Просадка напряжения аккумулятора при больших токах

Что такое просадка напряжения

Просадка напряжения аккумулятора - это падение напряжения на его клеммах в момент, когда нагрузка забирает большой ток. Пустили мотор, включили инвертор на полную мощность, тронули с места погрузчик - и вольтметр на секунду показывает на 0,5-1,5 В меньше, чем в покое. Это не дефект, а физика: у любой батареи есть внутреннее сопротивление, и часть напряжения теряется внутри неё самой и в проводке.

Многие считают просадку мелочью, на которую можно не смотреть, пока батарея новая. Но именно она решает, хватит ли напряжения технике в момент пиковой нагрузки, а с годами становится одной из главных причин того, что система начинает работать хуже, хотя ёмкость ещё в норме.

Из чего она складывается

Просадка - результат нескольких процессов, которые идут одновременно, но с разной скоростью:

• Омическое сопротивление. Токосъёмники, электроды, клеммы, шины, болты, кабели. Падение напряжения на нём появляется мгновенно и пропорционально току.
• Скорость реакции. Ионам лития нужно время, чтобы выйти из графита и войти в катод. При большом токе реакция не успевает, и напряжение проседает ещё на доли вольта в первые секунды.
• Диффузия. При долгом большом токе у поверхности частиц катода и анода заканчивается литий, и напряжение продолжает медленно сползать минутами.

Отсюда типичная картина: резкий провал в момент включения, затем медленное снижение под постоянной нагрузкой и быстрое восстановление, когда ток падает. На холоде и при низком уровне заряда все три составляющие растут.

Считаем на примере

Возьмём батарею 12 В из четырёх ячеек WB-LYP100AHA-A и инвертор на 2 кВт. На входе инвертора при КПД около 90 % это примерно 185 А. Внутреннее сопротивление стартерной батареи Winston 12 В на 100 Ач, собранной из таких же ячеек, не больше 2,7 мОм, то есть около 0,65 мОм на ячейку.

• четыре ячейки последовательно: около 2,6 мОм;
• три межъячеечные шины и болты: около 0,3 мОм;
• медный кабель 35 мм², 2 м в обе стороны: около 1 мОм;
• итого около 3,9 мОм.

Просадка: 185 А × 3,9 мОм ≈ 0,7 В. При заряде 30 % напряжение покоя такой батареи около 13,0 В, под нагрузкой - около 12,3 В. Многие инверторы на 12 В отключаются при 10,5-11 В, так что запас есть. Но в ячейках при этом выделяется около 90 Вт тепла, а на морозе и к концу срока службы сопротивление вырастет, и запас тает.

Та же мощность от батареи 24 В - это вдвое меньший ток и при том же сопротивлении цепи вчетверо меньшие потери. Поэтому для мощных потребителей мы советуем 24 или 48 В; как выбрать схему батареи под нагрузку, разобрано в материале «Расчёт накопителя: ёмкость, ток разряда и схема батареи».

К чему приводит просадка

• Отключение по низкому напряжению. Инвертор, контроллер мотора или преобразователь видят провал и уходят в защиту, хотя батарея заряжена наполовину.
• Срабатывание BMS. Система управления батареей (BMS) отключает разряд, если хоть одна ячейка просела ниже порога. Самая слабая или самая холодная ячейка обрывает работу всей батареи.
• Потеря момента и точности. У электромоторов, приводов роботов и подъёмников момент падает вместе с напряжением, а системы управления начинают работать менее точно.
• Нагрев. Тепло на сопротивлении растёт пропорционально квадрату тока. Плохо затянутая шина становится самой горячей точкой батареи.
• Сбои электроники. Провал в момент пуска двигателя может перезагрузить навигацию, связь и контроллеры на той же шине питания.

Для силовых систем эти последствия разобраны в материале о роботах и мощных платформах.

Почему просадка растёт со временем

У новой батареи просадка часто укладывается в запас, и про неё забывают. Но внутреннее сопротивление ячейки растёт по мере старения: утолщается защитная плёнка на аноде, ухудшается контакт частиц в электродах. Добавьте ослабевшие от вибрации болты и окисленные наконечники. Через несколько лет та же нагрузка даёт провал, после которого инвертор отключается. Как и почему это происходит, мы разбираем в статье «Как стареет ячейка LiFePO4».

Поэтому стабильность напряжения - характеристика всей системы, и для силового применения она важнее, чем рекордная ёмкость или число циклов на одном заряде. Winston делает ставку на ячейки, у которых сопротивление меньше разнится от экземпляра к экземпляру и медленнее растёт с годами: напряжение под большим током остаётся в предсказуемых пределах на протяжении всего срока службы.

Как уменьшить просадку

Пример: для батареи 12 В на 400 Ач лучше четыре ячейки WB-LYP400AHA, чем две параллельные цепочки из ячеек на 200 Ач: меньше соединений, ток распределяется без перекоса. Под инвертор 3 кВт ток около 260 А для такой ячейки - около 0,65 C, при допустимых до 3 C постоянно и до 10 C в импульсе. Когда нужен ещё больший запас, смотрите ячейки большой ёмкости до 1000 Ач.