LiFePO4 с Алиэкспресс

Вся эта история началась с ехидного комментария на мой прошлогодний обзор интерьера лодки, по поводу того, что газ и свинцовые батареи - вчерашний день, и пора переходить на литий и микроволновку. Надо сказать, это подвигло меня в очередной раз проверить цены на литий, и я решился на эксперимент.

Сервисная батарея на лодке на этот момент состояла из двух 12 вольтовых свинцовых аккумуляторов троянец1275+, соединенных в параллель.

Это около 300 - 320 Ач емкости при типичных расходных токах 5 -20 А, вес 74 кг. Батареи глубокого цикла, позволяют регулярно разряжать себя вплоть до 20% емкости (то есть отдавать в цикле около 240 ач) без заметной деградации, с количеством циклов в таких жестких условиях больше 500.

Тяговая батарея с такими характеристиками способна отдать до 240 Ач при токе 120 А. Заряжать ее можно током 60А, это вполне согласуется с установленным на судовом двигателе 100 амперном генераторе.

Ну, то есть в теории, по табличке от производителя все довольно красиво, кроме веса.

Как оказалось, китайский рынок предлагал на тот момент ячейки для сборки литий-железофосфатных батарей с емкостью 280 Ач. Это позволяло построить литиевую батарею с емкостью, близкой к свинцовому банку, и четыре таких ячейки были заказаны.

Сравнение табличных параметров (а мы исходим из того, что они реальные) показывает существенное превосходство лития.

Количество циклов при 80 процентном разряде 4000, вес батареи 22 кг, размеры собранной батареи вдвое меньше, чем у свинцового банка той же емкости. Отдаваемый номинальный ток вдвое больше, чем у нашего качественного свинца.

Для нормальной долговечной работы такой батареи необходим блок управления и контроля, так называемый БМС - Battery management system. Такая система должна постоянно контролировать напряжения и токи заряда-разряда батареи и балансировать уходящие параметры каждой отдельной ячейки. Балансировка ячеек - это индивидуальный надзор за напряжением каждой ячейки и распределение проходящего через нее тока так, чтобы потенциалы ячеек были одинаковыми.

В случае выхода любого параметра за рабочие пределы, этот блок контроля просто отсоединяет всю батарею от нагрузки. Это связано с тем, что литиевые аккумуляторы не терпят выхода за рабочий диапазон напряжений и токов и могут в одночасье потерять работоспособность из-за перезаряда, большого тока, переразряда какой-то из своих ячеек. Штука должна быть надежной, переключать токи в сотни ампер, в то же время измерять параметры каждой ячейки с довольно высокой точностью. В нашем случае она еще и отправляет результаты измерений на смартфон, добавляя в процесс человеческого контроля.

Сравнивая цены, видно, что банк свинцовых аккумуляторов, и банк лиферов близкой емкости вместе с правильным BMS стоят сопоставимых денег, а табличные характеристики лиферов при этом явно выигрывают у свинца. Кстати, новую батарею на емкость я проверил, она соответствует, даже с некоторым запасом, как это ни странно.

Теперь давайте от рекламных картинок перейдем в реальный мир со всякими его неожиданностями.

Двигатель с генератором и стартером, небольшая свинцовая стартерная батарея - стандартная непроливайка - все, как на автомобиле. Дальше начинаются отличия. Стартерная батарея соединяется с электрической сетью лодки через реле, которое замыкается, когда напряжение превышает 13В, то есть - она работает исключительно для запуска двигателя, хотя в аварийной ситуации это реле можно перемкнуть переключателем, вручную и запитать лодку от стартерной батареи, и наоборот - запустить двигатель от сервисной. К электрической сети лодки можно подключить сервисные банки аккумуляторов, свинцовых и литиевых, как раздельно, так и вместе. Каждый банк имеет систему контроля заряда-разряда. Ток с контроллеров солнечных панелей сейчас поступает прямо в сеть, с контроллера ветрогенератора - там два выхода, один - на банк свинцовых акб, второй - в сеть. Но здесь пока есть, над чем подумать, энергии становится много, и, видимо, нужно добавить возможность отключения этих источников, чтобы исключить перезаряд.

Начнем со свинца

При нормальной эксплуатации заряженную батарею удается использовать не более, чем на 50%, потому что начинают срабатывать защиты на электронных приборах по низкому напряжению.

Например, КВ радиостанция, берущая 20-30 ампер на передачу, просаживает сеть полуразряженной батареи до 11 В, и сама вместо 100 ватт выходной мощности, начинает отдавать не больше 30, работающая навигация с включенным радаром в тех же условиях отключает компрессор холодильника, контроллер которого настроен на 11.5В. В общем - в нормальных условиях эксплуатации из батареи отбирают заряд в 50% емкости, то есть 150 - 160 честных ампер-часов, при этом, конечно, ее долговечность - количество циклов разряда-заряда существенно возрастает, до тысяч. При острой необходимости, конечно, можно выкачать и все 300 ач, с конечным напряжением 10-11 Вольт, но техника будет работать выборочно.

С зарядом дела обстоят примерно также. От генератора свинцовый аккумулятор довольно быстро заряжается до 80% емкости. А потом ток заряда падает, и последние 20% заряда заливаются очень долго.

Литий.

Здесь с этим моментом существенно лучше. Номинальное напряжение выше - 13.2 в, кроме того, даже при токах разряда в сотни ампер просадка напряжения несущественна. Внутреннее сопротивление лифера в десятки раз меньше, чем у свинца. В связи с этим зарядка батареи от генератора происходит намного быстрей. При параллельном заряде свинцового и литиевого банков, в нашем примере, литий забирает больше 50 ампер, а свинец - единицы ампер. Физически это можно представить так, что в две одинаковые банки заливают жидкость одним насосом. Но в одну из банок идет тонкая трубка, а в другую - шланг диаметром раз в десять больше.

То есть литиевая батарея легко и быстро принимает и отдает заряд, и делает это в несколько раз быстрей свинца.

Свинцовая батарея должна быть постоянно заряжена на 100%. Это определяет ее долговечность. Если мы использовали ее заряд, даже если это батарея тяговая, глубокого цикла, как наши троянцы, ее нужно зарядить как можно быстрей. Производители рекомендуют полностью заряжать свинцовый аккумулятор в течение 12 часов после глубокого разряда, что довольно непросто в условиях парусной лодки и ограниченного поступления энергии, в то же время здесь все ясно и логично - заряжаем до 100% и имеем полный запас энергии.

В тоже время литий не любит крайностей. Ему вредно долго находиться в состоянии полного заряда, начинается газообразование и элементы будут "дуться". Разряженная батарея при долгом хранении может уйти за разрешенный минимум в процессе саморазряда и потерять работоспособность, в этих случаях BMS не спасает, нужно осознанно отслеживать состояние элементов.

То есть нам придется планировать, когда нам понадобится полностью заряженная батарея, чтобы сразу использовать энергию, и не хранить батарею в состоянии полного заряда. Оптимальное состояние такой батареи - 40-60% заряда, в таком виде ее можно хранить довольно долго. Несколько лет у меня летают на дронах батареи ЛИПО, как оказалось, при всех отличиях логики работы свинца и лития, привыкнуть к этому можно, и можно заряжать батареи непосредственно перед полетами, а неиспользованные сразу разряжать до половины емкости для хранения, и тогда они живут долго и счастливо.

Кстати, при параллельном заряде свинца и лифера судовым генератором, он быстро вкачивает основной заряд в лифер, выполняющий роль буферного источника, а потом, когда двигатель остановлен, заряженный лифер сбрасывает часть заряда в свинцовую батарею, заполняя те самые недостающие 20% и оптимизируя свое состояние. Судя по первым экспериментам, такой симбиоз успешно работает, заметно ускоряя процесс заряда отстающего свинца. при этом свинцово-кислотная батарея заряжается "до упора", в то же время лифер уходит от опасного полного заряда в более комфортное состояние 80% заряда.

Все эти сложности с BMS, планированием зарядов и разрядов не добавляют надежности и усложняют работу с литием. Сюда же можно отнести проблемы заряда литиевых батарей при минусовых температурах. По крайней мере, лиферы считаются безопасными в плане пожарной безопасности, в отличие от классических ЛИПО, которые шикарно горят при механических повреждениях корпусов.

Нужно четко осознавать, что при использовании литиевой батареи вполне возможен момент, когда, например, BMS обесточит лодку по достигнутому минимуму напряжения батареи. Решил ты покрутить радар, еще и по запарке, и тут все потухло... Или отключит батарею от генератора при полном заряде. По скачку напряжения от потери нагрузки может много чего погореть, генератор в том числе, обесточенная лодка - тоже ничего хорошего. На Чаве в качестве буфера в процессе заряда от генератора постоянно подключена стартерная свинцовая батарея, хотя контроль человека за процессом все же крайне желателен. А вот при разряде - надо отрабатывать процедуру контроля и переключать батареи вручную.

Ну и постоянные слухи среди адептов лития, что китайский литий на Алиэкспрессе "не тот", что это б.у. ячейки, которые могут отказать в любой момент, довольно заметный процент комментариев об отказах и недошедших к покупателям ячейках тоже не добавляют уверенности в целесообразности и надежности такого самосбора. Хотя на настоящий момент я считаю эксперимент удачным, ячейки пришли целыми, выглядят новыми, параметры самосбора лучше ожидаемых, и это неожиданно и приятно.

В этом плане свинцовые аккумуляторы вне конкуренции, они проще и надежней, не требуют такого плотного контроля, на мой взгляд, их пока вполне есть смысл использовать на крейсерской лодке в горячем резерве.