Разряд LiFePO4: до какого напряжения и каким током

Как выглядит разряд LiFePO4

Разряд LiFePO4 устроен не так, как у свинцового аккумулятора. Свинец теряет напряжение равномерно: по вольтметру легко понять, сколько осталось. Литий-железо-фосфатная ячейка первые несколько процентов быстро опускается с 3,4 В до 3,3 В, затем почти весь разряд держит 3,2-3,3 В и только в последних 5-10 % резко падает к 2,8 В. Эту ровную «полку» любят за стабильное напряжение для инвертора и мотора, но она же мешает судить об остатке по вольтметру: между 70 и 20 % заряда разница меньше десятой доли вольта. Таблица напряжений по уровню заряда есть в статье о характеристиках LiFePO4, а здесь поговорим о том, как разряжать батарею, чтобы она прожила свой срок.

Практический вывод из формы кривой: у LiFePO4 нужен счётчик ампер-часов с шунтом или система управления батареей (BMS) со счётом заряда. Вольтметр показывает только два состояния - «всё нормально» и «почти пусто».

Напряжение отсечки

Рабочий диапазон ячеек Winston - 2,8-3,8 В. Разряд заканчивают на 2,8-3,0 В на ячейку. Выбор внутри этого диапазона зависит от тока: под нагрузкой напряжение проседает, и при большом токе отсечка 3,0 В сработает, когда в ячейке ещё остаётся заметная ёмкость.

Отсечку настраивают в двух местах. Первая линия - инвертор или контроллер нагрузки: они отключают потребителей по напряжению батареи. Вторая, аварийная, - BMS: она следит за каждой ячейкой и разрывает цепь, если хоть одна опустилась до 2,5-2,8 В. Порог инвертора ставят выше, чтобы в обычной работе до срабатывания BMS дело не доходило. Типичная ошибка - оставить в инверторе заводские 10,5 В для свинца: это 2,6 В на ячейку, ниже рабочего диапазона.

Ток разряда

У ячеек Winston номинальный ток разряда 0,5 C, постоянный - до 3 C, импульсный - до 10 C. Для WB-LYP300AHA это 150, 900 и 3000 А. Литий-железо-фосфат почти не теряет ёмкость при росте тока: при разряде 1 C ячейка отдаёт лишь на несколько процентов меньше, чем при 0,2 C. У свинца при тех же токах ёмкость падает в разы.

Ограничивает ток не столько химия, сколько нагрев. На внутреннем сопротивлении WB-LYP300AHA, не больше 0,3 мОм, при 300 А выделяется около 27 Вт, при 900 А - уже около 240 Вт. К этому добавляются шины и болтовые соединения. Поэтому для постоянной работы мы рекомендуем держаться в пределах 0,5-1 C, а 2-3 C оставлять для коротких режимов. Как ток влияет на напряжение под нагрузкой - в статье о просадке напряжения.

Глубина разряда и ресурс

Глубина разряда (DoD) - доля ёмкости, которую снимают за цикл. Именно она, а не просто число циклов, определяет срок жизни батареи. Ячейки Winston рассчитаны на 8000 циклов при глубине 70 % и 5000 циклов при 80 %.

Пример. Батарея 48 В из шестнадцати WB-LYP400AHA запасает 20,5 кВт·ч. Если каждый день брать из неё 14,3 кВт·ч (70 %), её хватит на 8000 суточных циклов - больше двадцати лет. Если брать 16,4 кВт·ч (80 %), ресурс - 5000 циклов, около 14 лет. Лишние 2 кВт·ч в сутки обходятся в шесть-семь лет срока службы. Поэтому накопитель выгодно подбирать с запасом и не опустошать каждый день. Подробно о связи глубины разряда и ресурса - в статье о сроке службы LiFePO4.

Есть и обратная сторона: хранить батарею всё время полной тоже не лучшая идея. Для ячейки самый щадящий режим - работа в середине диапазона, без постоянного стояния на 100 % и без регулярного ухода в ноль.

Можно ли разряжать полностью

Разово - да. Если батарея ушла до отсечки 2,8 В на ячейку и вскоре после этого заряжена, ничего страшного не произошло. Опасно другое - оставить её разряженной. После отсечки батарею продолжают понемногу разряжать сама BMS, вольтметры, сигнализация, блок управления лодки или автодома. Ток в 10 мА кажется ничтожным, но за месяц это больше 7 Ач, и ячейка 100 Ач, отключившаяся «на нуле», уходит ниже 2 В.

Ниже 2 В в ячейке начинаются необратимые процессы: медь токосъёмника анода растворяется в электролите, а при следующем заряде осаждается в виде наростов, которые могут проколоть сепаратор. Такая ячейка теряет ёмкость и становится непредсказуемой. Поэтому:

• после глубокого разряда заряжайте батарею в тот же день;
• на длительную стоянку отключайте батарею выключателем массы, а не только нагрузку;
• следите, чтобы BMS сама отключала своё питание при глубоком разряде, если у неё есть такой режим.

Если ячейка всё-таки переразряжена

1. Измерьте напряжение каждой ячейки отдельно.
2. Если ячейка не ниже 2,0 В, заряжайте её отдельно током около 0,05 C, для ячейки 200 Ач - 10 А, до 3,0 В, затем обычным током до 3,6 В.
3. Дайте ячейке постоять несколько суток и проверьте, держит ли она напряжение. Заметное падение - признак повреждения.
4. Проведите контрольный разряд и сравните ёмкость с остальными ячейками.

Ячейку, которая долго стояла ниже 2 В или после восстановления заметно отстаёт по ёмкости, в батарею лучше не возвращать: она будет ограничивать всю цепочку. Как выравнивать восстановленную ячейку с остальными перед сборкой - в статье о сборке аккумулятора из ячеек.

Разряд на морозе и в жару

Ячейки Winston LYP разряжаются и заряжаются при температуре от −45 до +85 °C. На холоде ёмкость временно уменьшается и растёт просадка, поэтому отсечку по напряжению зимой может быть разумно ставить ближе к 2,8 В, чтобы батарея не отключалась раньше времени. Заряжать после разряда на морозе можно сразу, ждать прогрева не нужно, просто на холоде батарея наберёт меньше ёмкости, чем в тепле. В жару ёмкость не падает, но длительная работа выше +45 °C ускоряет старение - ставьте батарею в самое прохладное место из доступных.