Иттрий и холод: LiFePO4 в мороз на ячейках Winston LYP

Что холод делает с батареей

Работа LiFePO4 в мороз осложняется сразу с нескольких сторон: батарея отдаёт меньше энергии, растёт просадка напряжения под током, электроника вокруг батареи работает на пределе своего диапазона, а постоянные перепады температуры проверяют на прочность корпус, шины и клеммы. У обычного литий-железо-фосфата к этому добавляется ограничение заряда: на морозе его обычно запрещают ниже нуля градусов. Ячейки Winston LYP с иттрием заряжаются и разряжаются при температуре от −45 до +85 °C. Для неотапливаемых шкафов связи, метеостанций, вахтовых посёлков, техники и лодок, которые зимуют на улице, это меняет весь проект. Общие правила зимней эксплуатации мы разобрали в статье «LiFePO4 на морозе», а здесь посмотрим, как особенности ячеек Winston LYP меняют зимнюю систему питания.

Ёмкость на холоде: меньше запаса на зиму

Все литиевые аккумуляторы на холоде временно теряют часть ёмкости: электролит густеет, ионы лития движутся медленнее, реакция на поверхности электродов замедляется. Вопрос в том, сколько. Обычный литий-железо-фосфат ниже −20 °C теряет 30-50 % ёмкости. Иттрий в катоде ячеек Winston (LiFeYPO4) облегчает движение ионов в кристаллической решётке, и ячейки LYP сохраняют больше 70 % ёмкости даже при экстремально низкой температуре, а заряд и разряд допускаются до −45 °C.

Для проекта это означает меньший запас «на зиму». Пример: станции связи нужно 5 кВт·ч на ночь при −30 °C. С сохранением 70 % ёмкости хватит батареи на 7,1 кВт·ч - это восемь WB-LYP300AHA на 24 В, 7,68 кВт·ч. С обычным литий-железо-фосфатом и сохранением 50 % понадобилось бы 10 кВт·ч, то есть примерно на 40 % больше ячеек, массы и места.

Важно не путать два диапазона. От −45 до +85 °C - предел самой ячейки. Пороги в системе управления батареей (BMS) задаёт тот, кто собирает систему, и они бывают уже. Сравнивая решения, уточняйте, о какой цифре идёт речь.

Пороги защиты под мороз

На холоде растёт внутреннее сопротивление, и напряжение под нагрузкой проседает сильнее, чем летом. Если пороги BMS и инвертора настроены «по-летнему», нормальная зимняя просадка воспринимается как разряд, и система отключает нагрузку, хотя энергия в батарее ещё есть. На объекте без персонала такое ложное отключение может оставаться незамеченным сутками.

• Отсечку разряда по напряжению для зимнего режима ставьте ближе к нижней границе - 2,8 В на ячейку, а не 3,0 В. Подробно о выборе порога - в статье о разряде LiFePO4.
• Порог по низкой температуре для разряда ставьте по рабочему диапазону ячеек, −45 °C, а не по умолчанию: многие BMS с завода запрещают разряд уже при −20 °C.
• Порог по низкой температуре для заряда для ячеек Winston LYP тоже −45 °C. Заводские настройки многих BMS рассчитаны на обычный LiFePO4 и запрещают заряд ниже нуля - такой порог нужно перенастроить, иначе батарея зимой будет простаивать без заряда.
• Датчик температуры ставьте на ячейки, а не в воздух ящика.

Заряд в любой момент: что это меняет

Для обычной литиевой батареи зимний проект строят вокруг заряда: ловят тёплые окна, когда ячейки прогрелись от мотора или за день, или держат батарею в тепле нагревательными пластинами. У ячеек Winston LYP такой задачи нет: заряд допускается при той же температуре, что и разряд, от −45 °C. Источник может отдавать энергию тогда, когда она есть:

• Ветрогенератор ночью. Самый сильный ветер часто приходится на холодную ночь, и батарея принимает его без ожидания прогрева.
• Солнце с утра. Первый ток от панелей идёт в батарею сразу, а не после того, как ящик прогреется.
• Генератор или двигатель. Заряд начинается с первых минут работы, а не через 10-20 минут, нужные на прогрев.

Посчитаем, что это даёт по энергии. Нагревательные пластины на 30 Вт, работающие сутки, съедают 720 Вт·ч - больше четверти батареи 12 В на 200 Ач (2,56 кВт·ч). Для ячеек Winston LYP постоянный подогрев не является условием работы: нагреватель, если он есть, включается по термостату только в сильный мороз, чтобы поддержать ёмкость и отдачу тока. Те же 30 Вт в течение двух часов - 60 Вт·ч, в двенадцать раз меньше. Для автономной системы это прямая прибавка энергии для полезной нагрузки.

Учтите только, что на холоде батарея принимает заряд медленнее и набирает меньше ёмкости, чем в тепле: сопротивление выше, и напряжение окончания заряда достигается раньше. Это не повреждение, а та же временная потеря ёмкости, что и при разряде.

Зачем всё-таки утеплять

Если заряжать можно и на морозе, утепление нужно не для разрешения заряда, а ради всей системы:

• Ёмкость. Тёплая батарея отдаёт и принимает больше энергии, а значит, меньше запаса ёмкости закладывать на зиму.
• Мощность. Чем теплее ячейки, тем меньше просадка под пусковыми токами насосов, компрессоров и стартера.
• Ресурс. Ровная умеренная температура без резких перепадов бережёт ячейки, шины и болтовые соединения.
• Электроника и зарядное устройство. Рабочий диапазон BMS, инвертора, солнечного контроллера и зарядного обычно уже, чем у ячеек Winston LYP. Утеплённый ящик держит их в допустимой зоне.

При разряде и заряде ячейки сами выделяют тепло. При токе 150 А каждая WB-LYP300AHA выделяет на внутреннем сопротивлении около 7 Вт, а на холоде, когда сопротивление растёт, - в несколько раз больше. Батарея из шестнадцати ячеек под нагрузкой - это десятки и сотни ватт тепла. Утеплённый ящик удерживает его, батарея дольше остаётся в тёплом диапазоне, лучше отдаёт энергию и быстрее набирает заряд. Утепление не потребляет энергии, поэтому с него и стоит начинать:

• закрывайте ящик пенополиуретаном, вспененным полиэтиленом или термочехлом целиком, без мостиков холода через металлические крепления;
• ставьте батарею внутри машины, отсека или шкафа, а не на открытом ветру: обдув уносит тепло в разы быстрее;
• не перекрывайте вентиляцию, если она предусмотрена конструкцией.

Свою роль играет и корпус. Пластик ячеек Winston проводит тепло хуже металлических корпусов, поэтому при одинаковом утеплении ячейка остывает медленнее. Это свойство материала, а не замена утеплителю, но в мороз каждый лишний час тепла заметен.

Что это значит для проекта

Иттрий в катоде не отменяет физику холода, но меняет экономику зимней системы: меньше запаса ёмкости на зиму, заряд в любой момент без ожидания прогрева, подогрев по термостату вместо круглосуточного, меньше элементов, которые могут отказать сами. Для крупных объектов, где важна каждая точка отказа, удобны ячейки на 700 и 1000 Ач: меньше ячеек - меньше соединений, которые страдают от перепадов температуры. Примеры северных объектов - в разделе о батареях для экстремальных условий, а о пуске двигателя на морозе - в статье о запуске в мороз.