Како пронаћи срећу са ЛиФеПО4 (литијум-јонским) батеријама

Цене литијум-јонских батерија полако се мења од непристојно скупих до умерено недоступних, а ми у БСЛБАТТ-у видимо сталан пораст продаје ове врсте батерија.Чини се да их већина корисника ставља да раде у камперима, приколицима, камперима и сличним возилима, док неки иду у стварне стационарне системе ван мреже.

Овај чланак ће говорити о једној специфичној категорији литијум-јонских батерија;Литијум-гвожђе-фосфат или ЛиФеПО4 у својој хемијској формули, такође скраћено као ЛФП батерије.Ово су мало другачије од онога што имате у свом мобилном телефону и лаптопу, то су (углавном) литијум-кобалтне батерије.Предност ЛФП-а је што је много стабилнији и није склон самосагоревању.То не значи да батерија не може да се сагори у случају оштећења: у напуњеној батерији је ускладиштено много енергије и у случају непланираног пражњења резултати могу врло брзо постати занимљиви!ЛФП такође траје дуже у поређењу са литијум-кобалтом и стабилнији је на температуру.Од свих различитих технологија литијумских батерија које постоје, ово чини ЛФП најпогоднијим за апликације дубоког циклуса!

Претпоставићемо да батерија има БМС или систем за управљање батеријом, као што то раде скоро све ЛФП батерије које се продају у пакету од 12/24/48 волти.БМС брине о заштити батерије;искључује батерију када је испражњена или прети да буде пренапуњена.БМС такође брине о ограничавању струја пуњења и пражњења, прати температуру ћелије (и смањује пуњење/пражњење ако је потребно), а већина ће балансирати ћелије сваки пут када се заврши потпуно пуњење (мислите на балансирање као на довођење свих ћелија унутар батерија на исто стање напуњености, слично као код изједначавања за оловно-киселинску батерију).Осим ако не волите да живите на ивици, НЕ КУПУЈЕТЕ батерију без БМС-а!

Оно што следи у наставку је знање стечено читањем великог броја веб чланака, блог страница, научних публикација и дискусија са произвођачима ЛФП-а.Пазите у шта верујете, тамо има много дезинформација!Иако ово што овде пишемо никако није намењено као крајњи водич за ЛФП батерије, надамо се да ће овај чланак проћи кроз говеђе измет и дати чврсте смернице како да извучете максимум из ваших литијум-јонских батерија.

Зашто литијум-јонски?

Објаснили смо у нашем чланку о оловним батеријама како Ахилова пета те хемије предуго седи на делимичном напуњењу.Превише је лако покупити скупу батерију оловних батерија за само неколико месеци тако што ћете је оставити да се напаја делимично.То је веома другачије за ЛФП!Можете пустити литијум-јонске батерије да се заувек напуне делимично без оштећења.У ствари, ЛФП више воли да седи са делимичном напуњеношћу уместо да буде потпуно пун или празан, а за дуговечност, боље је да батерију ставите у циклус или да је пустите да се напуните делимично.

Али чекај!Има још!

Литијум-јонске батерије су скоро свети грал батерија: са правим параметрима пуњења, можете скоро заборавити да постоји батерија.Нема одржавања.БМС ће се побринути за то, а ви можете са задовољством отићи бициклом!

Али чекај!Има још!(Свака сличност са одређеним рекламама је чиста случајна, и, искрено, негодујемо због тог предлога!)…

ЛФП батерије такође могу трајати веома дуго.Наше БСЛБАТТ ЛФП батерије су оцењени на 3000 циклуса, при пуном циклусу пуњења/пражњења од 100%.Ако то радите сваки дан, значи више од 8 година вожње бициклом!Трају још дуже када се користе у циклусима мањим од 100%, у ствари, ради једноставности можете користити линеарни однос: 50% циклуса пражњења значи два пута више циклуса, 33% циклуса пражњења и можете разумно очекивати три пута више циклуса.

Али чекај!Има још!…

ЛиФеПО4 батерија такође тежи мање од 1/2 оловне батерије сличног капацитета.Може да поднесе велике струје пуњења (100% Ах оцене није проблем, пробајте то са оловном киселином!), омогућава брзо пуњење, запечаћен је тако да нема испарења и има веома ниску стопу самопражњења ( 3% месечно или мање).

Одређивање величине банке батерија за ЛФП

Горе смо наговестили ово: Литијум-јонске батерије имају 100% употребљивог капацитета, док оловно-киселинске заиста завршавају на 80%.То значи да ЛФП батерију можете димензионирати мањом од банке оловне киселине, а да и даље буде функционално иста.Бројке сугеришу да ЛФП може бити 80% величине ампер-часа од оловне киселине.Ипак, има још тога.

За дуговечност, банке оловних батерија не би требало да буду димензионисане тамо где редовно примећују пражњење испод 50% СОЦ.Са ЛФП-ом то није проблем!Енергетска ефикасност за ЛФП је прилично боља од оловне киселине, што значи да је потребно мање енергије за пуњење резервоара након одређеног нивоа пражњења.То резултира бржим опоравком на 100%, док смо већ имали мању батерију, што је још више појачало овај ефекат.

Суштина је у томе да би нам било удобно да литијум-јонску батерију одредимо на 75% величине еквивалентне оловно-киселинске банке, и да очекујемо исте (или боље!) перформансе.Укључујући и оне мрачне зимске дане када нема довољно сунца.

Али сачекај мало!

Да ли је литијум-јонска заиста решење за све проблеме са батеријама?Па, не баш…

ЛФП батерије такође имају своја ограничења.Велика је температура: Не можете пунити литијум-јонску батерију испод тачке смрзавања или нула Целзијуса.Олово-киселина није могла да брине о овоме.И даље можете да испразните батерију (уз привремени губитак капацитета), али пуњење се неће догодити.БМС треба да води рачуна да блокира пуњење на ниским температурама, избегавајући случајна оштећења.

Температура је такође проблем на високом нивоу.Највећи појединачни узрок старења батерија је употреба или чак само складиштење на високим температурама.До око 30 степени, нема проблема.Чак ни 45 степени Целзијуса не носи превелику казну.Све што је више заиста убрзава старење и на крају крај батерије.Ово укључује складиштење батерије када се не покреће.О томе ћемо детаљније говорити касније када будемо разговарали о томе како ЛФП батерије не раде.

Постоји подмукли проблем који се може појавити када користите изворе пуњења који потенцијално обезбеђују висок напон: Када је батерија пуна, напон ће расти осим ако извор пуњења не престане да се пуни.Ако се довољно подигне, БМС ће заштитити батерију и искључити је, остављајући извор пуњења да расте још више!Ово може бити проблем са (лошим) регулаторима напона ауто алтернатора, који увек морају да виде оптерећење или ће напон скочити и диоде ће пустити свој магични дим.Ово такође може бити проблем са малим ветротурбинама које се ослањају на батерију да би их држале под контролом.Могу да побегну када батерија нестане.

Затим ту је та стрма, стрма, почетна куповна цена!

Али кладимо се да га и даље желите!…

Како функционише ЛиФеПО4 батерија?

Литијум-јонске батерије се називају типом батерија за љуљање: Оне померају јоне, у овом случају, литијум јоне, са негативне на позитивну електроду приликом пражњења и назад када се пуне.Цртеж са десне стране показује шта се дешава унутра.Мале црвене куглице су литијум јони, који се крећу напред-назад између негативне и позитивне електроде. На левој страни је позитивна електрода, направљена од литијум-гвожђе-фосфата (ЛиФеПО4).Ово би требало да помогне да се објасни назив ове врсте батерија!Јони гвожђа и фосфата формирају мрежу која лабаво заробљава литијумове јоне.Када се ћелија пуни, ти литијум јони се провлаче кроз мембрану у средини, до негативне електроде са десне стране.Мембрана је направљена од врсте полимера (пластике), са пуно малих пора у себи, што олакшава пролаз литијум јонима.Са негативне стране, налазимо решетку направљену од атома угљеника, која може ухватити и задржати оне литијумове јоне који прелазе.

Пражњење батерије чини исту ствар у обрнутом смеру: како електрони одлазе кроз негативну електроду, јони литијума поново иду у покрету, кроз мембрану, назад у решетку гвожђе-фосфата.Поново се чувају на позитивној страни док се батерија поново не напуни.

Ако сте заиста обраћали пажњу, сада схватате да цртеж батерије са десне стране показује ЛФП батерију која је скоро потпуно испражњена.Скоро сви литијум јони су на страни позитивне електроде.Потпуно напуњена батерија би имала те литијум-јоне све ускладиштене унутар угљеника негативне електроде.

У стварном свету, литијум-јонске ћелије су изграђене од веома танких слојева наизменичних алуминијум-полимер-бакар фолија, са хемикалијама налепљеним на њих.Често се умотају као желе-ролна и ставе у челични канистер, слично као АА батерија.Литијум-јонске батерије од 12 волти које купујете направљене су од многих од тих ћелија, повезаних серијски и паралелно како би се повећао капацитет напона и ампер-часа.Свака ћелија је око 3,3 волта, тако да 4 од њих у серији чине 13,2 волта.То је таман прави напон за замену оловне батерије од 12 волти!

Пуњење ЛФП батерије

Већина обичних соларних контролера пуњења нема проблема са пуњењем литијум-јонских батерија.Потребни напони су веома слични онима који се користе за АГМ батерије (врста запечаћене оловно-киселинске батерије).БМС такође помаже, осигуравајући да ћелије батерије виде прави напон, да се не препуне или превише испразне, балансира ћелије и осигурава да је температура ћелије унутар разумног оквира док се пуне.

Графикон испод приказује типичан профил ЛиФеПО4 батерије која се пуни.Да би се олакшало читање, напони су конвертовани у оно што би видела ЛФП батерија од 12 В (4к напон једне ћелије).

На графикону је приказана брзина пуњења од 0,5 Ц, или половина капацитета Ах, другим речима за батерију од 100 Ах то би била брзина пуњења од 50 А.Напон пуњења (црвено) се неће много променити за веће или ниже стопе пуњења (плаво), ЛФП батерије имају веома равну криву напона.

Литијум-јонске батерије се пуне у две фазе: Прво, струја се одржава константном, или са соларним ПВ-ом, што генерално значи да покушавамо да пошаљемо онолико струје у батерије колико је доступно од сунца.Напон ће полако расти током овог времена, све док не достигне напон 'апсорбовања', 14,6В на графикону изнад.Када се апсорбује батерија је пуна око 90%, а да би се попунио остатак пута, напон се одржава константним док се струја полако смањује.Када струја падне на око 5% – 10% Ах оцене батерије, она је на 100% Стање напуњености.

На много начина литијум-јонска батерија је лакша за пуњење од оловно-киселинске батерије: све док је напон пуњења довољно висок да помери јоне, пуни се.Литијум-јонске батерије није брига ако нису 100% напуњене, у ствари, дуже трају ако нису.Нема сулфатирања, нема изједначавања, време апсорпције није битно, не можете стварно препунити батерију, а БМС брине о томе да ствари буду у разумним границама.

Дакле, који је напон довољан да покрене те јоне?Мало експериментисања показује да је 13,6 В (3,4 В по ћелији) гранична тачка;испод тога се врло мало дешава, док ће изнад тога батерија бити напуњена најмање 95% ако има довољно времена.На 14,0 Волти (3,5В по ћелији) батерија се лако пуни до 95+ процената са неколико сати апсорбовања времена и за све намере и сврхе постоји мала разлика у пуњењу између напона од 14,0 или више, ствари се дешавају мало брже на 14,2 Волт и више.

Булк/Абсорб Волтаге

Да сумирамо ово, поставка за расути/апсорбовање између 14,2 и 14,6 волти ће одлично функционисати за ЛиФеПО4!Могуће је и ниже, до око 14,0 волти, уз помоћ неког времена апсорбовања.Могући су нешто већи напони, БМС за већину батерија ће дозволити око 14,8 – 15,0 волти пре него што одвојите батерију.Међутим, нема користи од већег напона и већег ризика да вас БМС прекине, а можда и оштећења.

Флоат Волтаге

ЛФП батерије не морају да се лебде.Контролори пуњења имају ово зато што оловне батерије имају тако високу стопу самопражњења да има смисла наставити са још више напуњености како би биле срећне.За литијум-јонске батерије, није сјајно ако батерија стално стоји на високом нивоу напуњености, па ако ваш контролер пуњења не може да онемогући плутање, само га подесите на довољно низак напон да се стварно пуњење неће догодити.Било који напон од 13,6 волти или мање ће бити довољан.

Изједначите напон

Уз активно обесхрабрење напона пуњења преко 14,6 волти, требало би да буде јасно да не треба вршити изједначавање литијум-јонске батерије!Ако изједначавање не може да се онемогући, подесите га на 14,6В или мање, тако да постане само редован циклус апсорбовања пуњења.

Абсорб Тиме

Много тога се може рећи о једноставном постављању напона апсорпције на 14,4В или 14,6В, а затим једноставно престати са пуњењем када батерија достигне тај напон!Укратко, нула (или кратко) време апсорбовања.У том тренутку, ваша батерија ће бити пуна око 90%.ЛиФеПО4 батерије ће дугорочно бити срећније када не раде предуго на 100% СОЦ, тако да ће ова пракса продужити век батерије.Ако апсолутно морате да имате 100% СОЦ у батерији, онда ће абсорб то учинити!Званично, ово се постиже када струја пуњења падне на 5% – 10% Ах оцене батерије, дакле 5 – 10 А за батерију од 100 Ах.Ако не можете да зауставите апсорпцију на основу струје, подесите време апсорпције на око 2 сата и назовите то на дан.

Температурна компензација

ЛиФеПО4 батеријама није потребна температурна компензација!Искључите ово у свом контролеру пуњења или ће ваш напон пуњења бити јако искључен када је веома топло или хладно.

Обавезно проверите подешавања напона вашег контролера пуњења у поређењу са онима измереним дигиталним мултиметром доброг квалитета!Мале промене напона могу имати велики утицај при пуњењу литијум-јонске батерије!У складу са тим промените подешавања пуњења!

Пражњење ЛФП батерије

За разлику од оловно-киселинских батерија, напон литијум-јонске батерије остаје веома константан током пражњења.То отежава предвиђање стања напуњености само на основу напона.За батерију са умереним оптерећењем, крива пражњења изгледа овако.

Већину времена током пражњења, напон батерије ће бити око 13,2 волта.Она варира за само 0,2 волта све од 99% до 30% СОЦ.Не тако давно била је веома лоша идеја™ да се спусти испод 20% СОЦ за ЛиФеПО4 батерију.То се променило и тренутна количина ЛФП батерија ће се прилично весело празнити све до 0% током многих циклуса.Међутим, постоји предност у вожњи бициклом мање дубоко.Не ради се само о томе да ће вам циклус до 30% СОЦ-а дати 1/3 циклуса више у односу на смањење на 0%, ваша батерија ће вероватно живети више циклуса од тога.Тешко је доћи до тврдих бројева, али чини се да спуштање бициклом на 50% СОЦ-а показује око 3 пута дужи животни век у односу на 100%.

Испод је табела која приказује напон батерије за батерију од 12 волти у односу на дубину пражњења.Узмите ове вредности напона са резервом, крива пражњења је толико равна да је заиста тешко одредити СОЦ само на основу напона.Мале варијације у оптерећењу и тачности волт метра ће одбацити мерење.

Чување литијум-јонских батерија  

Веома ниска стопа самопражњења олакшава складиштење ЛФП батерија, чак и на дуже периоде.Није проблем одложити литијум-јонску батерију на годину дана, само се уверите да је у њој напуњена пре него што је ставите у складиште.Нешто између 50% – 70% је у реду, што ће дати батерији веома дуго времена пре него што самопражњење доведе напон близу тачке опасности.

Чување батерија испод нуле је у реду, оне се не смрзавају и не брину много о температури.Покушајте да избегнете да их чувате на високим температурама (45 Ц и више) и покушајте да избегнете да их складиштите потпуно пуни ако је могуће (или скоро празне).

Ако треба да чувате батерије на дужи период, обавезно једноставно искључите све жице из њих.На тај начин не може постојати залутало оптерећење које полако празни батерије.

Крај ваших литијум-јонских батерија

Чујемо вас како дахћете од ужаса;помисао на вашу драгоцену ЛФП батерију више вам не изазива дрхтавицу!Авај, свим добрим стварима на крају мора доћи крај.Оно што желимо да спречимо је крај преране врсте, а да бисмо то урадили морамо да разумемо како литијум-јонске батерије умиру.

Произвођачи батерија сматрају батерију „мртвом“ када њен капацитет падне на 80% од онога што би требало да буде.Дакле, за батерију од 100 Ах, њен крај долази када њен капацитет падне на 80 Ах.Постоје два механизма који делују ка нестанку ваше батерије: бициклизам и старење.Сваки пут када испразните и напуните батерију, она мало оштети, а ви губите мало капацитета.Али чак и ако своју драгоцену батерију ставите у прелепу стаклену светињу, која се никада не сме возити, ипак ће доћи крај.Тај последњи се зове календарски живот.

Тешко је пронаћи чврсте податке о календарском животном веку за ЛиФеПО4 батерије, врло мало их има.Урађене су неке научне студије о утицају екстрема (температуре и СОЦ) на календарски живот и оне помажу у постављању граница.Оно што смо схватили је да ако не злоупотребљавате батерију, избегавате екстреме и генерално користите батерије само у разумним границама, постоји горња граница од око 20 година трајања календара.

Поред ћелија унутар батерије, ту је и БМС који је направљен од електронских делова.Када БМС поквари, поквариће се и ваша батерија.Литијум-јонске батерије са уграђеним БМС-ом су још увек сувише нове, и то ћемо морати да видимо, али на крају систем за управљање батеријама мора да опстане онолико дуго колико и литијум-јонске ћелије.

Процеси унутар батерије се током времена завере да обложе гранични слој између електрода и електролита хемијским једињењима која спречавају литијум јоне да уђу и изађу из електрода.Процеси такође везују литијум јоне у нова хемијска једињења, тако да више нису доступни за кретање са електроде на електроду.Ти процеси ће се десити шта год да радимо, али они у великој мери зависе од температуре!Држите батерије испод 30 степени Целзијуса и оне су веома споре.Пређите преко 45 степени Целзијуса и ствари ће се знатно убрзати!Јавни непријатељ бр.1 за литијум-јонске батерије, далеко је топлота!

Постоји још много тога о календарском животу и томе колико брзо ће ЛиФеПО4 батерија старити: Стање напуњености такође има неке везе са тим.Иако су високе температуре лоше, ове батерије заиста, заиста не воле да седе на 0% СОЦ и веома високим температурама!Такође лоше, иако не тако лоше као 0% СОЦ, је да седе на 100% СОЦ и високим температурама.Веома ниске температуре имају мањи ефекат.Као што смо разговарали, не можете (а БМС вам неће дозволити) да пуните ЛФП батерије испод нуле.Како се испоставило, њихово пражњење испод нуле, иако је могуће, има и убрзани ефекат на старење.Ни приближно тако лоше као оставити батерију да стоји на високој температури, али ако ћете батерију изложити ниским температурама, боље је то учинити док се не пуни нити празни и са мало гаса у резервоару (иако не пун резервоар).У општијем смислу, боље је одложити ове батерије на око 50% – 60% СОЦ ако им је потребно дуготрајније складиштење.

Отопљена батерија

Ако заиста желите да знате, шта се дешава када се литијум-јонска батерија напуни испод тачке смрзавања је да се метални литијум наноси на негативну (угљеничну) електроду.Ни на леп начин, расте у оштрим, игличастим структурама, које на крају пробуше мембрану и искључују батерију (што доводи до спектакуларног догађаја брзог непланираног расклапања, како га НАСА назива, који укључује дим, екстремну топлоту и врло могуће пламен такође).На нашу срећу, ово је нешто што БМС спречава да се догоди.

Прелазимо на живот циклуса.Постало је уобичајено да се хиљаде циклуса, чак и при пуном циклусу пуњења-пражњења од 100%, из литијум-јонских батерија.Постоје неке ствари које можете учинити да бисте максимизирали животни век циклуса.

Разговарали смо о томе како функционишу ЛиФеПО4 батерије: Оне померају литијум јоне између електрода.Важно је разумети да су то стварне, физичке честице које имају своју величину.Они се извлаче из једне електроде и стављају у другу, сваки пут када пуните-празните батерију.Ово узрокује оштећење, посебно угљеника негативне електроде.Сваки пут када се батерија напуни, електрода мало набубри, а сваким пражњењем поново се смањује.Временом то узрокује микроскопске пукотине.Због тога ће вам пуњење мало испод 100% дати више циклуса, као и пражњење до мало изнад 0%.Такође, замислите да ти јони врше „притисак“, а екстремни бројеви стања напуњености врше већи притисак, изазивајући хемијске реакције које нису у корист батерије.Због тога ЛФП батерије не воле да се одлажу на 100% СОЦ или стављају у флоат пуњење на (скоро) 100%.

Колико брзо се ти литијум јони повлаче овамо, а то утиче и на животни век циклуса.У светлу горе наведеног, то не би требало да буде изненађење.Док ће се ЛФП батерије рутински пунити и празнити при 1Ц (тј. 100 А за батерију од 100 Ах), видећете више циклуса из батерије ако ово ограничите на разумније вредности.Оловно-киселинске батерије имају ограничење од око 20% Ах оцене, а задржавање у оквиру овог за литијум-јонске имаће предности и за дужи век батерије.

Последњи фактор који вреди поменути је напон, иако је то заиста оно што је БМС дизајниран да држи под контролом.Литијум-јонске батерије имају уски прозор за напон, како за пуњење тако и за пражњење.Излазак ван тог прозора врло брзо доводи до трајног оштећења и на високом нивоу до могућег РУД догађаја (НАСА-разговор, као што је већ поменуто).За ЛиФеПО4 тај прозор је око 8,0В (2,0В по ћелији) до 16,8В (4,2В по ћелији).Уграђени БМС треба да води рачуна о томе да батерија буде добро у тим границама.

Лекције за понети кући

Сада када знамо како функционишу литијум-јонске батерије, шта им се свиђа, а шта не, и како на крају покваре, постоје неки савети које треба узети у обзир.Направили смо малу листу испод.Ако не желите да радите ништа друго, обратите пажњу на прва два, они имају далеко највећи ефекат на укупно време које ћете добити да уживате у својој литијум-јонској батерији!Водећи рачуна о осталима, такође ће помоћи да ваша батерија траје још дуже.

Да сумирамо, за дуг и срећан век ЛФП батерије, по важности, треба да имате на уму следеће:

● Одржавајте температуру батерије испод 45 Ц (испод 30 Ц ако је могуће) – ово је далеко најважније!!
● Држите струје пуњења и пражњења испод 0,5Ц (пожељно 0,2Ц)
● Одржавајте температуру батерије изнад 0 Целзијуса када се празни ако је могуће – ово и све испод није ни близу толико важно као прва два
● Немојте циклус испод 10% – 15% СОЦ осим ако вам то заиста није потребно
● Немојте да лебдите батерију на 100% СОЦ ако је могуће
● Немојте пунити до 100% СОЦ ако вам није потребан

То је то!Сада и ви можете пронаћи срећу и испуњен живот са својим ЛиФеПО4 батеријама!