LiFePO4 аккумуляторы - особенности эксплуатации

• Плюсы и минусы литий-железо-фосфатных аккумуляторов
• Принцип работы LFP аккумуляторов
• График разряда LiFePO4
• Технические характеристики
• Области применения
• Особенности зарядки
• Правила хранения и утилизации

Для питания электрического транспорта, электронного оборудования, электроприборов и автономно работающей техники используются аккумуляторы с разным химическим составом. Производители создают источники питания с усовершенствованными характеристиками, среди которых отлично зарекомендовали себя литий-железо-фосфатные элементы. Технология их производства получила развитие в 2003 году, и с тех пор LiFePO4 аккумуляторы остаются лучшими по многим параметрам.

Плюсы и минусы литий-железо-фосфатных аккумуляторов

В таких источниках питания в роли материала катода применяется литий-фосфат железа. Анод производится из углерода, как и у остальных литиевых элементов. По сравнению с аналогами LFP аккумуляторы имеют превосходную химическую и термическую стабильность. Они:

• максимально безопасны в использовании – не возгораются и не взрываются, даже если разгерметизируются;
• практически не выделяют токсинов, что облегчает их утилизацию;
• более устойчивы к перезарядке, коротким замыканиям и другим аварийным ситуациям;
• не склонны к лавинообразному разрушению в случае перегрева;
• без критических последствий выдерживают пиковый разрядный ток до 25С;
• выдерживают длительное воздействие высокого напряжения;
• долговечны – срок службы LFP аккумуляторов составляет минимум 2000 рабочих циклов со снижением исходной емкости на 20%;
• подходят для использования в оборудовании с высокими токовыми нагрузками;
• имеют низкий саморазряд;
• морозоустойчивы;
• стабильно работают при температуре от -30 до +50 °С;
• не имеют выраженного эффекта памяти;
• при разряде имеют стабильное напряжение;
• по плотности энергии на 14% уступают остальным Li-ion аккумуляторам;
• допускают быструю зарядку высокими токами;
• менее подвержены эффекту старения – естественное снижение емкости у LFP ячеек составляет всего 1,5% в год, в то время как у остальных Li-ion элементов старение наблюдается на 10% в год.

К недостаткам LiFePO4 АКБ относят их низкое номинальное напряжение (в диапазоне 3–3,3 В), меньшую энергоемкость и чувствительность к прямому воздействию влаги. При взаимодействии с водой происходит потеря активного лития, и снижается плотность энергии.

Принцип работы LFP аккумуляторов

В аккумуляторах протекают реакции, основанные на взаимодействии литий-феррофосфата как материала катода и углерода в качестве материала анода: LiFePO4 + 6C → Li1-xFePO4 + LiC6. Заряд переносят ионы лития. При разряде элемента питания они внедряются в кристаллическую структуру анода и отдают накопленный заряд, в результате чего протекают процессы окисления. При заряде источника питания ионы лития перемещаются от анода к катоду и накапливают заряд – происходит процесс восстановления.

График разряда LiFePO4

Для LFP аккумуляторов характерны плоские кривые разряда и заряда. Характерная кривая разряда LiFePO4 элементов имеет значительный участок с очень медленным изменением напряжения. К тому же, она имеет гистерезис. Эти особенности усложняют точный замер уровня заряда ячеек (SOC). Решить проблемы с точностью измерений уровня заряда позволяет алгоритм, базирующийся на оценке напряжения с применением способа интегрирования токов. Похожую кривую разряда-заряда имеют накопители энергии с типом химии LiCoPO4, LiFeSO4F, LiMnPO4.

Технические характеристики

Аккумуляторы типа LiFePO4 имеют:

• номинальное напряжение 3–3,3 В;
• граничные значения напряжения – 2 В и 3,65 В (у некоторых моделей – 2 В и 3,9 В);
• напряжение под нагрузкой, минимум – 2,8 В;
• напряжение в средней точке 3,3 В;
• емкость – от 2500 до 6000 мАч и выше, в зависимости от размеров ячейки;
• ресурс – более 2000 циклов;
• удельную мощность – 90–120 Вт·ч/кг;
• типичный ток заряда – 1С, в течение 3 часов повышает заряд до напряжения 3,65 В;
• саморазряд – до 5% в год.

При соединении ячеек в аккумуляторные батареи достигаются технические характеристики, необходимые для питания определенного прибора, оборудования или транспортного средства. В зависимости от количества и схемы соединения ячеек, параметры АКБ бывают разными: емкость батареи может достигать 2000 А*ч, напряжение обычно составляет 12, 24, 36, 48 или 72 В. Диапазон рабочих температур LiFePO4 батарей соответствует параметрам ячеек (от -30 до +50 °С), а ток заряда варьируется от 4 до 30 А.

Схема соединения литий-феррофосфатных аккумуляторов в сборке зависит от требуемых параметров емкости и напряжения. При последовательном соединении ячеек емкость не меняется, а напряжение – суммируется. При параллельном соединении «банок» напряжение не меняется, а емкость суммируется. Для стабильной работы АКБ используются BMS платы, защищающие источники питания от перезаряда, глубокого разряда и коротких замыканий.

Области применения

LFP аккумуляторы используются в разных сферах:

• для питания электромоторов велосипедов, скутеров, мопедов, мотоциклов, электромобилей, квадроциклов и других транспортных средств на электротяге;
• для оснащения электрических подъемников, пылесосов, штабелеров, погрузчиков, ричтраков, поломоечных машин, гольфкаров, газонокосилок и другой техники;
• в качестве буферных накопителей энергии в системах альтернативной электроэнергии – при автономном электроснабжении с применением солнечных батарей и ветрогенераторов;
• в составе домашних ИБП;
• в качестве АКБ для катеров, лодок и других видов водного транспорта, оснащенных электромоторами;
• для комплектации гибридных генераторов, метеостанций, игрового оборудования и других приборов.

Особенности зарядки

BMS плата защиты не допускает перезаряда АКБ, ее глубокого разряда и КЗ, а также выполняет балансировку элементов питания – выравнивает их напряжение. Но незащищенные аккумуляторы (без платы защиты) нельзя перезаряжать и разряжать ниже допустимого предела, иначе они деградируют и теряют работоспособность.

Если оставить разрядившиеся аккумуляторы без подзарядки, дальнейшее снижение напряжения в результате саморазряда негативно отразится на емкости и работоспособности источника питания. Зарядку нужно проводить при температуре корпуса, приближенной к комнатным значениям. Во избежание перегрева заряжаемую батарею и ЗУ нельзя чем-то накрывать.

Процесс зарядки LFP аккумуляторов и батарей включает 2 этапа:

1. Постоянным током до нужного напряжения.
2. При постоянном напряжении до минимальной величины зарядного тока, по алгоритму CC/CV.

Для зарядки рекомендуется использовать «умные» зарядные устройства. Оптимальное напряжение заряда – 3,6–3,65 В на элемент. В результате обеспечивается напряжение до 3,4–3,45 В на каждый аккумулятор.

Правила хранения и утилизации

Перед длительным хранением LiFePO4 аккумуляторы нужно зарядить до уровня 40–60%, чтобы не допустить их значительного разряда и потери емкости. Хранить источники питания рекомендуется при температуре от +5 до +30 °С, в сухом месте, в стороне от источников тепла и прямых солнечных лучей.

Аккумуляторы, отработавшие свой ресурс, желательно сдать на переработку. В специальных пунктах переработки источники питания разбирают и в дальнейшем используют, например, для сборки блоков для хранения электроэнергии от солнечных батарей, ветряков и компактных гидроэлектростанций.

Читайте в предыдущей статье нашего блога о характеристиках кабелей AWG, выборе их сечения, маркировке и ее расшифровке.