Характеристики LiFePO4: как читать карточку ячейки

Зачем разбираться в цифрах

LiFePO4 характеристики обычно умещаются в полтора десятка строк карточки, и почти каждая из них участвует в расчёте батареи. Напряжение определяет, сколько ячеек ставить последовательно, ёмкость - запас энергии, токи - какую нагрузку выдержит сборка, температура - где её можно установить, ресурс - на сколько лет её хватит. Ошибка в понимании одной строки потом обходится дорого: батарея не тянет инвертор, отключается на морозе или стареет за пару лет. Ниже разбираем каждую строку на примере ячеек Winston LYP из нашего каталога. Общее устройство литий-железо-фосфата описано в статье «Что такое LiFePO4», здесь - только цифры и их смысл.

Напряжение: номинал, рабочий диапазон и уровень заряда

Номинальное напряжение ячейки LiFePO4 - 3,2 В. Это среднее напряжение за разряд, по нему считают запас энергии и подбирают число ячеек: 4 штуки дают 12,8 В, 8 - 25,6 В, 16 - 51,2 В. Реальное напряжение всё время меняется:

• Рабочий диапазон ячеек Winston - 2,8-3,8 В. Это границы, за которые ячейка не должна выходить ни при заряде, ни при разряде.
• Окончание заряда на практике - 3,55-3,65 В на ячейку, то есть 14,2-14,6 В на батарею 12 В. Верхняя граница 3,8 В - предел, а не цель.
• Окончание разряда - 2,8-3,0 В на ячейку. Ниже ёмкости почти не остаётся, а ячейка начинает изнашиваться быстрее.

Главная особенность литий-железо-фосфата - очень пологая кривая. Большую часть разряда напряжение стоит на 3,2-3,3 В и резко падает только у самого дна. Поэтому по вольтметру уровень заряда видно плохо. Ориентировочные значения для ячейки, простоявшей без нагрузки пару часов при комнатной температуре:

Разница между 70 и 20 % - меньше десятой доли вольта на ячейку. Погрешность дешёвого вольтметра и температура съедают её целиком, поэтому в системах, где важен точный остаток, ставят счётчик ампер-часов с шунтом. Как настраивать напряжения зарядного устройства - в статье о зарядке LiFePO4.

Ёмкость, запас энергии, масса и объём

Ёмкость в ампер-часах показывает, какой заряд ячейка отдаёт при номинальном режиме разряда. Запас энергии - ёмкость, умноженная на номинальное напряжение: у WB-LYP100AHA-A это 100 Ач × 3,2 В = 320 Вт·ч, у WB-LYP300AHA - 960 Вт·ч, у WB-LYP1000AHC - 3200 Вт·ч. При последовательном соединении ёмкость не растёт, растёт напряжение: батарея 12 В из четырёх ячеек на 300 Ач - это всё те же 300 Ач, но уже 3,84 кВт·ч.

Удельная энергия - сколько ватт-часов приходится на килограмм и на литр. По ней сравнивают ячейки между собой, когда важны масса и место:

• WB-LYP100AHA-A - 97 Вт·ч/кг и 153 Вт·ч/л;
• WB-LYP300AHA - 101 Вт·ч/кг и 157 Вт·ч/л;
• WB-LYP700AHA - 107 Вт·ч/кг и 175 Вт·ч/л;
• TS-LTHP750AHA - 141 Вт·ч/кг и 189 Вт·ч/л.

Для литий-железо-фосфата это обычные значения: он легче свинца примерно в три раза, но уступает кобальтовым химиям. Winston здесь сознательно не гонится за рекордом: пластиковый корпус, запас по стабильности катода и большая ячейка дают вес, зато выигрывают в безопасности и ресурсе.

Токи: что значат 0,5 C, 3 C и 10 C

Токи в характеристиках указывают в долях ёмкости, обозначая их буквой C. Ток 1 C численно равен ёмкости: для ячейки 200 Ач это 200 А. У ячеек Winston три значения:

• Номинальный ток заряда и разряда - 0,5 C. Режим, в котором ячейка работает всю жизнь без лишнего нагрева. Для WB-LYP200AHA это 100 А.
• Постоянный разряд - до 3 C. Предел для длительной нагрузки: у WB-LYP200AHA - 600 А.
• Импульсный разряд - до 10 C. Короткий бросок тока: пуск двигателя, разгон, включение компрессора. У WB-LYP200AHA - 2000 А.

Пример. Инвертор 3 кВт на батарее 24 В при полной мощности и КПД около 90 % берёт примерно 3000 / 0,9 / 24 ≈ 140 А. Ячейке 200 Ач это 0,7 C - выше номинала, но далеко от предела 3 C, так что сборка 8 × WB-LYP200AHA справится. На той же батарее 12 В ток вырос бы до 280 А, или 1,4 C: работать можно, но шины, кабели и система управления батареей (BMS) должны быть рассчитаны на такой ток. Постоянная работа на верхней границе греет ячейки и сокращает ресурс, поэтому в расчёте лучше держаться ближе к 0,5-1 C.

Внутреннее сопротивление

Внутреннее сопротивление определяет, насколько проседает напряжение под током и сколько энергии уходит в тепло. У крупных ячеек Winston оно очень маленькое: у WB-LYP200AHA - не больше 0,35 мОм, у WB-LYP300AHA, WB-LYP700AHA и WB-LYP1000AHC - не больше 0,3 мОм. При токе 300 А ячейка 300 Ач теряет на собственном сопротивлении около 0,09 В и выделяет около 27 Вт тепла. Сопротивление растёт на холоде и с возрастом, а в собранной батарее к нему добавляются шины и болтовые соединения, которые часто дают больше, чем сами ячейки. Подробный расчёт - в статье о просадке напряжения при больших токах.

Ресурс, саморазряд и температура

Ресурс всегда указывают вместе с глубиной разряда (DoD) - долей ёмкости, которую снимают за цикл. У ячеек Winston это 8000 циклов при глубине 70 % и 5000 циклов при 80 %. Ресурс считается выработанным, когда ёмкость опускается до заданного порога, обычно до 80 % от начальной; батарея при этом продолжает работать. При одном цикле в сутки 8000 циклов - больше двадцати лет. Почему одна цифра циклов без условий ничего не значит, мы разбирали в материале о ресурсе ячеек LYP.

Саморазряд - не больше 1 % в месяц. Заряженная батарея за полгода хранения теряет единицы процентов.

Температурных строк две: заряд и разряд. У обычного LiFePO4 они различаются, и заряд на морозе обычно ограничивают нулём градусов. У ячеек Winston LYP обе строки одинаковы: заряд и разряд от −45 до +85 °C - это заслуга иттрия в катоде (LiFeYPO4). На холоде ёмкость и отдача тока временно ниже, поэтому в сильный мороз батарею выгодно утеплять. В собранных стартерных батареях свой рабочий диапазон: у WB-LP12V100AH и WB-LP12V60AH это от −25 до +60 °C, у WB-LP12V90AH - от −45 до +85 °C, поэтому смотрите карточку конкретной модели.

Как собрать из характеристик свою батарею

1. По напряжению системы выберите число ячеек: 4 на 12 В, 8 на 24 В, 16 на 48 В.
2. По суточному расходу энергии и допустимой глубине разряда найдите ёмкость и возьмите одну ячейку нужного размера вместо параллельных цепочек.
3. Поделите максимальный ток нагрузки на ёмкость и проверьте, что постоянный ток не выше 3 C, а лучше - в пределах 0,5-1 C.
4. Проверьте пусковые броски по импульсному току 10 C.
5. Сверьте температуру места установки с рабочим диапазоном ячеек и настройте температурную защиту BMS по нему: для ячеек Winston LYP нижний порог заряда и разряда −45 °C.

Полный пример с нагрузками, КПД и запасом - в статье о расчёте накопителя, а все модели с характеристиками собраны в разделе ячеек LiFePO4 3,2 В каталога.