Литий-железо-фосфатные аккумуляторы LiFePO4

Расчёт идёт от нагрузки к ячейке. Ампер-часы задают только запас энергии; условия работы задают ток и температура, поэтому подбор начинается с них, а ёмкость считается последней.

1. Напряжение системы

   Номинал ячейки LiFePO₄ — 3,2 В, верхний порог 3,65 В, нижний зависит от модели: в паспортах представленных здесь ячеек это 2,5 В при температуре выше 0 °C. Число ячеек в последовательной цепи обозначают буквой S: 4S даёт 12,8 В, 8S — 25,6 В, 16S — 51,2 В. В системы «48 В» ставят 16S: в конце заряда 58,4 В, при отсечке 2,5 В на ячейку — 40 В, и весь этот диапазон попадает в рабочее окно инвертора. У 15S номинал те же 48 В, но нижняя точка опускается до 37,5 В, и инвертор отключится раньше, чем батарея действительно разрядится.

2. Энергия за один цикл

   Сложите мощность всех потребителей и умножьте на время автономной работы. Если нагрузка меняется, считайте по суточному профилю, а не по пиковой мощности — иначе батарея получится вдвое больше нужной.

3. Глубина разряда и потери

   LiFePO₄ спокойно работает на 80–90 % глубины разряда, но паспортный ресурс всегда указан для конкретной глубины. Добавьте КПД преобразователя (0,90–0,95) и запас на старение: к концу срока службы ячейка отдаёт 80 % от начальной ёмкости, и система должна остаться работоспособной именно в этой точке, а не в день покупки.

4. Проверка по току

   Допустимый ток указывают в единицах C — долях ёмкости в час. Ячейка на 100 А·ч с допуском 1C отдаёт 100 А длительно. В паспорте режимов обычно несколько, поэтому для выбранной модели нужно сверить длительный и пиковый ток. Разделите мощность нагрузки на напряжение батареи, отдельно посчитайте пусковой ток двигателей и сравните с нужной строкой паспорта. Если пик выше — берут либо ячейку с большей токоотдачей, либо параллельную цепь.

5. Проверка по температуре

   Смотрят не на температуру склада, а на температуру в месте установки. Разряжать LiFePO₄ можно от −20 °C, а вот заряжать — только в плюс: у представленных цилиндрических моделей заряд допускается от 0 °C. Для призматической модели границу сверяют по её паспорту. Если батарея стоит на улице, в расчёт закладывают подогрев, запрет заряда по датчику или другую химию.

6. Конфигурация и BMS

   Результат записывают как xSyP: столько-то ячеек последовательно, столько-то цепей параллельно. Плату BMS подбирают по длительному току разряда с запасом 20–30 % и по числу каналов балансировки, равному числу ячеек в цепи.

Тот же расчёт наоборот — по имеющейся батарее — показывает, сколько она реально проработает: умножьте ёмкость на напряжение, возьмите 85 % и разделите на мощность нагрузки.

Батарея — это не только ячейки. Половина отказов приходится не на них, а на обвязку: слабый контакт на шине, BMS не по току, отсутствие поджатия призматических ячеек.

• Ячейки, подобранные в группу. Не просто нужного номинала, а с близкой фактической ёмкостью и внутренним сопротивлением — почему это критично, разобрано ниже.
• Плата BMS. Контроль напряжения каждой ячейки, отключение при переразряде, перезаряде, перегреве и коротком замыкании, балансировка. Ставится по длительному току, а не по пиковому.
• Межэлементные соединения и силовые шины. Сечение под расчётный ток, затяжка моментом, заданным производителем ячейки: перетяжка повреждает резьбу в крышке, недотяжка увеличивает переходное сопротивление и нагрев.
• Корпус с поджатием. Призматические ячейки LiFePO₄ в ходе работы «дышат», и производители задают усилие сжатия пакета. Без обжима ресурс падает, а корпус ячейки деформируется.
• Датчики температуры на ячейках и на силовых соединениях, заведённые в BMS.
• Защита и коммутация: предохранитель, контактор или разъединитель, силовой разъём под задачу.

Поставляем в трёх видах: россыпью — ячейки с паспортом партии, если сборку вы делаете сами; комплектом — подобранные ячейки, BMS, шины и крепёж под вашу конфигурацию; готовой батареей — собранной, испытанной и с протоколом. Отдельно поставляем платы BMS и комплектующие.

Ячейки одной партии различаются по фактической ёмкости, и в сборке этот разброс определяет результат: в последовательной цепи через все ячейки идёт один ток, поэтому первая дошедшая до нижнего порога останавливает разряд всей батареи, а первая дошедшая до верхнего — прекращает заряд. Ёмкость сборки равна ёмкости худшей ячейки, а не средней.

Поэтому каждая партия проходит через нашу лабораторию.

• Фактическая ёмкость. Полный цикл заряд-разряд на стенде в заданном режиме; в паспорт партии вносится измеренное значение.
• Внутреннее сопротивление. Определяет нагрев и просадку напряжения под нагрузкой. Ячейка с сопротивлением выше соседей будет греться сильнее и состарится первой.
• Саморазряд. Ячейки выдерживают и повторно измеряют напряжение холостого хода: аномальная просадка — признак внутреннего дефекта, такую ячейку в сборку не ставят.
• Подбор в группы. Из партии формируют группы с близкими ёмкостью и сопротивлением, и в одну батарею идут ячейки только из одной группы.

Результаты складываются в паспорт качества на партию. Это тот же порядок работы, что и в наших собственных разработках, — испытательная база у нас своя, а не арендованная под конкретный заказ. Как это выглядит на практике.

Самая частая ошибка при переходе — брать литий той же ёмкости, что стоял свинец. Ампер-часы у них считаются одинаково, а отдаются по-разному.

• Свинцовый аккумулятор разряжают не глубже 50 % — иначе ресурс падает в разы. Литиевый штатно отдаёт 80–90 %.
• Паспортную ёмкость свинец показывает только при малом токе. При разряде за час доступная ёмкость падает на 30–40 % (эффект Пейкерта), у LiFePO₄ потеря единицы процентов.
• Напряжение свинца проседает по мере разряда, и оборудование начинает работать хуже задолго до конца разряда. У LiFePO₄ разрядная кривая почти плоская — техника работает одинаково до конца.

Что ещё меняется при переходе:

• Зарядное устройство. Профиль для свинца с длительным дозарядом постоянным напряжением литию вреден. Нужен режим CC/CV с отсечкой 3,65 В на ячейку и прекращением заряда по спаду тока.
• Вес. Литиевая батарея легче примерно втрое. В складской технике это плюс не всегда: у погрузчика батарея работает противовесом, и разницу компенсируют балластом — учитывается при подборе тяговой сборки.
• Габарит. При равной полезной ёмкости литиевая батарея занимает меньше места, поэтому в штатный лоток её устанавливают с проставками и креплением под новый габарит.

Заряд

Штатный профиль — CC/CV: сначала постоянный ток до напряжения 3,65 В на ячейку, затем постоянное напряжение до тока отсечки 0,01C. В паспорте наших цилиндрических ячеек 18650 и 21700 стандартный ток заряда 0,5C. Заряд бо́льшим током оплачивается ресурсом, а выигрыш во времени невелик: основное время всё равно уходит на завершающую стадию при постоянном напряжении.

Балансировка идёт в верхней части заряда, поэтому батарею, которая обычно работает в диапазоне 20–80 %, раз в месяц полезно заряжать до конца и давать BMS выровнять ячейки.

Температура

Разряд допустим от −20 °C — таков нижний предел в паспортах наших ячеек, и при отрицательных температурах доступная ёмкость снижается. Заряд — только в плюс: для представленных цилиндрических моделей нижняя граница 0 °C. Для призматических моделей сверяйте границу по паспорту. При заряде на морозе на аноде растёт металлический литий, ячейка теряет ёмкость необратимо, и внешне это никак не проявляется до отказа. Если техника ночует на улице, вариантов три: подогрев батареи, занос в тепло на время заряда или блокировка заряда по датчику температуры в BMS.

Хранение

Хранят при 30–50 % заряда. По паспорту допустимый диапазон хранения — от −20 до +25 °C при влажности не выше 75 % и сроке до 12 месяцев; при более высокой температуре срок сокращается до месяца. Полностью заряженная батарея на хранении стареет быстрее, полностью разряженная за счёт собственного потребления BMS уходит в глубокий разряд. Раз в полгода батарею проверяют и при необходимости дозаряжают до того же уровня.

Что сокращает срок службы

• Заряд при отрицательной температуре — необратимая потеря ёмкости.
• Постоянная работа на токах выше паспортных: перегрев ускоряет старение даже без срабатывания защиты.
• Долгое хранение в полностью заряженном состоянии.
• Глубокий разряд «в ноль» и последующее длительное хранение в этом состоянии.
• Ячейки с разной фактической ёмкостью в одной цепи — батарея стареет по худшей.
• Отсутствие обжима у призматических ячеек и слабая затяжка клемм.

Химия выигрывает там, где батарея работает каждый день и должна прожить годы, а вес и объём не являются главным ограничением.

• Складская техника. Погрузчики, ричтраки, штабелёры: батарея дозаряжается в перерывах вместо замены, обслуживание и долив воды не нужны, зарядная комната освобождается.
• Поломоечные машины. Ровное напряжение до конца смены — щётки и всасывание работают одинаково и на первом, и на последнем часу.
• Накопители энергии. Ежедневный цикл заряд-разряд, тысячи циклов, безопасное поведение при перегреве — то, что нужно стационарной установке.
• Источники бесперебойного питания. Стоечные сборки на 48 В, срок службы кратно выше свинцовых, меньше места в стойке.
• Электротранспорт и спецтехника. Когда важнее ресурс и стоимость киловатт-часа, а не предельная плотность энергии.
• ЖКХ и городская инфраструктура. Резервное питание оборудования, работа в неотапливаемых помещениях, длинные интервалы между обслуживанием.

Если задача в этот список не попадает, это не значит, что химия не подходит: решает режим работы, а не отрасль. Опишите условия — посчитаем.

Обозначения, которые встречаются в паспортах, спецификациях и в наших расчётах.

C, ток в единицах C

Доля ёмкости в час. Для ячейки на 100 А·ч ток 1C равен 100 А, 0,5C — 50 А. В этих единицах задают допустимые токи заряда и разряда.

SOC, степень заряда

Сколько процентов ёмкости осталось. Определяется по напряжению и подсчёту отданных ампер-часов.

DOD, глубина разряда

Какую часть ёмкости отбирают за цикл. Чем она меньше, тем больше циклов выдержит батарея.

xSyP

Схема сборки: x ячеек последовательно (задают напряжение), y таких цепей параллельно (задают ёмкость).

BMS

Система управления батареей: следит за каждой ячейкой, отключает батарею при выходе за пределы и балансирует ячейки между собой.

Балансировка

Выравнивание напряжений ячеек. Пассивная сжигает излишек на резисторе, активная перекачивает заряд в отстающую ячейку.

Циклический ресурс

Число полных циклов до падения ёмкости до 80 % от начальной. Указывается вместе с условиями: токами, температурой и глубиной разряда.

Внутреннее сопротивление

Определяет просадку напряжения и нагрев под нагрузкой. Растёт по мере старения ячейки и служит признаком её состояния.