Как заряжать LiFePO4 аккумуляторы

LiFePO4 —  это тип литиевых аккумуляторов в которых катодом (положительным электродом) служит феррофосфат лития, а анодом (отрицательным электродом) — графит. По сравнению со свинцово-кислотными литий железо-фосфатные батареи обладают в несколько раз большей удельной емкостью и сроком службы. Благодаря чрезвычайно прочной кристаллической структуре фосфата железа, не разрушающегося при многократном приеме и возврате ионов лития эти аккумуляторы одни из самых долгоживущих в настоящее время.

Зарядка LiFePO4 аккумуляторов

LiFePO4 аккумуляторы заряжают постоянным током, постоянным напряжением либо комбинацией этих двух методов. При двухступенчатой зарядке напряжение сначала повышают постоянным током до 14,4-14,6 Вольт, а затем при постоянном напряжении происходит насыщение аккумулятора.  Один этап зарядки позволяет аккумулятору набрать примерно 90- 95% емкости, два — 100%.

Характеристики типичной литий-железо-фосфатной аккумуляторной батареи:

Когда заряжать LiFePO4 аккумулятор

Если LiFePO4 аккумулятор разряжен не полностью, заряжать его после каждого использования не обязательно. Сульфатации, из-за которой уменьшается емкость частично заряженного свинцово-кислотного аккумулятора, у литий-железо-фосфатных батарей не бывает. Однако если система управления отсоединяет аккумулятор от нагрузки из-за низкого напряжения, лучше зарядить его немедленно.

Температура зарядки

LiFePO4 аккумуляторы заряжают при температуре от 0 до 40 С. Некоторые, но не все, безопасно заряжать при температурах ниже 0 С. При отрицательной температуре  зарядный ток уменьшают до 0,05-0,1С (5-10% от емкости аккумулятора)

От перегрева аккумулятор защищает система управления. Но температуру может контролировать и зарядное устройство у которого есть температурный датчик. Такое зарядное снижает напряжение, если аккумулятор нагревается свыше 20 С и отключается если его температура достигает 55 С. Зарядное устройство дублирует функции BMS и создает дополнительный уровень защиты, который первым сработает в случае возникновения аварийной ситуации

Последовательное и параллельное соединение

Напряжение последовательно или параллельно соединяемых аккумуляторов должно быть одинаковым. Разница не должна превышать 50 мВ (Точные значения дает производитель аккумуляторной батареи). Одинаковое напряжение снижает вероятность появления дисбаланса во время эксплуатации. Если напряжения отличаются более чем на 50 мВ (0,05 В), то перед соединением аккумуляторы необходимо зарядить по отдельности одним и тем же зарядным устройством, а затем вновь проверить состояние спустя несколько часов.

Контроль за состоянием аккумулятора

Вольтметр не дает точного представления о состоянии LiFePO4 аккумулятора. Для определения его заряженности лучше использовать счетчик амперчасов или батарейный монитор. Подробнее о контроле аккумуляторов

Зарядка от генератора двигателя

• На многих автомобилях и на большинстве катеров выходное напряжение генератора постоянное. Это значит, что в течении всего времени работы двигателя аккумулятор будет находится под повышенным напряжением. Срок службы аккумулятора в таких условиях сократится
• На автомобилях с двигателями EURO 5/6 напряжение генератора зависит от режима движения и изменяется от 11,5 до 15,5 Вольт. При таком напряжении LiFePO4 аккумулятор заряжаться не будет, а колебания напряжения станут причиной постоянного срабатывания защиты
• Ток автомобильного или лодочного генератора может оказаться выше допустимого для аккумулятора
• Разряженный аккумулятор создаст для генератора длительную нагрузку близкую к максимальной. Работая на полной мощности генератор перегреется и при недостаточном охлаждении может сгореть
• Если BMS разорвет соединения между аккумулятором и генератором во время работы двигателя, скачек напряжения может повредить диоды и регулятор генератора

  

DC-DC зарядные устройства позволяют быстро и безопасно заряжать LiFePO4 аккумуляторы от генератора автомобильного или лодочного двигателя:

Система управления аккумулятором

Литий-железо-фосфатные ячейки безопасно работают в диапазоне от 2 до 4,2 Вольт. По сравнению с другими типами литиевых элементов они более устойчивы к перенапряжению. Тем не менее, приложенное в течении продолжительного времени повышенное напряжение приводит к образованию металлического лития на аноде и навсегда ухудшает рабочие характеристики аккумулятора. Материал катода окисляется и становится менее стабильным, а выделяющийся диоксид углерода повышает давление в ячейках.

Система управления ограничивает максимальное напряжение каждого элемента и аккумуляторной батареи в целом. Защита срабатывает, если напряжение ячейки превышает 3,8 Вольт, а напряжение всего аккумулятора 15,2-15,6 Вольт.

Разряд аккумулятора ниже определенного уровня также недопустим. При напряжении ячейки меньше 2,0 В материал электродов начинает разрушаться, поэтому минимально рекомендуемое напряжение для большинства аккумуляторов 10,5-11,0 Вольт.

Система управления предохраняет литиевый аккумулятор от перезарядки, чрезмерного разряда и короткого замыкания. Но полагаться на одну только BMS нельзя. Первым уровнем защиты должно стать зарядное устройство и подключаемое к аккумуляторной батарее оборудование

Напряжения зарядки и емкость

Если напряжение зарядного устройства ниже определенного уровня, реакции в аккумуляторе не протекают. Если выше, ионы покидают катод и внедряются в кристаллическую структуру материала анода. Процесс происходит благодаря силе, «вбивающей» ионы внутрь кристалла. Чем больше сила, тем больше ионов проникнет в кристалл, но тем большую нагрузку он испытывает. Таким образом заряженность аккумулятора зависит от напряжения зарядки

При низком пороговом напряжении литий-железо-фосфатный аккумулятор заряжается не полностью. Это уменьшает время его непрерывной работы, но не влияет на срок службы как у свинцово-кислотного. Зато пониженное напряжение снижает стресс аккумулятора во время зарядки.

Литий железо-фосфатные элементы можно безопасно заряжать до 4,2 Вольт. Напряжение выше этого разрушает органический электролит. Но несмотря на стойкость к перезаряду после того как аккумулятор наберет полную емкость, его необходимо отключать от источника зарядки. Время нахождения заряженного аккумулятора при пороговом напряжении должно быть минимальным

Чем заряжать LiFePO4

Заряженный до 100% 12-вольтовый LiFePO4 аккумулятор имеет напряжение 13,3-13,4 В, а его свинцово- кислотный аналог в том же состоянии — 12,6 -12,8 Вольт. Напряжение разряженного на 80% литий-железо-фосфатного аккумулятора около 13 Вольт, а свинцово-кислотного 11,8 Вольт. При изменении заряженности на 80% напряжение LiFePO4 аккумулятора меняется всего 0,5 В

Зарядные устройства для LiFePO4 и для свинцово-кислотных аккумуляторов работают по одинаковому принципу. Различия в более высоком напряжении на один элемент, отсутствии стадии кондиционирования, а у некоторых моделей и поддерживающей зарядки.

Зарядные кислотных АКБ

Для свинцово-кислотных аккумуляторов общепринятой в настоящее время является зарядка, состоящая из трех – пяти стадий. Переход от одной стадии к другой происходит автоматически по мере заряда аккумулятора.

На первом этапе зарядное устройство устанавливает максимально возможный ток. Напряжение аккумулятора начинает постепенно расти, и чтобы сохранить ток постоянным, зарядное повышает выходное напряжение. Так продолжается до тех пор, пока напряжение не достигнет определенного порогового значения. Как только это произойдет зарядка постоянным током прекращается и устройство переходит ко второй стадии, которая называется абсорбцией или поглощением

Дальнейшая зарядка идет уже при фиксированном напряжении и постоянно снижающемся токе. Когда ток, потребляемый аккумулятором, опустится примерно до 10% от номинала устройства, вторая стадия завершается. Устройство переходит к этапу кондиционирования, а затем к заключительной стадии — поддерживающей зарядке.  Задача последнего этапа — не допускать саморазряда аккумулятора, сульфатации и потери емкости.

DC-DC зарядные устройства учитывают все особенности LiFePo4 аккумуляторов

Максимальная продолжительность стадии абсорбции зависит от типа свинцово-кислотного аккумулятора. У жидко-кислотных она составляет до 480 минут, а у гелевых доходит до 600 минут. Если в течении этого времени этап поглощения не завершился, срабатывает таймер и устройство переходит к поддерживающей зарядке автоматически.  Так происходит, если зарядное недостаточно мощное для данной аккумуляторной батареи, в системе существует нагрузка, не позволяющая устройству снизить ток или аккумулятор поврежден и его пластины замкнуты. Для каждого конкретного аккумулятора длительность абсорбции вычисляется в зависимости от первого этапа зарядки. Когда аккумулятор сильно разряжен первый этап (зарядка постоянным током) идет долго, поэтому длинной будет и стадия абсорбции

Описанные этапы образуют «алгоритм зарядки», который имеет свои уникальные параметры для каждого типа аккумуляторов. Напряжение окончания первого этапа, напряжение абсорбции, продолжительность этапа абсорбции и поддерживающее напряжение для гелевых, AGM и жидко-кислотных аккумуляторов различные.  Напряжение абсорбции изменяется от 14,0 до 15,1 Вольт, а поддерживающее напряжение от 13,2 до 13,8 Вольт.

Особенности зарядных для LiFePO4

Зарядные устройства для LiFePO4 аккумуляторов используют алгоритм постоянный ток / постоянное напряжение (CC / CV).  Он обеспечивает быструю зарядку без риска перезаряда и напоминает процесс заряда свинцово-кислотных аккумуляторов. Однако есть и отличия

Зарядные для свинцово-кислотных аккумуляторных батарей имеют режим десульфатации электролита. Литиевые аккумуляторы выравнивания не требуют. Выравнивающее напряжения свыше 15 В + приведет к срабатыванию защиты или повредит железо-фосфатные элементы

Другая, часто встречающаяся функция — это дозарядка. Напряжение заряженного свинцово-кислотного аккумулятора около 12,7 В. Поддерживающее напряжение зарядного устройства – от 13,3 до 13,8 Вольт. Поэтому подключенное к аккумулятору зарядное устройство не только предотвращает его саморазряд, но и питает оборудование, имеющееся в электрической системе. Когда нагрузка в цепи возрастает, аккумулятор начинает разряжаться. Если через некоторое время его напряжение снизится и достигнет «уровня дозарядки», зарядное переключится в режим максимального тока и начнет новый цикл.

«Уровень дозарядки» для свинцово-кислотной аккумуляторной батареи 12,5–12,7 В. Но при таком напряжении литий-железо-фосфатный аккумулятор разряжен примерно на 85-95%. Поэтому для аккумуляторов этого типа «уровень дозарядки» должен быть выше —  13,1-13,2 Вольт.

Эти устройства подходят для зарядки LiFePo4 аккумуляторов от сети 220 В

Некоторые устройства проводят «профилактическую» дозарядку аккумуляторов во время хранения. Процедура выполняется каждые семь дней и включает в себя весь многоступенчатый алгоритм. Столь частая зарядка литий-железо-фосфатным аккумуляторам не требуется. Наоборот их лучше хранить разряженными на 50%, подзаряжая 1 раз в 6 месяцев. В этом случае безвозвратные потери емкости окажутся меньше

Современные зарядные устройства перед началом работы определяют текущее состояние аккумулятора короткими импульсами напряжения. Полученная таким образом информация о внутреннем сопротивлении аккумуляторной батареи, позволяет «решить» с какой стадии начинать зарядку. Поскольку напряжение даже разряженного LiFePO4 аккумулятора выше 13 Вольт, некоторые устройства посчитают его почти полностью заряженным, сразу перейдут к поддерживающему этапу или не станут заряжать совсем.

Как уже говорилось, максимальная продолжительность этапа абсорбции, установленная в зарядных устройствах для свинцово-кислотных аккумуляторов, колеблется от 480 до 600 минут. У железо-фосфатных она существенно короче, не более 30 минут. Таким образом, если ток в цепи не снизился до установленного в зарядном устройстве значения (существует нагрузка, утечка на землю и т.д) аккумулятор будет находится под напряжением 14,4 Вольта не полчаса, а 8-10 часов.

Зарядные устройства для свинцово-кислотных аккумуляторов можно использовать для зарядки LiFePO4 батарей, если:

• Устройство не имеет автоматического и не отключаемого режима десульфатации или выравнивания
• Между этапом абсорбции и поддерживающей зарядкой нет стадии кондиционирования с напряжением 14,0-14,1 Вольт
• Напряжение зарядного устройства в выбранном режиме не превышает 14,6 В.

После полной зарядки LiFePO4 аккумулятора питание такого устройства необходимо отключать, поскольку у большинства моделей алгоритм хранения не соответствует требованиям литий железо-фосфатных батарей.

В конечном счете, зарядное устройство с алгоритмом для LiFePO4 – это наилучший способ сохранить емкость и продлить срок службы дорогого аккумулятора