Сначала я хотел написать короткую статью памятку для себя про лиферы, но "памятка" разрослась и превратилась в длинную ленту-простыню, которую мне самому стало сложно "перематывать". Это первая часть -теория. В конце каждого раздела будут подвыводы и выводы, а вторая часть практика.
Отредактировано, обновлено: 16.07.2025
Введение
Решил с дешевых (на само деле это не совсем так) кислотно-свинцовых батарей (статья на канале: "Запасаем энергию! Про свинцово-кислотные аккумуляторы в домашнем применении.") перейти на LiFePO4 и столкнулся с множественными трудностями и неочевидными проблемами. Эта статья посвящена внедрению лифера в солнечную электростанцию. Мы соберем и настроим собственный 24 вольтовый аккумулятор из отдельных ячеек. Видео в интернете много, но они длинные и в каждом видео оговариваются свои нюансы, полного всеобъемлющего руководства нет, попытаемся восполнить данный пробел, тем более я жду ваших комментариев, дорогие мои читатели! И смогу дополнить и отредактировать статью в отличии от многочисленных видео, где только чтения комментариев позволяет выявить их недочеты, а иногда и существенные ошибки. Данный текст больше подходит для начинающих аккумуляторо-строителей, в которой подчас изложены очевидные для профессионалов вещи, но она может оказаться интересной и познавательной профессионалам.
Статья состоит из нескольких разделов, подстатей, писал как одну, но она получилась слишком большая, физически трудно перематывать такую длинную простыню. Первая часть теоретическая, внизу странички ссылки на другие части, итак, часть первая - теория.
Теория.
Большая часть посвящена теории и теоретическим знаниям такие как параметры заряда, варианты соединений и так далее. Без теории никуда! Практика ниже (можете сразу листать или жать на меню), но она как известна вытекает из теории. Ну-с приступим!
Литий-железо-фосфатный аккумулятор (LiFePO4, LFP, «лифер») — разновидность литий-ионного аккумулятора, в котором катод изготовлен из феррофосфата лития (соль ортофосфорной кислоты, LiFePO4), a анод — из графита на подложке из медной фольги.
Преимущества
- LiFePO4 обеспечивает более длительный срок службы чем другие литий-ионные решения.
- Напряжение на выходе остаётся стабильным и близким к 3,2 (4 банки дадут около 12.8 Вольт) - это и недостаток емкость сложно контролировать .
- Высокий пиковый ток и мощность.
- Термическая и химическая стабильность.
- Срок хранения до 15 лет.
- Саморазряд при комнатной температуре: 3—5 % в месяц (но если сравнивать он такой же как у свинца)
Но это все сухие данные, для меня с практической точки зрения важно: стабильность, низкий саморазряд и как не странно обязательное использование BMS плат, а вернее контролирующей электроники, но об этом ниже. Отрицательный момент: чувствительность к низким температурам, а это значит, что просто так не оставишь в холодном зимнем дачном доме.
Единицы измерения.
Емкость аккумуляторов (С) - количество электрической энергии запасенной в аккумуляторной батареи (АКБ).
С - обозначает емкость аккумулятора, единицей в СИ является кулон (Кл), но на практике емкость обычно выражается в ампер-часах (Ач, А-Ч, А*ч, А·ч, А*час, AH). 1 Кл = 1/3600 ампер-часа.
C=Ip * tp
Где:
С- емкость аккумулятора в Ач;
Ip – сила разрядного тока, А;
Tp – время разряда, Ч.
Иными словами емкость равна току который может отдать АКБ за единицу времени - 1 час.
Номинальная, разрядная емкость (Сp) - емкость, которую должен отдать новый полностью заряженный аккумулятор в нормальных условиях разряда, указанных в стандарте на этот аккумулятор. При этом напряжение не должно упасть ниже определенной величины. Далее нас будет интересовать именно номинальная емкость.
Термины SOC, DOD, SOH.
- SOC - State Of Charge -cостояние, уровень заряда, в процентах
- SOH - State Of Health – состояние “здоровья” аккумулятора, общее состояние по сравнению с идеальным состоянием 100%.
- DOD - Depth Of Discharge - глубина разряда в процентах (величина обратная SOC)
Примеры:
- 80% DOD - значит, что 80% заряда использовано (DOD), а 20% (SOC)
- 20% SOC - значит что 20% заряда осталось (SOC), а 80% использовано (DOD)
Эти примеры демонстрирует график ниже.
Технические характеристики отдельных банок (ячеек) LiFePo4.
Речь пойдет о электротехнических характеристиках работы LiFePo4 АКБ, а именно о напряжении, силе тока, температуре.
Напряжения на LiFePo4.
Каким напряжением заряжать, до каких цифр можно разряжать, какие оптимальные напряжения работы LiFePo4 аккумуляторов.
Особенности LiFePo4 аккумуляторов.
- Нет эффекта памяти, заряжать их можно при любом уровне заряда.
- Рекомендуемый верхний предел SOC (уровень заряда) равен 90%, а не 100%, ресурс зависит от глубины разряда: если при токе 1C и 100 % глубине разряда ресурс составляет 3000 циклов, то при 80 % — 4500, а при 60 % уже 10000 циклов.
Напряжения одной ячейки LiFePo4
- Максимальное напряжение: 3,65в (при напряжении заряда свыше 3,8 В разрушает органический электролит - аккумуляторы приходят в негодность!)
- Минимальное напряжение: 2,5 вольта (ниже 2,0 вольта разряжать нельзя, аккумулятор умрет!)
- Номинальное напряжение (оптимальное напряжение, при котором батарея лучше всего работает): 3,2 вольта
Паспортные данные по моим ячейкам LiitoKala, 100Ah (Именно их я и заказал)
Они пересекаются с данными озвученными выше.
- Максимальное напряжение: 3,65в
- Номинальное напряжение: 3,2в
- Заводское напряжение: 3,15-3,35в
- Критическое разрядное напряжение: 2,5в
При получении напряжение было измерено на каждой ячейке и равнялось вот таким данным, что соответствует и даже выше обозначенных "заводских параметрах"
- 3,290 - 1 банка
- 3,293 - 1 банка
- 3,292 - Все остальные банки
Какое напряжение лучше? Или оптимальное напряжение одной ячейки.
При каком напряжении эксплуатировать аккумулятор? Какие настройки выбрать в BMS и "солнечном контроллере"? Какое напряжение оптимально и позволит длительно эксплуатировать наш не самый дешевый АКБ?
Оговорюсь сразу эти напряжение меньше (больше) паспортных, они не используют аккумуляторы на 100 процентов, но позволяют сохранить ресурс, уменьшить износ и наиболее оптимально использовать его в домашнем хозяйстве.
Как видно из графика:
Желтая линия и желтая стрелка - очень трудно балансировать так как практически горизонтальная кривая, напряжение практически не изменяется, оптимально балансировка возможна в начале и в конце набора емкости, в пределах 85-90,95% и на 25-0%. Естественно балансировка идет и в значениях напряжения на желтом отрезки кривой, но оно менее эффективно. Отсюда становится понятно зачем BMS измеряет напряжение так точно, до тысячной доли и постоянные скачки показаний именно на этом этапе.
Красная стрелка - емкость практически не меняется, а напряжение повышается и доходит до предельных 3,65в. Это самая ответственная часть кривой, балансир работает во всю переливая или "стравливая" избыток заряда особенно выбившихся ячеек, тут важно какой ток способен выдержать - перекачать балансир переливая избытки из одной ячейки в другую. К этому мы еще вернёмся в "практике" разбирая настройки BMS.
Отсюда предварительный вывод - оптимальные напряжения работы LiFePo4:
- Максимальное напряжения заряда: 3,50-3,55 Вольт
- Минимальное напряжение: 2,7 Вольт
Ток заряда
Каким током заряжать LiFePo4-аккумуляторы.
LiFePo4-аккумуляторы можно заряжать с током 0,2-1С (0,2-1 х С) или другими словами с силой тока 20-100% от номинальной емкости. Например, аккумулятор LiFePO4 емкостью 105 А·ч будет иметь стандартный диапазон тока заряда от 21 А (0,2C = 0,2х105) до 100 А (1C=1Х105). LiitoKala рекомендуют заряжать током 0,2С или для АКБ емкостью 100AH это будет 20A, а разряжать током в 1С
График разряда/заряда в зависимости от силы тока.
Как видно из графика зарядить почти до 100% емкости можно током в 0,3С, конкретном случае это 34A. Так же при разряде можно "высосать всю емкость" на низких значениях тока, 0,5С.
Ресурс сильно зависит от тока заряда и разряда, так при токе 0,25C ресурс при 100 % глубине разряда превышает 6000 циклов, при токе 1С падает до 3000.
Рекомендуемые токи:
- заряда 0,2С или 20А при АКБ 100АЧ
- разряд 0,5С до 1С или 100А при АКБ 100АЧ
Правило простое, чем меньше ток тем более долгим будет срок службы аккумулятора.
Метод зарядки.
Обычно метод зарядки: CC / CV (постоянный ток / постоянное напряжение).
- 1 этап. Сначала заряд идет методом CC - от constant current, что значит постоянным током, обычно это 0,2С до достижения напряжения на аккумуляторе 3,65в
- 2 этап. Потом напряжение стабилизируется, что значит CV от Сonstant Voltage - постоянное напряжение, а ток постепенно снижается до 0,005С-0,001С, обычно до 0,5-0,1А - и это говорит о окончании зарядки.
Но как я понимаю так никто не делает все просто заряжают определенным током до приемлемого напряжение 3,65 вольта или например 3,5 вольта.
Температурный режим.
Зависимость разряда ячейки LiFePo4 от температуры.
Где RT- комнатная, обычная температура, +20 °C (18.3-26.7 ° C)
Чем ниже температура тем меньшую емкость может отдать ячейка.
Как видно из графика оптимумом для работы ячеек будет 0-25°C, вплоть до 50°C. Но по паспортным данным:
- температура зарядки: 0 ~ 55 °C;
- температура разряда: -20 ~ 55 °C.
Соединение ячеек (P and S)
Соединение любых (в том числе и LiFePO4) ячеек может быть:
- параллельное (P);
- последовательное(S);
- комбинированное (последовательно-параллельное соединение; P-S).
Параллельное соединение батарей (P - parallel)
Приводит к увеличении емкости, напряжение равно напряжению одной ячейки (банки). Так как напряжение не меняется и одинаково для всей сборки - балансировки не требуется.
Последовательное соединение батарей (S - series)
Увеличивается, суммируется напряжение, емкость остается прежняя и равна емкости одной ячейки (банки). Так как напряжение складываются, сами ячейки соединяются последовательно друг через друга, причем ячейки LiFePO4 аккумуляторов работают в строгом оптимуме разрешенных напряжений, важна балансировка, о чем будет ниже.
Комбинированное (последовательно-параллельное соединение; P-S).
Думаю тут все ясно, для примера, есть 8 ячеек каждая по 100АЧ каждая, соединим четыре банки последовательно и еще четыре последовательно, две сборки соединим параллельно, таким образом получим сборки на 12 вольт, но емкостью 200 АЧ. Вот пример комбинированного соединения.
P и S в обозначении балансиров
Что значит 1P 2P и так далее, 4S - 8S и так далее в обозначении BMS и балансиров.
- P - parallel, что значит параллельно.
- S - series, что значит последовательно.
Т.е. все то, что описано выше и еще раз, пример соединения ячеек (банок)
Применительно к "солнечной энергетики"
- 4S используется для получения напряжения 12 В, при напряжение одной ячейки — 3,2 В которое при последовательном соединении суммируется. 4*3,2=12,8В. Таким образом для получения стандартного 12 вольтового напряжения ячейки LiFePO4 нужно собрать 4 штуки последовательно.
- 8S применяется для напряжения 24 В; 8*3,2=25,6В. Таким образом для получения стандартного24 вольтового напряжения ячейки LiFePO4 нужно собрать 8 штуки последовательно.
А вообще конфигурация может быть самой разной, например:
Балансировка
Процесс равномерного перераспределения заряда между элементами питания называется балансировкой.
Цель балансировки добиться одинакового напряжения на всех элементах соединённых последовательно. Так как литиевые аккумуляторы работают в строго ограниченном диапазоне напряжений (см. выше) становится сверх важным обеспечить оптимальный режим работы по напряжению для каждой ячейки этими и занимаются балансиры (балансировщики)
Бывают:
- Пассивные
- Активные.
- Сочетание.
Пассивные.
При пассивной балансировке избыточный заряд элементов с более высоким напряжением отводится и рассеивается в виде тепла. Такие балансиры способны разряжать ячейки, напряжение которых превышает средний показатель. Это происходит за счет того, что в процессе заряда АКБ устройство ограничивает подачу напряжения к элементам, заряженным больше других. Балансир пропускает часть тока через себя, позволяя зарядиться остальным банкам и не допуская заряда (сверх заряда) в заряженной (перезаряженной) ячейке.
Активный балансир (Active Battery Equalizer balancer)
Включает передачу заряда от ячеек с более высоким напряжением к ячейкам с более низким напряжением. Этот метод направлен на сохранение энергии внутри аккумуляторной батареи и устранение дисбаланса напряжения. Он обеспечивает более эффективное выравнивание напряжения, но может потребовать дополнительных электронных компонентов.
Активный конденсаторный балансир.
Принцип работы
Балансир сравнивает напряжение двух ячеек, после чего от элемента с большим напряжением заряжается конденсатор. Затем от конденсатора заряжается менее заряженный элемент. Процедура повторяется до выравнивания напряжение на всех ячейках. Таким образом осуществляется перенос энергии (напряжения) к менее заряженным ячейкам от более заряженных.
Характеристики типичного балансира
- Ток балансировки до 5,5А
- Собственное потребление: 0,15мА
- Режим сна.
- Диапазон напряжения при котором происходит балансировка: 3,0в до 4,2в.
- Условие начала балансировки: дельта - разница между напряжением разных ячеек более 0,08в
- Условие остановки балансировки: напряжение меньше или равно 2,9в±0,1в (переход в спящий режим пониженного напряжения)
- Максимальный ток баланса: разница в напряжении всей группы составляет 0,1в - ток до 1A; 0,5в -ток до 3.5A; 1,0в - ток до 5.5A
Балансировщики устанавливаются в дополнение к платам BMS, но не заменяют их. BMS платы выполняют ряд функций которые не доступны обычным балансировщикам.
Таким образом мы плавно перешли к BMS.
BMS
BMS - Battery Management System или по нашему, сокращено СУБ - Система Управления Батареями - эта электронная система которая следит за правильным использованием (заряд, разряд, температурный режим) ячеек аккумуляторной батареи. Иными словами можно сказать что BMS это балансир + дополнительные функции (более подробно и наглядно см. ниже)
Совместное использование балансира и BMS платы.
Можно ли использовать балансиры совместно с BMS платами? Да можно, но зачастую не нужно. Если у Вас возник вопрос о их использовании вместе, то скорее всего Вам это не нужно.
Начальная балансировка.
Как пишут некоторые пользователи лиферов новый только что собранный АКБ или комплект ячеек еще до момента сборки нужно отбалансировать. Это можно сделать несколькими способами.
- 1. Параллельное соединение - автобалансировка ячеек в течении 10 часов - двух дней.
- 2. Параллельное соединение как в первом этапе + заряд током 0,2С , напряжением 3,2В -3,3В на ячейку (заводское или номинальное напряжение)
- 3. Полностью собираем аккумулятор с подключение BMS и ставим заряжаться. АКБ сама постепенно отбалансируется.
Как правило ничего балансировать не надо и уже после сборки АКБ и включения все постепенно само от балансируется. Но если вы собирает АКБ из хлама то да, но в этом случае вы и без меня знаете, что и как делать. Впрочем мы уже стали разбирать теоретическую часть, а значит пора заканчивать эту, часть статьи и переходит к практической части. Поэтому как всегда...
Продолжение следует...
Подписывайтесь на мой канал TehnoZet-2, там много интересного! Он активно развивается! Понравилась статья, хотите продолжения - ставьте лайк, жмите палец вверх!
Пользуйтесь рубрикатором по каналу, там все по разделам: "Страничка путеводитель по каналу TehnoZet-2"
Статьи и видео по теме.
- Заставляем работать телефон/планшет без аккумулятора.