Замена свинцово-кислотных аккумуляторов на литиевые

Литий-железо-фосфатные аккумуляторы на борту катеров и яхт появились благодаря небольшому весу.  12-вольтовая литиевая батарея емкостью 200 Ач при весе 25 кг,  хранит энергии больше чем шестидесяти килограммовая свинцово-кислотная той же емкости. И хотя первоначальные вложения на установку литиевой батареи выше, затраты на ее эксплуатацию меньше. При этом создать на судне работающую электросистему на базе литиевого аккумулятора так же просто как на основе свинцово-кислотного. Сложнее сделать так, чтобы она оказалась  безопасной и защищенной от неблагоприятных ситуаций.  Еще больше усилий потребуется для того, чтобы добиться от литиевой батареи длительного срока службы

Отличия свинцово-кислотных и LiFePO4 аккумуляторов

Главная проблема свинцово-кислотных аккумуляторных батарей – это сульфатация. В не полностью заряженных аккумуляторных пластинах образуются твердые кристаллы сульфата свинца, и аккумулятор быстро теряет свою емкость. Сульфатация практически неизбежна при длительном автономном проживании на борту. Свинцово-кислотные аккумуляторы заряжаются медленно и из-за постоянного расхода энергии их заряд почти никогда не превышает 80%

Поскольку на полную зарядку аккумулятора не хватает времени, а разряжать его можно не более чем на 50-70%, то из 100% емкости реально остается доступными только 30-50%. Остальная часть служит для ограничения глубины разряда. Но даже эти 30-50% можно получить только от нового аккумулятора, с возрастом доступная емкость сокращается еще больше.

Преимущества LiFePO4 аккумуляторов

Литиевые аккумуляторные батареи обладают несомненными преимуществами перед свинцово-кислотными:

  • Неполный заряд или глубокий разряд не вредят аккумулятору
  • При равной номинальной емкости, литиевый аккумулятор обеспечивают в два раза больше полезной электрической энергии, чем свинцово-кислотный. Он намного легче, не выделяет взрывоопасных газов и, при условии правильного обращения, служит во много раз дольше
  • Литиевый аккумулятор поглощает весь имеющийся ток почти до самого конца зарядки, поэтому его можно заряжать намного быстрее свинцово-кислотного
  • Кулоновская эффективность литиевых аккумуляторов близка к 100%. Из полученного во время зарядки 1 Ач, при разряде они возвращают 0,997 Ач. Напрасно теряется очень небольшой заряд, поэтому длительная стадия абсорбции литиевым аккумуляторам не нужна
  • У литиевых аккумуляторов малый саморазряд и более высокое и стабильное напряжение во время разряда

Перечисленные характеристики делают литий-железо-фосфатный аккумулятор хорошим источником энергии для катеров и яхт, особенно при длительном проживании на борту и ежедневном использовании электричества. Однако это не означает, что литиевая батарея — это автоматический выбор для всех судов. На лодке, используемой время от времени, экономическая целесообразность литиевых аккумуляторов не столь очевидна. Вместо них выгоднее установить солнечные панели, которые поддержат свинцово-кислотные аккумуляторы в исправном состоянии в течении многих лет

Недостатки LiFePO4 аккумуляторов

Батарея, собранная из хороших литий-железо-фосфатных элементов, дороже свинцово-кислотной. Поэтому покупка литиевых аккумуляторов —  это финансовые вложения, которые окупятся только через несколько лет

Литиевые элементы легко повредить, если подключенные к ним электрические устройства начнут работать не так как ожидалось. Чтобы этого не случилось ячейки всегда используют только вместе с дополнительным защитным оборудованием

Некоторые типы литиевых элементов имеют эффект памяти. Из-за его воздействия при неправильной зарядке через несколько лет эксплуатации доступная емкость аккумулятора может необратимо уменьшится.

Не все виды литиевых ячеек могут стабильно работать при температуре ниже нуля. Аккумуляторы также не следует устанавливать в помещении с повышенной температурой окружающего воздуха, например, в двигательном отсеке.

Срок службы литий-железо-фосфатного аккумулятора во многом зависит от качества ячеек и от того, что с ними происходило после изготовления. Низкая цена элемента при покупке часто приводит к быстрому возникновению проблем во время эксплуатации

При замене химического состава (свинцово-кислотная на литиевую) изменяются правила эксплуатации аккумуляторной батареи, а также способы контроля за сохраненной в ней энергией. Это заставляет модифицировать электрическую систему и приводить ее в соответствие новым требованиям

Отличия свинцово-кислотных и литий-железо-фосфатных аккумуляторов:

Свинцово-кислотные аккумуляторы

Pb
Pb
  • Должны всегда хранится в полностью заряженном состоянии
  • Теряют емкость, если оставлены не полностью заряженными
  • Балансируются и подзаряжаются небольшим током при напряжении превышающим напряжение холостого хода
  • Могут быть выравнены контролируемой перезарядкой
  • Могут быть восстановлены после глубокого разряда
  • Требуется температурная компенсация во время зарядки
    Температурная компенсация означает увеличение или уменьшение напряжения зарядки в зависимости от температуры аккумулятора
  • Требуется более высокое напряжение для зарядки при низких температурах
  • Аккумулятор можно заряжать непрерывно, если напряжение зарядки не слишком высоко
  • Мало восприимчивы к повышенным температурам окружающей среды

Литиевые аккумуляторы

Li
Li
  • Теряют емкость, если оставлены полностью заряженными. Должны хранится в состоянии частичного заряда
  • Могут годами храниться в состоянии частичной зарядки с незначительными или нулевыми побочными эффектами
  • Аккумулятор быстро и необратимо повреждается, если к нему приложено повышенное поддерживающее напряжение
  • Перезарядка может разрушить аккумулятор
  • Глубокий разряд может разрушить аккумулятор
  • Быстро повреждаются при зарядке с температурной компенсации
  • Аккумулятор может быть поврежден если заряжается при низкой температуре
  • Аккумулятор может быть поврежден если заряжается при низкой температуре
  • Стареют и разлагаться гораздо быстрее при более высоких температурах

 

Варианты LiFePO4 аккумуляторов для катера

Достаточного количества данных, позволяющих прогнозировать срок службы литий-железо-фосфатных аккумуляторов на борту катеров и яхт в настоящее время нет. Некоторые батареи интенсивно эксплуатируются в течении 7 лет, находятся в хорошем состоянии и скорее всего проработают 10 лет и более. Другие теряют емкость уже через несколько лет эксплуатации и не всегда понятно почему это происходит.

Существует три варианта литиевых батарей, которые подходят для небольших судов:

  • аккумуляторные батареи, выпускаемые компаниями-производителями морского электрооборудования
  • готовые аккумуляторы со встроенной системой управления (BMS)
  • сделанные самостоятельно или разработанные на заказ аккумуляторы

Батареи известных брендов

Батареи, выпускаемые компаниями-производителями морского электрооборудования ориентированы на верхний ценовой сегмент рынка. Они состоят из нескольких призматических LiFePO4 ячеек, соединенных со схемой защиты и двух разъединителей, один из которых изолирует источники зарядки, а другой нагрузку. Фирменные батареи способны передавать данные остальным элементам электрической системы, управляя таким образом процессом собственного заряда или разряда. Правда для этого все используемые устройства должны быть одной марки. Интеграция аккумулятора с оборудованием других производителей может привести к значительным техническим проблемам. Поэтому часто, под вновь купленный фирменный аккумулятор систему зарядки приходится организовывать с нуля, что ведет к существенным финансовым затратам

Готовые литиевые аккумуляторы

Литиевые аккумуляторы собственной сборки предлагает множество фирм. Некоторые компании собирают батарею из цилиндрических элементов, другие из призматических. В обоих случаях ячейки, соединяют с платами балансировки и защиты и укладывают в пластиковый корпус, который по форме и размерам может напоминать стандартный корпус свинцово-кислотного аккумулятора. Иногда в корпус встраивают вольтметр, кулонометр и дополнительные разъемы для подключения маломощных потребителей.

Литий-железо-фосфатный аккумулятор 100 Ач
  • 108 Ач
  • Максимальный ток разряда 50 А
  • Цилиндрические элементы. Компоновка 8S18P
  • Размеры: 345 х 167 х 179 мм
  • Вес: 12,3 кг
Литий-железо-фосфатный аккумулятор 200 Ач
  • 200 Ач
  • Максимальный ток разряда 80 А
  • Призматические элементы. Компоновка 4S2P
  • Размеры: 519 х 239 х 218 мм.
  • Вес: 20,4 кг
LiFePO4 аккумулятор 300 Ач
  • 312 Ач
  • Максимальный ток разряда 230 А
  • Цилиндрические элементы
  • Размеры: 560 х 425 х 215 мм
  • Вес: 36,9 кг

Рекламируя свою продукцию, компании-сборщики аккумуляторных батарей заявляют, что их изделия выдерживают 2000 более циклов заряда-разряда. Эти утверждения основаны на результатах испытаний литий-железо-фосфатных элементов проводимых производителями ячеек и не всегда соответствуют фактическому сроку службы аккумулятора, поскольку режим испытания в лаборатории отличается от режима эксплуатации аккумулятора в реальной жизни.

При тестировании ячейки заряжают до заданного напряжения, затем прекращают зарядку и дают элементу 30 минут отдохнуть, после чего разряжают его до порога низкого напряжения. Затем цикл повторяется. Реальная аккумуляторная батарея эксплуатируется в другом режиме. Например, владелец может заряжать ее устройством для свинцово-кислотных АКБ, которое определяет продолжительность этапа абсорбции по таймеру. Или генератор двигателя удерживает заряженную на 100% батарею при высоком напряжении. В этих случаях аккумулятор прослужит меньше

Готовые литий-железо-фосфатные батареи универсальны и не учитывают особенности эксплуатации на катерах и яхтах:

Номинал встроенного выключателя. Владельцы катеров и яхт и переходят на LiFePO4 аккумуляторы, чтобы использовать мощный генератор, инвертор, зарядное устройство, электрическую лебедку, подруливающее устройство или индукционную плиту. Все это оборудование потребляет или генерирует большой ток. Однако MOSFET транзисторы, стоящие в готовых аккумуляторах не всегда рассчитаны на такие нагрузки.

Вибрация. Аккумуляторные батареи с некачественно сваренными цилиндрическими ячейками плохо подходят для использования на воде

Внутренние соединения. В аккумуляторной батарее емкостью 100 Ач с током зарядки 1C не должны стоять силовые провода сечением 4 или 6 мм.

Связь с внешними устройствами. BMS готового аккумулятора не может обмениваться информацией с другими устройствами в бортовой электрической системе. Возможно, это не принципиально для аккумуляторов носового электромотора, но необходимо для сервисной батареи, поскольку внезапное отключение аккумулятора под нагрузкой может привести к скачку напряжения, который вызовет дорогостоящие повреждения электронного оборудования. Не менее серьезные последствия возникнут при отключение одного из группы последовательно соединенных аккумуляторов. Например, если устройство защиты изолирует один аккумулятор в 48 вольтовой батарее, питающей электромотор, это легко может привести к аварии на воде.

Защита только от чрезвычайных ситуаций. BMS готового аккумулятора защищает ячейки только от чрезвычайных режимов работы, но не управляет их сроком службы и не предотвращает постепенное разрушение. Готовые батареи почти всегда рассчитаны на высокое напряжение окончания зарядки. BMS отключает аккумулятор, когда напряжение одной из ячеек достигает 3,65, а иногда и 3,75 Вольт. При чуть более низком напряжении, защита не сработает, поскольку в устройстве контроля не предусмотрен механизм ее активации. Но если к аккумулятору постоянно приложено напряжение 14,4 В (3,6 В/эл), то ячейки подвергаются сильному стрессу и срок их службы сокращается. Чтобы не допустить этого владельцу необходимо самостоятельно контролировать режимы эксплуатации аккумуляторной батареи.

Не оптимальная зарядка. Покупателю готового литий-железо-фосфатного аккумулятора не известно, насколько хорошо подобраны и сбалансированы ячейки внутри корпуса. В этом случае лучшим способом зарядки будет тот, который рекомендует компания-изготовитель аккумулятора, даже если он кажется не совсем обоснованным. Дело в том, что многие герметичные BMS начинают пассивную балансировку при напряжении 3,5-3,65 В/элемент и выполняют ее током 30-40 мА. Чтобы батарея оставалась сбалансированной напряжение элементов в каждом цикле зарядки должно достигать указанного уровня. В противном случае, балансировка не начнется, ячейки выйдут из равновесия и никогда к нему не вернуться. Но поднимая напряжение аккумулятора до 14,6 Вольт зарядное устройство создает нагрузку для ячеек, почти не передавая им при этом дополнительного заряда. Именно поэтому многие современные морские зарядные устройства прекращают зарядку литий-железо-фосфатных аккумуляторов при напряжении 14,4, 14,2 или даже 13,8 Вольт

В этих устройствах пользователь может создать собственный алгоритм заряда литиевого аккумулятора в дополнение к уже существующим

Зарядное устройство Sterling Power BB122470
  • Sterling Power BB1260
    Входное напряжение 11-20 Вольт
  • 12->12 Вольт    
    Номинальное входное и выходное напряжение 12 Вольт. Диапазон входного напряжения 11-20 Вольт
  • Максимальный ток 60 А    
    Есть режим 50% мощности
  • Быстрая зарядка постоянным током
  • Режимы для GEL(2), AGM(2), LiFePO4, кальциевых и жидко-кислотных аккумуляторов    
    9 режимов зарядки. Возможность создать собственный зарядный профиль
  • -    
    Класс защиты IP21
Зарядное устройство Sterling Power BB1230
  • Sterling Power BB1230
  • 12->12 Вольт
  • Максимальный ток 30 А
  • Быстрая зарядка постоянным током    
    Четырехступенчатый зарядный профиль. Постоянный ток, постоянное напряжение, кондиционирование и поддерживающая зарядка
  • Режимы для GEL, AGM, LiFePO4 и жидко-кислотных аккумуляторов
  • -
Зарядное устройство bbw1224
  • Sterling Power BBW1212
  • 12->12 Вольт    
    Номинальное входное и выходное напряжение 12 Вольт. Диапазон входного напряжения 11-16 Вольт. Выходного 13-15,1
  • Максимальный ток 28 А    
    Максимальный ток, потребляемый устройством. Работает с генератором любой мощности
  • Безопасно для LiFePO4 АКБ
  • Режимы для GEL, AGM, LiFePO4 и жидко-кислотных аккумуляторов
  • Водонепроницаемое    
    Класс защиты IP68

В идеале LiFePO4 аккумулятор для морского использования должен удовлетворять следующим требованиям:

  • BMS аккумулятора способна информировать внешние устройства о предстоящем разъединении
  • Нагрузку и устройства зарядки отключают контакторы, рассчитанные на ток бортовой электросистемы
  • Непрерывный зарядный или разрядный ток аккумулятора 1C и выше
  • Изготовитель аккумулятора в печатном виде предоставляет данные, подтверждающие балансировку элементов , а также информацию о сечение и температуре изоляции проводов, используемых в батарее
  • Каждый элемент аккумулятора защищен от низкого и высокого напряжений и повышенной температуры

Подготовка к установке

Установка литиевых батарей — это не просто замена одного типа аккумулятора на другой. Это проект, состоящий из нескольких этапов, первый из которых должен быть посвящен анализу бортовой электрической системы судна.

На большинстве катеров и яхт источники зарядки и нагрузка подключены к общим положительной и отрицательным шинам. Перед установкой литиевой батареи положительную шину лучше разделить на шину зарядки и нагрузки, физически отделив потребителей от источников зарядки

Между аккумуляторной батареей и новыми шинами необходимо установить контакторы, рассчитанные на высокий ток. Их задача – при необходимости изолировать аккумулятор от нагрузок и / или источников зарядки.

Элементы, из которых будет состоять аккумуляторная батарея, перед соединением должны быть заряжены и тщательно сбалансированы. Устройство контроля и защиты, должно гарантировать, что напряжение ни одной из ячеек никогда не превысит заданного рабочего диапазона и аккумулятор никогда не начнет нагреваться.

Необходимо проверить характеристики всех имеющиеся зарядных устройств и регуляторов, которые когда-либо будут питать новую батарею. Их необходимо перенастроить для работы с литиевыми аккумуляторами, а если это невозможно, заменить.

Задайте вопрос,

и получите консультацию по лодочным электромоторам, аккумуляторам или зарядным устройствам для катера или яхты

captcha