Hur man hittar lycka med LiFePO4 (litiumjon) batterier

Prissättning av litiumjonbatterier håller långsamt på att förändras från obscent dyrt till endast måttligt oöverkomligt, och vi på BSLBATT ser en stadig ökning av försäljningen av denna typ av batteri.De flesta användare verkar sätta dem i arbete i husbilar, vändskivor, husbilar och liknande fordon, medan vissa går in i faktiska stationära off-grid-system.

Den här artikeln kommer att prata om en specifik kategori av litiumjonbatterier;Litium-järn-fosfat eller LiFePO4 i dess kemiska formel, även förkortat som LFP-batterier.Dessa skiljer sig lite från vad du har i din mobiltelefon och laptop, det är (för det mesta) litium-kobolt-batterier.Fördelen med LFP är att den är mycket mer stabil och inte benägen att självförbrännas.Det betyder inte att batteriet inte kan brinna vid skada: Det finns en hel del energi lagrad i ett laddat batteri och i händelse av en oplanerad urladdning kan resultatet bli mycket intressant mycket snabbt!LFP håller också längre jämfört med litium-kobolt och är mer temperaturstabil.Av alla olika litiumbatteriteknologier som finns där ute gör detta LFP bäst lämpad för djupcykelapplikationer!

Vi antar att batteriet har ett BMS eller Battery Management System, vilket nästan alla LFP-batterier som säljs som ett 12/24/48 voltspaket gör.BMS tar hand om att skydda batteriet;den kopplar bort batteriet när det är urladdat, eller hotar att bli överladdat.BMS tar också hand om att begränsa laddnings- och urladdningsströmmarna, övervakar celltemperaturen (och minskar laddningen/urladdningen vid behov), och de flesta kommer att balansera cellerna varje gång en full laddning görs (tänk på att balansera som att föra alla celler inuti batteripaketet till samma laddningstillstånd, liknande utjämning för ett blybatteri).Om du inte gillar att leva på kanten, KÖP INTE ett batteri utan BMS!

Vad som följer nedan är den kunskap som samlats in genom att läsa ett stort antal webbartiklar, bloggsidor, vetenskapliga publikationer och diskussioner med LFP-tillverkare.Var försiktig med vad du tror, ​​det finns mycket desinformation där ute!Även om det vi skriver här inte på något sätt är menat som den ultimata guiden till LFP-batterier, är vår förhoppning att den här artikeln skär igenom nötkreatursexkrementerna och ger solida riktlinjer för att få ut det mesta av dina litiumjonbatterier.

Varför litiumjon?

Vi förklarade i vår artikel om blybatterier hur akilleshälen i den kemin sitter på en delladdning för länge.Det är för lätt att plocka in en dyr bly-syra batteribank på bara månader genom att låta den sitta på en partiell laddning.Det är väldigt annorlunda för LFP!Du kan låta litiumjonbatterier sitta på en delladdning för alltid utan att skadas.Faktum är att LFP föredrar att sitta på en delladdning snarare än att vara helt full eller tom, och för lång livslängd är det bättre att cykla batteriet eller att låta det sitta på en delladdning.

Men vänta!Det finns mer!

Litiumjonbatterier är nästan batteriernas heliga graal: Med rätt laddningsparametrar kan du nästan glömma att det finns ett batteri.Det finns inget underhåll.BMS tar hand om det, och du kan gärna cykla iväg!

Men vänta!Det finns fortfarande mer!(Alla likheter med vissa informationsreklam är en ren tillfällighet, och ärligt talat, vi ogillar förslaget!)...

LFP-batterier kan också hålla väldigt länge.Vår BSLBATT LFP-batterier är klassade för 3000 cykler, med en full 100 % laddnings-/urladdningscykel.Om du gjorde det varje dag ger det över 8 år av cykling!De håller ännu längre när de används i mindre än 100 % cykler, faktiskt för enkelhetens skull kan du använda ett linjärt samband: 50 % urladdningscykler betyder dubbelt så många cykler, 33 % urladdningscykler och du kan rimligen förvänta dig tre gånger cyklerna.

Men vänta!Det finns mer än!...

Ett LiFePO4-batteri väger också mindre än 1/2 av ett blybatteri med liknande kapacitet.Den kan hantera stora laddningsströmmar (100 % av Ah-klassificeringen är inga problem, prova det med blysyra!), vilket möjliggör snabb laddning, den är förseglad så att det inte finns några ångor och den har en mycket låg självurladdning ( 3 % per månad eller mindre).

Batteribankstorlek för LFP

Vi antydde detta ovan: Litiumjonbatterier har 100 % användbar kapacitet, medan blysyra verkligen slutar på 80 %.Det betyder att du kan dimensionera en LFP-batteribank mindre än en blysyrabank, och fortfarande ha den samma funktionsmässigt.Siffrorna tyder på att LFP kan vara 80 % av Amp-timmars storlek för blysyra.Det finns dock mer i detta.

För lång livslängd bör bly-syra batteribanker inte dimensioneras där de regelbundet ser en urladdning under 50 % SOC.Med LFP är det inga problem!Energieffektiviteten tur och retur för LFP är ganska mycket bättre än blysyra också, vilket innebär att mindre energi behövs för att fylla upp tanken efter en viss nivå av urladdning.Det resulterar i snabbare återhämtning tillbaka till 100 %, medan vi redan hade en mindre batteribank, vilket förstärker denna effekt ännu mer.

Summan av kardemumman är att vi skulle vara bekväma att dimensionera en litiumjonbatteribank till 75 % av storleken på en motsvarande blysyrabank och förvänta oss samma (eller bättre!) prestanda.Inklusive de mörka vinterdagarna när solen är en bristvara.

Men vänta lite!

Är litiumjon verkligen lösningen på alla våra batteriproblem?Tja, inte riktigt...

LFP-batterier har också sina begränsningar.En stor är en temperatur: Du kan inte ladda ett litiumjonbatteri under fryspunkten eller noll grader.Blysyra kunde inte bry sig mindre om detta.Du kan fortfarande ladda ur batteriet (vid en tillfällig kapacitetsförlust), men laddning kommer inte att ske.BMS bör se till att blockera laddning vid minusgrader, för att undvika oavsiktlig skada.

Temperaturen är också ett problem i den övre delen.Den största enskilda orsaken till att batterierna åldras är användning eller till och med bara förvaring vid höga temperaturer.Upp till runt 30 grader är det inga problem.Inte ens 45 Celsius drar på sig alltför mycket straff.Allt högre påskyndar verkligen åldrandet och i slutändan slutet på batteriet.Detta inkluderar att förvara batteriet när det inte cyklas.Vi kommer att prata om detta mer i detalj senare när vi diskuterar hur LFP-batterier misslyckas.

Det finns ett lömskt problem som kan dyka upp när du använder laddningskällor som potentiellt ger en hög spänning: När batteriet är fullt kommer spänningen att stiga om inte laddningskällan slutar ladda.Om den stiger tillräckligt kommer BMS att skydda batteriet och koppla bort det, vilket lämnar den laddningskällan att stiga ännu mer!Detta kan vara ett problem med (dåliga) bilgeneratorers spänningsregulatorer, som alltid måste se en belastning, annars kommer spänningen att spetsa och dioderna släpper ut sin magiska rök.Detta kan också vara ett problem med små vindkraftverk som förlitar sig på batteriet för att hålla dem under kontroll.De kan springa iväg när batteriet försvinner.

Sedan är det det branta, branta, initiala inköpspriset!

Men vi slår vad om att du fortfarande vill ha en!...

Hur fungerar ett LiFePO4-batteri?

Litiumjonbatterier kallas en typ av gungstolsbatteri: De flyttar joner, i det här fallet litiumjoner, från den negativa till den positiva elektroden vid urladdning och tillbaka igen vid laddning.Ritningen till höger visar vad som pågår inuti.De små röda kulorna är litiumjonerna, som rör sig fram och tillbaka mellan de negativa och positiva elektroderna. På vänster sida finns den positiva elektroden, konstruerad av litium-järn-fosfat (LiFePO4).Detta borde hjälpa till att förklara namnet på den här typen av batteri!Järn- och fosfatjonerna bildar ett rutnät som löst fångar litiumjonerna.När cellen laddas dras dessa litiumjoner genom membranet i mitten, till den negativa elektroden till höger.Membranet är tillverkat av en typ av polymer (plast), med massor av små små porer i, vilket gör det lätt för litiumjonerna att passera igenom.På den negativa sidan hittar vi ett gitter gjord av kolatomer, som kan fånga och hålla de litiumjoner som går över.

Att ladda ur batteriet gör samma sak omvänt: När elektroner strömmar bort genom den negativa elektroden, går litiumjonerna återigen i rörelse, genom membranet, tillbaka till järnfosfatgittret.De lagras återigen på den positiva sidan tills batteriet laddas igen.

Om du verkligen har varit uppmärksam förstår du nu att batteriritningen till höger visar ett LFP-batteri som är nästan helt urladdat.Nästan alla litiumjoner finns på sidan av den positiva elektroden.Ett fulladdat batteri skulle ha alla litiumjoner lagrade inuti kolet i den negativa elektroden.

I den verkliga världen är litiumjonceller byggda av mycket tunna lager av alternerande aluminium - polymer - kopparfolier, med kemikalierna klistrade på dem.Ofta rullas de ihop som en gelérulle och läggs i en stålbehållare, ungefär som ett AA-batteri.De 12 volts litiumjonbatterier du köper är gjorda av många av dessa celler, anslutna i serie och parallellt för att öka kapaciteten för spänning och amperetimmar.Varje cell är runt 3,3 volt, så 4 av dem i serie gör 13,2 volt.Det är precis rätt spänning för att byta ut ett 12 volt blybatteri!

Laddar ett LFP-batteri

De flesta vanliga solcellsladdningsregulatorer har inga problem med att ladda litiumjonbatterier.De spänningar som behövs är mycket lika de som används för AGM-batterier (en typ av förseglade blybatterier).BMS hjälper också till att se till att battericellerna ser rätt spänning, inte blir överladdade eller alltför urladdade, det balanserar cellerna och säkerställer att celltemperaturen är inom rimliga gränser medan de laddas.

Grafen nedan visar en typisk profil för ett LiFePO4-batteri som laddas.För att göra det lättare att läsa har spänningarna omvandlats till vad ett 12 volts LFP-batteripaket skulle se (4x encellsspänningen).

I diagrammet visas en laddningshastighet på 0,5C, eller hälften av Ah-kapaciteten, med andra ord för ett 100Ah batteri skulle detta vara en laddningshastighet på 50 Amp.Laddningsspänningen (i rött) kommer egentligen inte att förändras mycket för högre eller lägre laddningshastigheter (i blått), LFP-batterier har en mycket platt spänningskurva.

Litiumjonbatterier laddas i två steg: För det första hålls strömmen konstant, eller med solenergi, vilket generellt innebär att vi försöker skicka in så mycket ström till batterierna som tillgänglig från solen.Spänningen kommer långsamt att stiga under denna tid, tills den når "absorbera" spänningen, 14,6V i grafen ovan.När absorben är nådd är batteriet cirka 90% fullt, och för att fylla i resten av vägen hålls spänningen konstant medan strömmen sakta avtar.När strömmen väl sjunker till cirka 5 % – 10 % av batteriets Ah-klassificering är den vid 100 % laddningstillstånd.

På många sätt är ett litiumjonbatteri lättare att ladda än ett blybatteri: Så länge laddningen är tillräckligt hög för att flytta joner laddas den.Litiumjonbatterier bryr sig inte om de inte är helt laddade till 100 %, de håller faktiskt längre om de inte är det.Det finns ingen sulfatering, det finns ingen utjämning, absorptionstiden spelar ingen roll, du kan inte riktigt överladda batteriet och BMS ser till att hålla saker inom rimliga gränser.

Så vilken spänning är tillräckligt för att få dessa joner att röra sig?Lite experimenterande visar att 13,6 Volt (3,4V per cell) är gränsvärdet;under det händer väldigt lite, medan ovanför det kommer batteriet att fyllas till minst 95 % om tiden räcker till.Vid 14,0 Volt (3,5V per cell) laddas batteriet enkelt upp till 95+ procent med några timmars absorptionstid och för allt i världen är det liten skillnad i laddning mellan 14,0 eller högre spänningar, saker händer bara lite snabbare vid 14,2 Volt och uppåt.

Bulk/absorberande spänning

För att sammanfatta detta kommer en bulk/absorberande inställning mellan 14,2 och 14,6 Volt att fungera utmärkt för LiFePO4!Lägre är också möjligt, ner till ca 14,0 Volt, med hjälp av lite absorberingstid.Något högre spänningar är möjliga, BMS för de flesta batterier tillåter cirka 14,8 – 15,0 Volt innan du kopplar bort batteriet.Det är dock ingen fördel med en högre spänning, och större risk att bli avskuren av BMS och eventuellt skada.

Flytspänning

LFP-batterier behöver inte vara flytande.Laddningskontroller har detta eftersom blybatterier har en så hög självurladdningshastighet att det är vettigt att fortsätta sippra in mer laddning för att hålla dem nöjda.För litiumjonbatterier är det inte bra om batteriet ständigt har en hög laddningstillstånd, så om din laddningskontroll inte kan inaktivera float, ställ bara in den på en tillräckligt låg spänning så att ingen faktisk laddning kommer att ske.Alla spänningar på 13,6 volt eller mindre duger.

Utjämna spänning

Med laddningsspänningar över 14,6 volt aktivt avskräckta bör det stå klart att ingen utjämning bör göras till ett litiumjonbatteri!Om utjämning inte kan inaktiveras, ställ in den på 14,6V eller mindre, så det blir bara en vanlig absorberande laddningscykel.

Absorbera tid

Det finns mycket att säga för att helt enkelt ställa in absorberingsspänningen till 14,4V eller 14,6V, och sedan bara sluta ladda när batteriet når den spänningen!Kort sagt, noll (eller kort) absorberingstid.Vid den tidpunkten kommer ditt batteri att vara cirka 90 % fullt.LiFePO4-batterier kommer att vara lyckligare i längden när de inte sitter på 100 % SOC för länge, så denna praxis kommer att förlänga batteritiden.Om du absolut måste ha 100% SOC i ditt batteri så kommer absorb att göra det!Officiellt uppnås detta när laddningsströmmen sjunker till 5 % – 10 % av batteriets Ah-klassificering, alltså 5 – 10 Amp för ett 100Ah batteri.Om du inte kan sluta absorbera baserat på ström, ställ sedan in absorberingstiden till cirka 2 timmar och kalla det en dag.

Temperaturkompensation

LiFePO4-batterier behöver ingen temperaturkompensation!Stäng av detta i din laddningskontroll, annars kommer laddningsspänningen att vara helt avstängd när det är väldigt varmt eller kallt.

Se till att kontrollera din laddningsregulator Spänningsinställningar mot de som faktiskt mäts med en digital multimeter av god kvalitet!Små förändringar i spänningen kan ha stor inverkan vid laddning av ett litiumjonbatteri!Ändra laddningsinställningarna i enlighet med detta!

Urladdning av ett LFP-batteri

Till skillnad från blybatterier förblir spänningen hos ett litiumjonbatteri mycket konstant under urladdning.Det gör det svårt att förutse laddningstillståndet från enbart spänning.För ett batteri med måttlig belastning ser urladdningskurvan ut som följer.

För det mesta under urladdning kommer batterispänningen att ligga på ungefär 13,2 volt.Den varierar med bara 0,2 Volt hela vägen från 99 % till 30 % SOC.För inte så länge sedan var det en mycket dålig idé att gå under 20 % SOC för ett LiFePO4-batteri.Det har förändrats, och den nuvarande skörden av LFP-batterier kommer ganska glatt att laddas ur hela vägen ner till 0 % under många cykler.Det finns dock en fördel med att cykla mindre djupt.Det är inte bara så att cykling till 30 % SOC ger dig 1/3 fler cykler jämfört med att cykla ner till 0 %, ditt batteri kommer sannolikt att leva i fler cykler än så.Hårda siffror är, ja, svåra att få fram, men att cykla ner till 50 % SOC verkar visa cirka 3 gånger cykellivslängden jämfört med 100 % cykling.

Nedan finns en tabell som visar batterispänning för ett 12 volts batteri kontra urladdningsdjup.Ta dessa spänningsvärden med en nypa salt, urladdningskurvan är så platt att det verkligen är svårt att bestämma SOC utifrån enbart spänning.Små variationer i belastningen och noggrannheten hos voltmätaren kommer att avbryta mätningen.

Förvaring av litiumjonbatterier  

Den mycket låga självurladdningshastigheten gör det enkelt att förvara LFP-batterier, även under längre perioder.Det är inga problem att lägga undan ett litiumjonbatteri i ett år, se bara till att det finns lite laddning i det innan du ställer det i förvaring.Något mellan 50% – 70% är bra, det kommer att ge batteriet mycket lång tid innan självurladdning för spänningen nära faropunkten.

Att förvara batterier under fryspunkten går bra, de fryser inte och bryr sig inte så mycket om temperaturen.Försök att undvika att förvara dem vid höga temperaturer (45 Celsius och högre), och försök att undvika att förvara dem helt fulla om möjligt (eller nästan tomma).

Om du behöver förvara batterier under längre perioder, se till att helt enkelt koppla bort alla kablar från dem.På så sätt kan det inte finnas några herrelösa laster som långsamt laddar ur batterierna.

Slutet på dina litiumjonbatterier

Vi hör dig flämta av skräck;tanken på att din värdefulla LFP-batteribank finns gör inte längre rysningar längs ryggraden!Ack, alla bra saker måste så småningom få ett slut.Det vi vill förhindra är ett slut av det förtida slaget, och för att göra det måste vi förstå hur litiumjonbatterier dör.

Batteritillverkare anser att ett batteri är "dött" när dess kapacitet sjunker till 80 % av vad det borde vara.Så för ett 100Ah batteri kommer dess slut när dess kapacitet är nere på 80Ah.Det finns två mekanismer som verkar för att ditt batteri försvinner: cykling och åldrande.Varje gång du laddar ur och laddar batteriet gör det lite skada, och du tappar lite i kapacitet.Men även om du lägger ditt dyrbara batteri i en vacker inglasad helgedom, som aldrig ska cyklas, kommer det ändå att ta slut.Den sista kallas kalenderliv.

Det är svårt att hitta hårda data om kalenderlivslängd för LiFePO4-batterier, väldigt lite finns där ute.Vissa vetenskapliga studier har gjorts på effekten av extremer (i temperatur och SOC) på kalenderliv, och de hjälper till att sätta gränser.Vad vi samlar är att om du inte missbrukar din batteribank, undviker extremer och i allmänhet bara använder dina batterier inom rimliga gränser, finns det en övre gräns på cirka 20 år på kalenderlivslängden.

Förutom cellerna inuti batteriet finns även BMS, som är gjord av elektroniska delar.När BMS misslyckas kommer ditt batteri också att göra det.Litiumjonbatterier med inbyggt BMS är fortfarande för nya, och vi får se, men i slutändan måste batterihanteringssystemet överleva lika länge som litiumjoncellerna gör det också.

Processer inuti batteriet konspirerar med tiden för att belägga gränsskiktet mellan elektroder och elektrolyter med kemiska föreningar som hindrar litiumjonerna från att komma in och lämna elektroderna.Processer binder också litiumjoner till nya kemiska föreningar, så de är inte längre tillgängliga att flytta från elektrod till elektrod.De processerna kommer att hända oavsett vad vi gör, men de är väldigt beroende av temperaturen!Håll dina batterier under 30 grader och de är väldigt långsamma.Gå över 45 Celsius och saker snabbar upp avsevärt!Folkfiende nr.1 för litiumjonbatterier är överlägset värme!

Det finns mer med kalenderliv och hur snabbt ett LiFePO4-batteri kommer att åldras: State-Of-Charge har också något att göra med det.Även om höga temperaturer är dåliga, gillar dessa batterier verkligen, verkligen inte att sitta på 0% SOC och mycket höga temperaturer!Också dåligt, men inte riktigt lika illa som 0% SOC, är att de sitter vid 100% SOC och höga temperaturer.Mycket låga temperaturer har mindre effekt.Som vi diskuterade kan du inte (och BMS låter dig inte) ladda LFP-batterier under fryspunkten.Det visar sig att utsläpp av dem under fryspunkten, även om det är möjligt, har en accelererad effekt på åldrandet också.Inte i närheten av så illa som att låta batteriet sitta i en hög temperatur, men om du ska utsätta ditt batteri för minusgrader är det bättre att göra det medan det varken laddas eller laddas ur och med lite gas i tanken (dock inte en full tank).I en mer allmän mening är det bättre att lägga undan dessa batterier vid cirka 50 % – 60 % SOC om de behöver längre lagring.

Smält batteri

Om du verkligen vill veta, vad som händer när ett litiumjonbatteri laddas under fryspunkten är att metalliskt litium avsätts på den negativa (kol)elektroden.Inte på ett trevligt sätt heller, den växer i vassa, nålliknande strukturer, som så småningom punkterar membranet och kortsluter batteriet (vilket leder till en spektakulär Rapid Unscheduled Disassembly Event som NASA kallar det, som involverar rök, extrem värme och mycket möjligt ev. lågor också).Tur för oss är detta något som BMS förhindrar från att hända.

Vi går vidare till cykellivet.Det har blivit vanligt att få ut tusentals cykler, även vid en hel 100 % laddnings-urladdningscykel, ur litiumjonbatterier.Det finns vissa saker du kan göra för att maximera livslängden.

Vi pratade om hur LiFePO4-batterier fungerar: De flyttar litiumjoner mellan elektroderna.Det är viktigt att förstå att dessa är faktiska, fysiska partiklar, som har en storlek på dem.De rycks ut ur en elektrod och stoppas in i den andra, varje gång du laddar-urladdar batteriet.Detta orsakar skador, särskilt på kolet i den negativa elektroden.Varje gång batteriet laddas sväller elektroden lite, och för varje urladdning slankar den ner igen.Med tiden orsakar det mikroskopiska sprickor.Det är på grund av detta som laddning lite under 100 % ger dig fler cykler, liksom urladdning till lite över 0 %.Tänk också på att dessa joner utövar "tryck", och extrema laddningsvärden utövar mer tryck, vilket orsakar kemiska reaktioner som inte är till nytta för batteriet.Det är därför LFP-batterier inte gillar att läggas undan vid 100% SOC eller läggas i flytladdning vid (nära) 100%.

Hur snabbt dessa litiumjoner dras hit och yon har också en effekt på cykellivslängden.Mot bakgrund av ovanstående borde det inte vara någon överraskning.Medan LFP-batterier rutinmässigt laddar och laddar ur vid 1C (dvs. 100 Amp för ett 100Ah-batteri), kommer du att se fler cykler ur ditt batteri om du begränsar detta till mer rimliga värden.Blybatterier har en gräns på cirka 20 % av Ah-klassificeringen, och att hålla sig inom denna för litiumjon kommer att ha fördelar för längre batterilivslängd också.

Den sista faktorn som är värd att nämna är spänning, även om detta verkligen är vad BMS är designat för att hålla i schack.Litiumjonbatterier har ett smalt spänningsfönster, för både laddning och urladdning.Att gå utanför det fönstret resulterar mycket snabbt i permanenta skador och i den övre delen en möjlig RUD Event (NASA-talk, som nämnts tidigare).För LiFePO4 är det fönstret cirka 8,0V (2,0V per cell) till 16,8 Volt (4,2V per cell).Den inbyggda BMS bör se till att hålla batteriet väl inom dessa gränser.

Ta hem lektioner

Nu när vi vet hur litiumjonbatterier fungerar, vad de gillar och ogillar och hur de slutligen misslyckas, finns det några tips att ta bort.Vi har gjort en liten lista nedan.Om du inte ska göra något annat, vänligen notera de två första, de har överlägset mest effekt på den totala tiden du kommer att få för att njuta av ditt litiumjonbatteri!Att ta hänsyn till de andra hjälper också, för att få ditt batteri att hålla ännu längre.

Sammanfattningsvis, för lång och lycklig LFP-batterilivslängd, i viktordning, bör du tänka på följande:

● Håll batteritemperaturen under 45 Celsius (under 30C om möjligt) – Detta är det absolut viktigaste!!
● Håll laddnings- och urladdningsströmmar under 0,5C (0,2C föredraget)
● Håll batteritemperaturen över 0 Celsius vid urladdning om möjligt – Detta och allt nedan är inte i närheten av lika viktigt som de två första
● Cykla inte under 10 % – 15 % SOC om du inte verkligen behöver det
● Flytta inte batteriet till 100 % SOC om möjligt
● Ladda inte till 100 % SOC om du inte behöver det

Nu räcker det!Nu kan du också hitta lycka och tillfredsställande liv med dina LiFePO4-batterier!