses ións de litio que se cruzan.

A descarga da batería fai o mesmo ao revés: a medida que os electróns flúen polo electrodo negativo, os ións de litio volven a moverse, a través da membrana, de volta á rede de ferro-fosfato.Gárdanse de novo no lado positivo ata que a batería se cargue de novo.

Se realmente estiveches atento, agora entendes que o debuxo da batería da dereita mostra unha batería LFP que está case completamente descargada.Case todos os ións de litio están ao lado do electrodo positivo.Unha batería completamente cargada tería eses ións de litio almacenados dentro do carbono do electrodo negativo.

No mundo real, as células de ión-litio están construídas con capas moi finas de follas alternas de aluminio - polímero - cobre, coas substancias químicas pegadas nelas.Moitas veces enrólanse como un rolo de marmelada e colócanse nun recipiente de aceiro, como unha pila AA.As baterías de ión-litio de 12 voltios que compras están feitas de moitas destas células, conectadas en serie e en paralelo para aumentar a capacidade de voltaxe e amperios-hora.Cada cela ten uns 3,3 voltios, polo que 4 delas en serie fan 13,2 voltios.Ese é o voltaxe adecuado para substituír unha batería de chumbo-ácido de 12 voltios.

Cargando unha batería LFP

A maioría dos controladores de carga solar normais non teñen problemas para cargar baterías de iones de litio.As tensións necesarias son moi similares ás utilizadas para as baterías AGM (un tipo de batería de chumbo-ácido selada).O BMS tamén axuda a asegurarse de que as células da batería vexan a tensión correcta, non se sobrecarguen ou se descarguen en exceso, equilibra as células e asegura que a temperatura das células estea dentro do razoable mentres se están cargando.

O seguinte gráfico mostra un perfil típico dunha batería LiFePO4 que se está cargando.Para facilitar a lectura, as tensións convertéronse ao que vería unha batería LFP de 12 voltios (4 veces a tensión dunha célula).

No gráfico móstrase unha taxa de carga de 0,5 C, ou a metade da capacidade de Ah, é dicir, para unha batería de 100 Ah, esta sería unha taxa de carga de 50 Amp.A tensión de carga (en vermello) non cambiará moito para taxas de carga máis altas ou máis baixas (en azul), as baterías LFP teñen unha curva de voltaxe moi plana.

As baterías de ión-litio cárganse en dúas etapas: en primeiro lugar, a corrente mantense constante, ou con solar fotovoltaico, o que xeralmente significa que intentamos enviar tanta corrente ás baterías como dispoña do sol.A tensión aumentará lentamente durante este tempo, ata alcanzar a tensión de "absorción", 14,6 V no gráfico anterior.Unha vez que se alcanza a absorción, a batería está chea ao redor do 90% e, para cubrir o resto do camiño, a tensión mantense constante mentres a corrente vaise reducindo lentamente.Unha vez que a corrente cae ao redor do 5% ao 10% da clasificación de Ah da batería, está ao 100% do estado de carga.

En moitos aspectos, unha batería de iones de litio é máis fácil de cargar que unha batería de chumbo-ácido: sempre que a tensión de carga sexa o suficientemente alta como para mover os ións que carga.Ás baterías de iones de litio non lles importa se non están completamente cargadas, de feito, duran máis se non o están.Non hai sulfatación, non hai ecualización, o tempo de absorción non importa realmente, non se pode sobrecargar a batería e o BMS encárgase de manter as cousas dentro de límites razoables.

Entón, que voltaxe é suficiente para que eses ións se movan?Un pouco de experimentación mostra que 13,6 voltios (3,4 V por cela) é o punto de corte;por debaixo pasa moi pouco, mentres que por riba a batería estará chea polo menos ao 95% con tempo suficiente.A 14,0 voltios (3,5 V por cela), a batería carga facilmente ata máis do 95 por cento cunhas poucas horas de tempo de absorción e para todos os efectos hai pouca diferenza na carga entre voltaxes de 14,0 ou superiores, as cousas simplemente suceden un pouco máis rápido a 14,2. Voltios e por riba.

Tensión a granel/absorción

Para resumir isto, unha configuración a granel/absorción entre 14,2 e 14,6 voltios funcionará moi ben para LiFePO4.Baixo tamén é posible, ata uns 14,0 voltios, coa axuda dun tempo de absorción.Son posibles voltaxes lixeiramente máis altas, o BMS para a maioría das baterías permitirá uns 14,8 - 15,0 voltios antes de desconectar a batería.Non hai ningún beneficio para unha voltaxe máis alta, e máis risco de ser cortado polo BMS e posiblemente danos.

Tensión de flotación

As baterías LFP non necesitan ser flotadas.Os controladores de carga teñen isto porque as baterías de chumbo-ácido teñen unha taxa de autodescarga tan alta que ten sentido seguir goteando máis carga para que sexan felices.Para as baterías de ión-litio, non é xenial se a batería está constantemente nun estado de carga elevado, polo que se o controlador de carga non pode desactivar a flotación, só tes que axustalo a unha tensión o suficientemente baixa para que non se produza ningunha carga real.Calquera voltaxe de 13,6 voltios ou menos servirá.

Igualar a tensión

Con tensións de carga superiores a 14,6 voltios desanimadas activamente, debe quedar claro que non se debe facer ningunha compensación para unha batería de iones de litio.Se a ecualización non se pode desactivar, configúraa a 14,6 V ou menos, polo que se converte só nun ciclo de carga de absorción normal.

Absorbe o tempo

Hai moito que dicir sobre simplemente configurar a tensión de absorción en 14,4 V ou 14,6 V e, a continuación, deixar de cargar unha vez que a batería alcance esa tensión.En resumo, cero (ou pouco) absorbe o tempo.Nese momento, a batería estará ao redor do 90 % chea.As baterías LiFePO4 serán máis felices a longo prazo cando non permanezan ao 100 % de SOC durante demasiado tempo, polo que esta práctica prolongará a vida útil da batería.Se tes que ter o 100 % de SOC na túa batería, entón Absorb fará iso.Oficialmente, isto alcánzase cando a corrente de carga cae ao 5% - 10% da clasificación Ah da batería, polo que 5 - 10 Amp para unha batería de 100 Ah.Se non podes deixar de absorber en función da corrente, configura o tempo de absorción nunhas 2 horas e chámao ao día.

Compensación de temperatura

As baterías LiFePO4 non necesitan compensación de temperatura.Desactívao no teu controlador de carga ou a tensión de carga apagarase moito cando faga moito calor ou frío.

Asegúrate de comprobar os axustes de voltaxe do teu controlador de carga contra os que realmente se mide cun multímetro dixital de boa calidade.Os pequenos cambios de voltaxe poden ter un gran impacto ao cargar unha batería de ión-litio.Cambia a configuración de carga en consecuencia!

Descarga dunha batería LFP

A diferenza das baterías de chumbo-ácido, a tensión dunha batería de ión-litio mantense moi constante durante a descarga.Iso dificulta adiviñar o estado de carga só a partir da tensión.Para unha batería cunha carga moderada, a curva de descarga ten o seguinte aspecto.

A maior parte do tempo durante a descarga, a tensión da batería será de aproximadamente 13,2 voltios.Varía en só 0,2 voltios desde o 99% ao 30% de SOC.Non hai moito tempo era unha Very Bad Idea™ baixar do 20 % de SOC para unha batería LiFePO4.Iso cambiou, e a colleita actual de baterías LFP descargarase moi alegremente ata o 0% durante moitos ciclos.Non obstante, hai un beneficio no ciclismo menos profundo.Non se trata só de que ir en bicicleta ata o 30 % de SOC fará que teñas 1/3 de ciclos máis en comparación con un ciclo ata o 0 %, é probable que a túa batería viva durante máis ciclos que iso.Os números difíciles son, ben, difíciles de conseguir, pero baixar en bicicleta ata o 50% SOC parece mostrar preto de 3 veces a vida do ciclo fronte ao 100%.

A continuación móstrase unha táboa que mostra a tensión da batería para unha batería de 12 voltios fronte á profundidade de descarga.Tome estes valores de voltaxe cun gran de sal, a curva de descarga é tan plana que é realmente difícil determinar SOC só a partir da tensión.Pequenas variacións na carga e a precisión do voltímetro desviarán a medición.

Almacenamento de baterías de ión-litio  

A baixa taxa de autodescarga facilita o almacenamento das baterías LFP, incluso durante períodos máis longos.Non hai ningún problema para gardar unha batería de iones de litio durante un ano, só asegúrate de que teña algo de carga antes de almacenala.Algo entre o 50% e o 70% está ben, o que dará á batería moito tempo antes de que a autodescarga achegue a tensión ao punto de perigo.

Gardar as baterías por baixo do punto de conxelación está ben, non se conxelan e non se preocupan moito pola temperatura.Tenta evitar gardalos a altas temperaturas (45 graos centígrados ou superiores) e tenta evitar almacenalos completamente cheos se é posible (ou case baleiros).

Se necesitas almacenar as baterías durante períodos máis longos, asegúrate de simplemente desconectar todos os cables delas.Deste xeito non pode haber cargas perdidas que descarguen lentamente as baterías.

O fin das súas baterías de ión-litio

Escoitamos boquear de horror;a idea de que o teu precioso banco de baterías LFP xa non te envía escalofríos.Por desgraza, todas as cousas boas finalmente teñen que rematar.O que queremos evitar é o fin do tipo prematuro, e para iso temos que entender como morren as baterías de iones de litio.

Os fabricantes de baterías consideran unha batería "morta" cando a súa capacidade cae ao 80% do que debería ser.Así, para unha batería de 100 Ah, o seu fin chega cando a súa capacidade baixa a 80 Ah.Hai dous mecanismos que traballan para a desaparición da túa batería: o ciclismo e o envellecemento.Cada vez que descargas e recargas a batería danos un pouco e perdes un pouco de capacidade.Pero aínda que coloques a túa preciosa batería nun fermoso santuario pechado de vidro, para que nunca se cicle, aínda chegará ao seu fin.Ese último chámase vida do calendario.

É difícil atopar datos duros sobre a vida útil das baterías LiFePO4, hai moi poucos.Realizáronse algúns estudos científicos sobre o efecto dos extremos (en temperatura e SOC) na vida do calendario, e estes axudan a establecer límites.O que recollemos é que se non abusas do teu banco de baterías, evitas os extremos e, en xeral, só usas as baterías dentro de límites razoables, hai un límite máximo de aproximadamente 20 anos de duración do calendario.

Ademais das células dentro da batería, tamén está o BMS, que está feito de pezas electrónicas.Cando falla o BMS, tamén o fará a batería.As baterías de ión-litio con BMS incorporado aínda son demasiado novas, e teremos que ver, pero finalmente o sistema de xestión de baterías ten que sobrevivir tanto tempo como as células de ión-litio tamén.

Os procesos dentro da batería conspiran ao longo do tempo para recubrir a capa límite entre os electrodos e os electrólitos con compostos químicos que impiden que os ións de litio entren e saian dos electrodos.Os procesos tamén unen ións de litio a novos compostos químicos, polo que xa non están dispoñibles para pasar dun electrodo a outro.Eses procesos sucederán sen importar o que fagamos, pero dependen moito da temperatura.Mantén as túas baterías a menos de 30 graos centígrados e son moi lentas.Supera os 45 graos centígrados e as cousas aceleraranse considerablemente!Inimigo público núm.1 para baterías de iones de litio, con diferenza, é calor!

Hai máis sobre a vida do calendario e a rapidez con que envellecerá unha batería LiFePO4: o estado de carga tamén ten algo que ver con el.Aínda que as altas temperaturas son malas, a estas baterías realmente non lles gusta estar a 0% de SOC e temperaturas moi altas.Tamén o malo, aínda que non tan malo como o 0% SOC, é que se senten ao 100% SOC e temperaturas altas.As temperaturas moi baixas teñen menos efecto.Como comentamos, non podes (e o BMS non che permitirá) cargar baterías LFP por debaixo do punto de conxelación.Polo que se ve, descargalos baixo o punto de conxelación, aínda que é posible, tamén ten un efecto acelerado sobre o envellecemento.Non é tan malo como deixar a batería a unha temperatura elevada, pero se vai someter a batería a temperaturas xeadas, é mellor facelo mentres non se está cargando nin descargando e con algo de gas no tanque (aínda que non tanque cheo).Nun sentido máis xeral, é mellor gardar estas baterías en torno ao 50% - 60% SOC se necesitan almacenamento a longo prazo.

Batería fundida

Se realmente queres saber, o que ocorre cando unha batería de iones de litio se carga por debaixo do punto de conxelación é que o litio metálico se deposita no electrodo negativo (carbono).Tampouco de xeito agradable, crece en estruturas afiadas, en forma de agullas, que acaban perforando a membrana e acortando a batería (o que leva a un espectacular evento de desmontaxe non programado, como o chama a NASA, que inclúe fume, calor extrema e moi posiblemente). chamas tamén).Por sorte para nós, isto é algo que o BMS impide que ocorra.

Pasamos ao ciclo de vida.Tornouse común conseguir miles de ciclos, incluso cun ciclo completo de carga-descarga do 100 %, de baterías de iones de litio.Non obstante, hai algunhas cousas que podes facer para maximizar a vida útil do ciclo.

Falamos de como funcionan as baterías LiFePO4: moven ións de litio entre os electrodos.É importante entender que se trata de partículas físicas reais, que teñen un tamaño.Sácanse dun electrodo e métense no outro, cada vez que cargas e descargas a batería.Isto causa danos, en particular no carbono do electrodo negativo.Cada vez que se carga a batería, o eléctrodo incha un pouco e cada descarga volve a reducirse.Co paso do tempo que provoca fisuras microscópicas.É por iso que cargar un pouco por debaixo do 100 % darache máis ciclos, así como descargar un pouco por riba do 0 %.Ademais, pense neses ións que exercen "presión" e os números extremos de estado de carga exercen máis presión, provocando reaccións químicas que non benefician á batería.É por iso que ás baterías LFP non lles gusta que se poñan ao 100% de SOC nin se poñan en carga flotante (case) ao 100%.

A rapidez con que se arrastran eses ións de litio tamén ten un efecto no ciclo de vida.Á luz do anterior, non debería ser ningunha sorpresa.Aínda que as baterías LFP cargan e descargan rutineiramente a 1C (é dicir, 100 Amp para unha batería de 100 Ah), verás máis ciclos fóra da túa batería se limitas isto a valores máis razoables.As baterías de chumbo-ácido teñen un límite de ao redor do 20 % da clasificación Ah, e manterse dentro deste para o ion-litio tamén terá beneficios para unha maior duración da batería.

O último factor que paga a pena mencionar é a tensión, aínda que isto é realmente o que o BMS está deseñado para controlar.As baterías de ión-litio teñen unha ventá de voltaxe estreita, tanto para cargar como para descargar.Saír fóra desa ventá moi rapidamente provoca danos permanentes e no extremo superior un posible evento RUD (conversación da NASA, como se mencionou antes).Para LiFePO4, esa xanela é de aproximadamente 8,0 V (2,0 V por cela) a 16,8 V (4,2 V por cela).O BMS integrado debería ter coidado de manter a batería dentro deses límites.

Clases para levar a casa

Agora que sabemos como funcionan as baterías de ión-litio, o que lles gusta e o que non lles gusta e como fallan finalmente, hai algúns consellos para quitarlle.Fixemos unha pequena lista a continuación.Se non vas facer nada máis, toma nota dos dous primeiros, xa que son os que máis afectan ao tempo total que terás para gozar da túa batería de iones de litio.Facer caso dos demais tamén axudará a que a batería dure aínda máis.

En resumo, para unha longa e feliz duración da batería LFP, por orde de importancia, debes ter en conta o seguinte:

● Mantén a temperatura da batería por debaixo dos 45 graos centígrados (menos dos 30 graos centígrados se é posible) - ¡Este é, con moito, o máis importante!
● Mantén as correntes de carga e descarga por debaixo de 0,5 C (preferiblemente 0,2 C)
● Mantén a temperatura da batería por encima de 0 graos centígrados cando se descargue, se é posible. Isto e todo o que hai abaixo non é tan importante como os dous primeiros.
● Non circules por debaixo do 10% - 15% SOC a menos que realmente o necesites
● Non deixe flotar a batería ao 100% de SOC, se é posible
● Non cargues ao 100% SOC se non o necesitas

Iso é!Agora ti tamén podes atopar a felicidade e unha vida plena coas túas baterías LiFePO4.