EN
creator cover Шхуна "Чава"
Шхуна "Чава"
От проекта до славных походов...
Шхуна "Чава"
46
subscribers
goals
23 of $ 1,710 money raised
На большой поход
Available to everyone
Jan 28 12:51

Использование LFP батареи на парусной лодке

Наши подготовительные процессы в общем закончены, можно переходить к практике использования для нашего конкретного случая. Любой аккумулятор работает в трех явно выраженных режимах. Это - заряд, разряд, и хранение электрической энергии. Разберемся с каждым режимом и сделаем выводы.
ЗАРЯД LiFePo4
режимы заряда и источники тока для нашего применения
Производители (Lishen и CATL) предлагают стандартный режим заряда ячеек - перевод Гугл с китайского.
0,5I1 - это ток, численно равный половине емкости, то есть 140A для батареи емкостью 280 ач. Общепринятое обозначение - 0,5С.
В принципе, в техдокументации изложена типовая процедура заряда как свинцовых, так и литиевых аккумуляторов, по крайней мере - главный ее кусок. Для наших LFP ячеек, это заряд постоянным током (СС - constant current), с ограничением уровня тока величиной 0,5С. Эта стадия заряда обеспечивает основной объем заряда, и называется "объемный заряд" или "bulk". После того, как растущее в процессе заряда напряжение на ячейке под током достигнет порога 3,65B, аккумулятор почти полностью заряжен, в него залито 90-95% его номинальной емкости.
Чтобы "добить" заряд до 100% наш источник тока должен перейти в режим стабилизации напряжения (CU - стабилизация напряжения). Эта вторая ступень заряда называется "насыщением" или "абсорбцией". На этом этапе ток заряда довольно быстро падает по экспоненте при постоянном напряжении, приложенном к батарее. Когда его значение упадет до 0,02С (у нас 5,6А), ток через аккумулятор нужно отключить. 
Источника тока на 140А дома я не нашел, так что пришлось использовать регулируемый источник на 12В и 33А. Специально отмечу, что использовался самый простой стабилизированный источник напряжения, штатно используемый для питания КВ радиостанции. Батареи заряжались током 30-40А, (ток периодически корректировался в процессе заряда вручную) до срабатывания защиты BMS, которая настроена на 3,6 В (на 0,05 В меньше допустимого максимума) на ячейку.
Пример - график заряда батареи из элементов Lishen 280ач. График снят "вживую", данные получены через приложение для PC.
Батарея из 4 ячеек заряжается от источника тока, способного выдать около 40А, когда напряжение любой из ячеек превышает 3,6 В, BMS отключает ток. По вертикали - напряжение ячейки батареи в мВ. На горизонтальной оси - проценты заряда, 100% соответствует 280ач. Видно, что ячейки неплохо согласованы и заметные расхождения начинаются на краях диапазона, на пустой батарее - в районе 0-6% заряда, и на последних 2-3% почти полностью заряженной батареи.  
 На графике как раз изображена первая стадия зарядки - "объемная". Как видно из графика, уже на этой стадии батарея принимает больше 100% номинальной емкости.
Из графика можно сделать еще один практический вывод. Напряжение батареи резко меняется в начале заряда, на первых нескольких процентах емкости, когда батарея пустая, и особенно резко - в конце заряда, когда напряжение от 3,45 В на ячейку (13,8 B на батарее) очень быстро поднимается до максимума - напряжения отсечки. Эти практически вертикальные "хвосты" , кстати, очень полезны для четкого срабатывания автоматики BMS на краях диапазона.
Если не брать в расчет эти скачки на краях, батарея ведет себя просто идеально - напряжение батареи в диапазоне от 5 до 94% емкости при заряде меняется от 13 до 13,6 В.
Эксперименты со второй стадией зарядки - "абсорбцией" на максимуме напряжения проводились, и показали, что особого смысла в ней нет, особенно, если у вас нет специального и довольно небюджетного "умного" зарядного устройства. К тому же, если использовать распространенные рекомендации "не заряжать больше 90% и не разряжать меньше, чем до 10% емкости", то нам, во-первых, хватит одной первой стадии, во-вторых, максимальное напряжение отсечки можно уменьшить до 3,5 - 3,6 В на ячейку практически без потерь используемой емкости батареи, а минимальное напряжение - увеличить до 3 - 3,2В, эти значения отмечены на графике красными крестами.
Теперь переходим конкретно к нашей "лодочной" специфике. 
Генератор, установленный на судовом дизеле, в идеальных условиях обеспечивает ток ~100 А при напряжении 14,5 В. Как обычно, он разогревается при работе, и ограничивает ток, но в среднем 70-80 А в литиевую батарею исправно "заливает", вплоть до срабатывания BMS. То есть 1-2 часа работы двигателя (в прибрежке это типичная суточная наработка) дадут ей заряд 100-150 ач . Так как генератор не имеет "умности", заточенной под литий, вместо контроллера работаем вручную, или используем штатные батарейные BMS.
При такой схеме нужно обязательно оставить в параллель генератору стартерную свинцовую батарею (у меня - автомобильная, 80ач), чтобы генератор при отключении заряженной литиевой батареи не оказался без нагрузки.
Солнечные панели суммарной мощностью 350 Ватт (лето 2021) и ветрогенератор (100 Ватт) способны выдавать ток заряда до 30А. При всей зависимости от ветра, ориентации, наличия солнца на небе, чистоты атмосферы, они закрывают основные потребности в электричестве на идущей под парусами, или стоящей на якоре лодке.
В сезоне 22 года я планирую добавить еще пару солнечных панелей (+200 Ватт). В качестве контроллеров применены MPPT Epever, настроенные на работу с литием.
В них, кстати, используется настраиваемый алгоритм "умного" заряда, когда цикл заряда начинается с "объемной" фазы (A), в которой используются все возможности технологии MPPT - настройки и работы комплекса СП-контроллер в точку отбора максимальной мощности. Вся энергия, которую удалось получить от солнечной панели, загружается в батарею. Когда достигнуто максимальное напряжение заряда на контактах батареи (Boost voltage), контроллер переключается на фазу "насыщение" (B), а потом, через заданное время (Boosting charging time - у меня 10 минут), снижает напряжение на батарее до 13,5В (фаза C).
Если у батареи появился заметный потребитель, она начинает разряжаться, напряжение на ее контактах снизится до порога "Recharge" - подзаряд, и цикл начнется сначала.
Важный момент
Оказывается, даже если напряжения на ячейках литиевой батареи при заряде не достигли максимума - 3,65 В, но близки к нему, и продолжается заряд слабым током (у нас это единицы ампер и меньше), батарея может получить опасный перезаряд емкости, который сократит ее жизнь. При этом BMS ее не спасет, так как, по его понятиям, батарея в рабочей зоне напряжений.
То есть, при любом процессе заряда малыми токами, а это характерно для солнечных панелей в пасмурную погоду или в сумерках, контроллер заряда СП должен отслеживать этот момент и, после отработки стандартной процедуры фазы "насыщения", снижать напряжение зарядного устройства до безопасного уровня, "напряжения поддержки" <3,45 Вольта на ячейку (<13,8В на батарею). В настройках контроллера это называется "float voltage". Это важно (!)
Таблица настраиваемых параметров для лития от поддержки EPEVER, как они предупреждают - "только для справки"
И, само собой, мы должны помнить о том, что заряжать литиевые батареи при отрицательных температурах нельзя, а при близких к нулю Цельсия температурах ток заряда нужно заметно ограничивать, хотя в лодочной ситуации "минус" на борту маловероятен, если мы не вмерзли в лед возле полюса. 
Таблица ниже - из спецификации к ячейке LiFePo4 бренда Lishen. 
Ток I в таблице выражен в C, то есть для батареи в 280ач 0,3 I =84А, а 0,8 I =224А. Кроме температуры батареи, при заряде серьезными токами, нужно учитывать еще и степень ее заряда, что создает некоторые неудобства для автоматизации этого процесса.
В целом, описанный выше комплект оборудования позволяет заряжать LFP батареи емкостью от 200 ач и выше с минимальным контролем за процессом, так как максимальные токи заряда ограничены физическими возможностями источников, а напряжения находятся под контролем BMS и контроллеров солнечных панелей.
РАЗРЯДНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ЕМКОСТЬ LFP БАТАРЕЙ
Если еще раз заглянуть в спецификации, производители предлагают убедиться в соответствии номиналам емкости своих ячеек, разряжая их после полного заряда и выдержки в течение часа током 1С. Это стандартный тест.
Такой нагрузки (на 270-280 А!) у меня не было, но 0.5С обеспечить удалось. К батарее был подключен инвертор синуса 12В ->220В мощностью 3кВт, который нагружался на обогреватель с вентилятором - активную нагрузку, которая на половинной мощности отбирала с батареи около 1.8кВт. Причем эта схема работает довольно стабильно, можно считать, что она потребляет энергию равномерно в течение разряда батареи.
Вот тут сразу стало понятно, чего стоят заверения продавца "Littocala official store":
"Уважаемый клиент, батареи отправляются со склада после строгого тестирования, и емкость батарей в соответствии с описанием. Результаты испытаний будут зависеть от условий тестирования (например, температуры, потери линии, испытательного оборудования, параметров тестирования и т. д.). Пожалуйста, проведите несколько тестов и усредните результаты, чтобы уменьшить отклонение. Спасибо за понимание!"
🤣🤣🤣.
В описании продавца в магазине Алиэкспресс - ячейки 280ач.
Первый набор ячеек, идентифицированных, как Lishen 272ач, разрядился через эту эталонную нагрузку за 1 час 58 мин, причем и измерители BMS, и мои собственные измерительные средства показали 280ач, даже с некоторым запасом в несколько ампер-часов.
Второй набор, которые выглядят, как CATL 271ач - за 1 час 43 мин, что говорит о явном недоборе емкости.
Спецификация ячеек CATL 271ач 
CATL 271ah spec sheet.pdf982.86 KbDownload
Если считать Lishen за эталонные 280ач, здесь не более 244, 4ач, что составляет около 90% от емкости "идентифицированных" элементов, и 87% от заявленной. Видимо, как это часто обсуждается на форумах самодельщиков, у продавца "проскочил" набор б/у ячеек, отработавших тысячу-две часов ресурса, растерявших 10% емкости, и перепакованных для продажи всяким "лохам".
В общем - меня "надули", и продавца рекомендовать я не могу, хотя, по некоторому размышлению, я остался удовлетворен приобретением.
Ячейки оказались не "дутыми", довольно неплохо согласованными, кроме того, CATL 271 - ячейки, позволяющие по спецификации разряд 3C в течение 30-60 секунд, "силовые" ячейки, и это довольно важное качество, которое может пригодиться в будущем.
Ячейки обоих наборов остаются довольно хорошо согласованными в течение практически всего процесса разряда. Толщина линий графиков, кстати, позволяет оценить погрешности измерения  напряжения нашими BMS.
Первый график - Lishen
Второй - CATL
Хранение запасенной электроэнергии, оптимальные условия
Если кратко - для длительного хранения электроэнергии литий, мягко говоря, подходит не очень. Заряженная и оставленная надолго батарея неверняка раздуется. Литий подходит для циклического использования, днем - зарядил, ночью - разрядил. Все производители рекомендуют хранить ячейки в состоянии заряда 20-40% емкости. Батареи группы LiPo, которые используются на дронах DJI, так как имеют наибольшую плотность хранения энергии, рекомендуют заряжать прямо перед использованием, и встроенные контроллеры штатно сбрасывают лишний заряд в течение 10 дней. С нашими LFP все не так критично, тем не менее месяцами держать заряженные "до упора" батареи не стоит. 
Жизненные правила для лития (с американского форума самодельщиков, в файле еще много чего интересного)
how_charging_works_for_lfp (1).pdf44.81 KbDownload
выглядят несложно:

LFP batteries don't like to be full.
LFP батареи лучше не держать в заряженном виде
Even resting at voltages above aproximately 3.35 volts is an avoidable stressor.
Хранение ячеек с напряжением выше 3,35 В - стресс для них, которого лучше избегать
LFP batteries also don't like to be empty.
LFP батареи лучше не держать полностью разряженными
LFP batteries do like to cycle.
LFP батареи лучше использовать в цикличном режиме разряда-заряда
Setting the float voltage lower allows the battery to cycle.
Если "напряжение поддержки" - float voltage в зарядном контроллере СП установлено ниже - батарее проще работать в цикле.
Все это хорошо согласуется с нашим "лодочным" применением, и, конечно, напрашивается избыток емкости батарей, по сравнению с расчетным. И напрашивается намного сильней, чем при работе со свинцом, так как свинцу нужно быть в состоянии полного заряда для счастливой жизни, и зарядить его "до упора" - отдельная длительная задача,  а литию полезно болтаться в состоянии где-то до 60-70% заряда, и это достигается легко и просто.
Приложения (на какой случай, вдруг пригодятся)
LF280 (3.2V 280Ah) Product Specification(Version E)-2019.7.5.pdf789.05 KbDownload
REPT 280ah battery.pdf887.69 KbDownload
На этом эпопею, связанную с литиевыми аккумуляторами, я хочу закончить. Возможно, есть смысл привести в порядок и издать эти тексты в виде какой-то "Рабочей тетради парусного самодельщика", я подумаю.
Log in, to post comments

Subscription levels

No subscription levels
Go up