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

Зарядное устройство контролирует температуру аккумулятора
Зарядное устройство может следить за температурой одного или нескольких аккумуляторов.

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.

Во время эксплуатации соединенные аккумуляторы так же можно заряжать по отдельности. Но гораздо удобнее делать это при помощи зарядного устройства с несколькими выходами. В этом случае каждый аккумулятор получит необходимый заряд, и батарея сохранит сбалансированное состояние

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

  • Напряжение стандартного автомобильного или лодочного генератора ниже рекомендуемого напряжения зарядки LiFePO4 аккумулятора. В зависимости от настроек регулятора напряжения генератор сможет зарядить аккумулятор на 70-90%
  • 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
  • Непрерывная нагрузка на генератор, вызванная разряженным аккумулятором, может привести к перегреву генератора
  • Если BMS разорвет соединения между аккумулятором и генератором во время работы двигателя, скачек напряжения может повредить диоды и регулятор генератора
    Схема подключения DC-DC устройство для зарядки литий-железо-фосфатного аккумулятора
    DC-DC устройство, установленное между стартовым и сервисным литиевым аккумуляторами устраняет описанные проблемы, защищает генератор и заряжает литий-железо-фосфатный аккумулятор в правильном режиме

Подробнее о способах зарядки тягового литиевого аккумулятора

Эти устройства позволяют быстро и безопасно заряжать LiFePO4 аккумуляторы от генератора автомобильного или лодочного двигателя:

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
  • -
bbw1260-3
  • Sterling Power BBW12120
  • 12->12 Вольт    
    Номинальное входное и выходное напряжение 12 Вольт. Диапазон входного напряжения 11-16 Вольт. Выходного 13-15,1
  • Максимальный ток 120 А    
    Регулировка мощности с шагом 10%. Необходим пульт. Приобретается дополнительно
  • Быстрая зарядка постоянным током
  • Режимы для GEL, AGM, LiFePO4 и жидко-кислотных аккумуляторов
  • Водонепроницаемое    
    Класс защиты IP68. Сменный охлаждающий вентилятор - IP55

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.

Зарядное устройство отключается по сигналу BMS аккумулятора
Зарядное устройство приостанавливает работу по сигналу BMS литий-железо-фосфатного аккумулятора, снимает напряжение с аккумулятора и создает дополнительный уровень защиты. Если в аварийной ситуации BMS выдает 0 Вольт, используется разъем BMS 1. Если высокий уровень сигнала (положительное напряжение), BMS 2. В обоих случаях устройство вновь запускается, после того как устранена причина отключения и аккумулятор вернулся в рабочее состояние

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

Графики разряда LiFePO4 элементов
LiFePO4 ячейки 26650 заряжались током 1,6 А до определенного напряжения, после чего напряжение ограничивалось и ток снижался до 30мА. Заряженные ячейки разряжались током 2,5 А (около 1С) до 2,6 Вольт. Видно, что заряженность аккумулятора возрастает с увеличением напряжения. При напряжении 3 Вольта она совсем небольшая, но существенно возрастает при 3,3 Вольтах. При напряжениях 3,4 и 4,2 В аккумуляторы набирали практически одинаковую емкость. Разница составила около 3%.

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.

Четырехступенчатый профиль зарядки свинцово-кислотных аккумуляторов
Так изменяются ток и напряжения во время зарядки свинцово-кислотных аккумуляторов. Дозарядка выполняется каждые 7 дней. Если из-за нагрузки напряжение падает до 12,5 Вольт, цикл зарядки возобновляется. Обе функции не подходят для LiFePO4 аккумуляторов

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.

Продолжительность стадии абсорбции зависит от типа свинцово-кислотного аккумулятора и составляет до 480 минут у жидко-кислотных и до 600 минут у гелевых АКБ. Если в течении этого времени этап поглощения не завершился, 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

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

График изменения напряжения LiFePo4 аккумулятора
Напряжение железо-фосфатного аккумулятора круто растет в самом конце цикла зарядки. В этот же момент ток, потребляемый аккумулятором резко падает и зарядное устройство должно снизить или отключить напряжение

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

Зарядное устройство Sterling Power Ultra Portable
  • Sterling Power
  • Ultra Portable
  • Ток 7 Ампер
  • Напряжение 6 и 12 Вольт
  • 1 Выход
  • Режимы для LiFePO4, GEL, AGM и жидкокислотных АКБ. Регулируемый ток заряда
LPCU1230
  • Sterling Power
  • Ultra Light
  • Ток 30 Ампер
  • Напряжение 12 Вольт
  • 2 Выхода
  • Режимы для LiFePO4, GEL, AGM и жидкокислотных АКБ. Подключение BMS. Регулируемый ток заряда
Зарядное устройство Sterling Power PCU1250
  • Sterling Power
  • Ultra
  • Ток 50 Ампер
  • Напряжение 12 Вольт
  • 3 Выходa
  • Режимы для LiFePO4, GEL, AGM и жидкокислотных АКБ.Всего 12 порфилей заряда. Регулируемый ток. Температурный датчик
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

Задайте вопрос,

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

captcha