Разработка внешнего аккумулятора на четырех батареях lifepo4

Как создается LiFePo4

Вещества для изготовления литий феррофосфатных аккумуляторов поступают на производство в качестве порошка, цвета серого металлика. Технический процесс изготовления катодов и анодов идентичен, но в целях чистоты производственной схемы вынесен в разные цеха.

Создание железофосфатной батареи занимает несколько ступеней:

1. Изготовление контактов. В процессе совокупность химических элементов покрывается металлической пленкой из меди или алюминия, в зависимости от предназначения. Металл покрывается тонким слоем токопроводящей суспензии. Сформированные катоды и аноды нарезаются на полосы, которые при сворачивании становятся ячейками.
2. Компоновка. Готовые катоды и аноды размещают по бокам отсеивателя и фиксируются на нем. Конструкцию размещают в емкости из пластика, залитой электролитом и герметично закрывают.
3. Проверка на заряд-разряд. Батарею заряжают, поэтапно наращивая напряжение подаваемого тока, во избежание детонации и самовоспламенения. Разряжают изделие подключив к прибору с большой энергопотребностью.
4. Проверка внутреннего сопротивления и напряжения. Производится при помощи уравнения Нернста.
5. Продукция, не получившая нареканий в Отделе Технического Контроля завода, отгружается покупателю.

Что такое литий железо фосфатный аккумулятор

LiFePo4 аккумуляторы – это высококачественные и надежные источники питания с высокой производительностью. Они активно вытесняют не только морально устаревшие свинцово-кислотные, но и современные Li-ion батареи. Сегодня данные АКБ встречаются не только в промышленном оборудовании, но и в бытовых устройствах – от смартфонов до электровелосипедов.

LFP аккумуляторы были разработаны Массачусетским Технологическим Университетом в 2003 году. Их основа – усовершенствованная технология Li-ion с измененным химическим составом: для анода используется лития феррофосфат вместо кобальтата лития. Широкое распространение АКБ получили благодаря таким компаниям, как Motorola и Qualcomm.

Эксплуатация

Особенности использования

При покупке готовых изделий, трудностей с использованием возникнуть не должно.

Встроенный регулятор напряжения отслеживает емкостность и предупреждает как перезаряд, так и критический разряд.

В случае покупки отдельных ячеек, которыми являются батарейки для пульта или аудиоплейера, придется лично отслеживать эти параметры.

Как только заряд упадет ниже минимального значения, начнет страдать емкость самой батареи, которую уже не получится восполнить до прежних значений. Если допустить чрезмерный заряд – батарейка может вздуться.

Правила использования

При использовании LFP в качестве или в тандеме с , стоит понизить заряд до 3.4В. Помочь в подобном деле смогут ЗУ с встроенным датчиком регулировки заряда.

Необходимо отслеживать балансировку составляющих элементов АКБ во избежание разности напряжения в ячейках. Подобная асинхронность сильно уменьшает срок службы аккумулятора.

Перед началом использования

Перед началом использования LiFePO4, собранных посредством последовательного соединения ячеек, обязательно нужно балансировать систему для исключения разности заряда. Все составляющие требуется параллельно подключить к выпрямителю напряжения и зарядить до 3.6В.

Коэффициент полезности у LiFePO4-аккумуляторов на 30% больше, чем у батарей другого химического состава. Выдают стабильный ток и срок службы при грамотной эксплуатации даст фору другим источникам. Единственным фактором, мешающим его повсеместному использованию, становится цена, которая в несколько раз выше привычной.

Плюсы и минусы

LiFePO4 емкости – вершина творения инженеров в технологии строения аккумуляторов. По многим параметрам они превосходят многих своих конкурентов. Взяв от предшественников, использующих никель в составе, способность к стабильному напряжению при разрядке, он превзошел литий-ионные в долговечности, лишь немного уступив полимерным АКБ в энергоемкости.

Основные достоинства:

• полностью лишен «эффекта запоминания»;
• долгий срок службы при правильной эксплуатации;
• высокая удельная емкость;
• диапазон рабочих температур;
• не обслуживаемые;
• возможна быстрая зарядка емкости до 100 % за 30 минут;
• высокоэффективны;
• экологически чистые.

Основные недостатки:

• габариты и масса внушительны;
• обязательно следовать методике эксплуатации для сохранения свойств;
• сложность при самостоятельной сборке.

Самым существенным недостатком является цена: по отзывам владельцев, аккумулятор на автомобиль может стоять на витрине с ценником в 26800 руб. Купить аналог из Китая не имеет большого смысла: на алиэкспресс стоимость стартует с 700 долларов.

Технические характеристики LFP

Свойства ячейки будут стабильно идентичны, вне зависимости от производства:

• напряжение в пике – 3.65В;
• среднее напряжение – 3.3В;
• минимум – 2В;
• рабочее напряжение – от 3 до 3.3 вольт;
• удельная плотность: 320-498Дж/г;
• объемная плотность: 790кДж/дм3;
• заряд-разряд циклов для потери емкости: 7000;
• Срок хранения без потери емкости: 15 лет;
• Рабочий диапазон температуры: -30°C/+55°C

Технические характеристики каждого отдельного устройства варьируются исходя из используемого количества ячеек в аккумуляторе. Для электроавтомобиля потребуется аккумулятор с емкостью 20ah, напряжение которого 9.6в, а для электрического велосипеда такая же емкость батареи в 20а/ч выдаст уже 24в.

Ферум фосфатный элемент питания выпускается с различной емкостью: от 12в – для питания пульта управления «умным домом» или шуруповертом, до 72v – для питания лодочных электромоторов.

Изготавливаются они посредством поочередного соединения отсеков в связи с тем, что пиковые напряжения одной секции не будут более 3,65В. По этой причине, элементы с одинаковой емкостью количества ампер и напряжением, будут отличаться габаритами относительно применения в электромобиле или для бесперебойного питания системы оповещения.

Правила хранения, эксплуатации и утилизации LiFePo4

Прежде чем отправить LFP аккумулятор на длительное хранение, необходимо его зарядить до 40-60% и поддерживать этот уровень заряда на протяжении всего срока консервации. Держать АКБ следует в сухом месте, где температура не отпускается ниже комнатных значений.

Во время эксплуатации следует выполнять требования производителя

Важно не допускать перегрева батареи. Если вы заметили, что аккумулятор во время работы или подзарядки нагревается неравномерно, то следует обратиться в ремонтный центр – возможно одна из ячеек вышла из строя, либо присутствуют неисправности блока управления или балансирной платы

Так же следует поступить и при появлении вздутий.

Для правильной утилизации полностью исчерпавшей свой ресурс батареи следует обратиться в специализирующиеся на этом организации. Так вы не только поступите как сознательный гражданин, но и сможете на этом заработать. Однако если вы просто отправите АКБ на свалку, то ничего страшного не произойдет.

Характеристика LiFePO4 аккумуляторов

Напряжение феррофосфатного аккумулятора такое же, как и у других элементов питания, относящихся к литий-ионной технологии. Номинальное напряжение зависит от габаритов аккумулятора (типоразмера, форм-фактора). Для элементов питания 18 650 это 3,7 вольт, для 10 440 (мизинчиковые) – 3,2, для 24 330 – 3,6.

Практически у всех аккумуляторов напряжение в процессе разрядки постепенно падает. Одной из уникальных особенностей является стабильность напряжения при работе у LiFePO4-аккумуляторов. Характеристики напряжения аналогичные этим имеют аккумуляторы, сделанные по никелевой технологии (никель-кадмиевые, никель-металл-гидридные).

Напряжение при полном разряде равно 2,0 вольтам, что является самой низкой зарегистрированной границей на разряд среди всех аккумуляторов на литиевой технологии. Данные аккумуляторы являются лидерами и в сроке службы, который приравнивается к 2000 циклам на заряд и разряд. Ввиду безопасности своей химической структуры LiFePO4-аккумуляторы есть возможность зарядить при помощи специального ускоренного метода дельта V, когда на аккумулятор подается большой ток.

Многие элементы питания не выдерживают зарядку по такому методу, что приводит к их чрезмерному нагреву и порче. В случае с литий-железо-фосфатными аккумуляторами использовать такой метод не просто можно, а даже рекомендуется. Поэтому специально для зарядки таких элементов питания существуют и особые зарядные устройства. Разумеется, такие зарядные устройства нельзя использовать на батарейках с другой химией. В зависимости от форм-фактора, литий-железо-фосфатные аккумуляторы на таких зарядных устройствах могут зарядиться полностью за 15-30 минут.

Последние разработки в области LiFePO4-аккумуляторов предлагают пользователю элементы питания с улучшенным диапазоном рабочих температур. Если стандартным диапазоном для литий-ионных аккумуляторов является работа от -20 до +20 градусов Цельсия, то литий-железо-фосфатные аккумуляторы могут отлично работать в диапазоне от -30 до +55. Зарядка или разрядка элемента питания при температурах выше или ниже описанных будет сильно портить батарейку.

Литий-железо-фосфатные аккумуляторы подвержены эффекту старения в гораздо меньшей степени по сравнению с другими литий-ионными аккумуляторами. Старение — это естественная потеря емкости со временем, которая не зависит от того, используется ли элемент питания или лежит на полочке. Для сравнения: все литий-ионные аккумуляторы теряют около 10 % емкости каждый год. Литий-железо-фосфатные же теряют всего 1,5 %.

Из минусов данных аккумуляторов стоит выделить меньшую емкость, которая на 14 % меньше (или около того), чем у других литий-ионных элементов питания.

Принцип работы и устройство литий железо фосфатного АКБ

LFP батареи состоят из электродов, плотно прижатых к пористому сепаратору с обеих сторон. Для питания устройств и катод, и анод подключаются к токосъемникам. Все компоненты помещены в пластиковый корпус, залиты электролитом. На корпус помещается контролер, который регулирует подачу тока во время зарядки.

Принцип работы LiFePo4 аккумуляторов основан на взаимодействии литий феррофосфата и углерода. Сама реакция протекает по формуле:

LiFePO₄ + 6C → Li_1-xFePO₄ + LiC₆

Переносчиком заряда АКБ выступает положительно заряженный ион лития. Он имеет способность внедряться в кристаллическую решетку других материалов, с образованием химических связей.

Постановка задачи и решение

в технической спецификациисправочнике

• Номинальное напряжение 3,2 В
• Максимально допустимое напряжение 3,65 В
• Номинальный зарядный ток при полной разрядке 400 мА

bqStudioинтерфейсную плату EV2300

Настройка микросхемы BQ40Z50-R1

bqStudioПрограмматор EV2300Интерфейс программы Battery Management Studio (bqStudio)1. Выбор сходного профиля по химии батареек (Chemistry Programming)Интерфейс окна bqStudio для выбора профиля химии2. Калибровка (Calibration)

• напряжения на батарее;
• напряжения на 1-й ячейке;
• напряжения на входе;
• тока;
• температуры.

3. Настройка (Settings)

• включение/выключение защит (Protection);
• терморезисторов (Temperature Enable/Mode);
• режим определения заряда, разряда батареи (SOC Flag Config): по напряжению или по емкости;
• включение балансировки (Balancing configuration);
• включение/отключение одноразовых защит (Fuse);
• включение/отключение самовосстанавливаемой защиты (Protection);
• что должно включится автоматически после подачи питания (Manufacturing) — при этом должны быть установлены биты FET_EN=1 и GAUGE_EN=1.

4. Расширенный алгоритм заряда (Advanced Charge Algorithm)

• Значение температур, при которых будут переключаться режимы заряда (Temperature Range)
• Токи и напряжения заряда для заданных выше диапазонов температур (Low/Standart/High/Rec Temp Charging)
• Ток предзаряда (Pre-Charging)
• Ток обслуживающего заряда (Maintenance Charging) — для компенсации саморазряда
• Напряжения (Voltage range), по превышению которых будут выставлены следующие флаги, они будут видны микроконтроллеру в регистре статуса заряда (Charging status):— PV – режим Pre-charge— LV – низкое напряжение— MV – среднее— HV – высокое

Data MemoryPrecharge Start VoltageCharging Voltage LowCharging Voltage MedCharging Voltage HighМеню Data Memory в программном пакете bqStudio5. Защита (Protection)

• Устанавливаем регистр PCHGC-защиты по току, при котором Pre-charge будет выключаться на заданное время, если ток в это время превысит установленный порог.
• Устанавливаем защиту по Under voltage и Over voltage (из описания на АКБ).
• Остальные параметры оставляем по умолчанию.

6. Измерение заряда (Gas Gauging)

• Design — прогнозируемые значения емкости и напряжения батареи
• FD — уровни напряжения или емкости полного разряда
• TD — уровни напряжения или емкости для отключения разряда
• FC — уровни напряжения или емкости полного заряда
• TC — уровни напряжения или емкости для отключения заряда

1. Полностью разрядить батарею и выждать примерно 5 часов.
2. Отправить команду Enable и Reset. (Data Memory/Gas Gauging/State/Update Status). В регистрах LStatus статус должен обновиться на 0x04.
3. Зарядить батарею до момента, пока в регистре ChargeStatus бит статуса FC (Full charge) не измениться на «1». Затем следует выждать примерно 2 часа. LStatus должен изменится на 0x05. Конечно, заряжать батарею нужно тем методом, который рекомендован производителем батареи.
4. Разрядить до уровня С/10 и выждать примерно 5 часов (LStatus должен изменится на 0x06).
5. Всё. Цикл обучения завершен.

Qmax

Никелевые аккумуляторы (NiCd, NiMh)

NiCd (Никель-Кадмиевые), разработаны они были ещё в далеком 1899 году, но были слишком дорогие и имели малый срок службы, поэтому большого применения не получали. Тем не менее почти пятьдесят лет производились усовершенствования аккумуляторов вплоть до 1947 года, в котором мы уже получили текущий вариант аккумулятора в герметическом исполнении и спрессованным анодом. Данный тип аккумуляторов можно увидеть в большинстве аккумуляторов шуруповертов, так как там необходим большой ток разряда, который может предоставить данный тип аккумуляторов при очень хорошем разбросе температурных режимов. Но повсеместное использование данных аккумуляторов тоже прекратилось, из-за токсичности паров кадмия.

Технические характеристики NiCd аккумуляторов:

Удельная энергоёмкость: 30–50 Вт·ч/кг
Удельная энергоплотность: 50–150 Вт·ч/дм³
Удельная мощность: 150…500 Вт/кг
ЭДС = 1,37 В
Рабочее напряжение = 1,35…1,0 В
Нормальный ток зарядки = 0,1…1 C, где С — ёмкость
Максимальный тор разряда = 10С
Срок службы: около 100—900 циклов заряда/разряда.
Саморазряд: 10% в месяц
Рабочая температура: −50…+40 °C

Никель-металл-гидридный аккумулятор (Ni-MH) — это попытка получить аккумулятор, с целью преодоления недостатков NiCd. Разработка началась ещё в 1970-х годах, но успешные результаты получились уже только в 1980-х годах, после чего шли постоянные работы по усовершенствованию технологии производства. В основном с целью увеличения емкости аккумулятора при сохранении размеров. Технические характеристики NiMH:

Удельная энергоёмкость: около — 60-80 Вт·ч/кг.
Удельная энергоплотность (Вт·ч/дм³): около — 150-200 Вт·ч/дм³.
ЭДС: 1,25 В.
Рабочая температура: −10…+55 °C.
Нормальный ток зарядки = 0,1…0.3C, где С — ёмкость
Максимальный ток разряда = 4С
Саморазряд: 15-20% в месяц
Срок службы: около 300—500 циклов заряда/разряда.

NiMH аккумуляторы имеют на 1/5 большую максимальную емкость при тех же габаритах, но меньший максимальный срок службы — почти в два раза. Саморазряд увеличен почти в два раза, в сравнении с NiCd аккумуляторами. Экологически безопасны.

Приятная особенность NiMH аккумуляторов — это то, что почти  получилось избавиться от «Эффекта памяти». То есть его можно заряжать, если он не лежал в полузаряженном состоянии пару недель. В то время как NiCD, необходимо разряжать полностью (привет всем любителям ставить шуроповерт на зарядку в любой непонятной ситуации).

Зарядные устройства и как заряжать LiFePo4

Зарядные устройства для LiFePo4 аккумуляторов практически ничем не отличаются от обычных инверторов. В особенности можно записать большая сила тока на выходе – до 30А, что используется для быстрой подзарядки элементов.

Покупая готовый блок батарей трудностей с их зарядкой возникнуть не должно. В их конструкции встроено электронное управление, которое защищает все ячейки от полного разряда и перенасыщения электроэнергией. Дорогие системы используют балансирную плату, которая равномерно распределяет энергию между всеми ячейками устройства.

Важно при подзарядке не превышать рекомендуемую силу тока, если вы используете сторонние ЗУ. Это снизит срок службы батареи в несколько раз за одну подзарядку

Если батарея нагревается или вздувается, то сила тока превышает допустимые значения.

История открытия литий-железо-фосфатного аккумулятора

Изобретателем LiFePO4 аккумулятора является Джон Гуденаф, который работал в 1996 году в Техасском университете над созданием нового материала для катода под литий-ионные аккумуляторы. Профессору удалось создать материал, обладающий большей дешевизной, имеющий меньшую токсичность и высокую термоустойчивость. Среди недостатков элемента питания, в котором использовался новый катод, была меньшая емкость.

Изобретением Джона Гуденафа никто не интересовался, но в 2003 году компания A 123 Systems решила развить данную технологию, посчитав ее достаточно перспективной. Инвесторами данной технологии стали многие крупные корпорации — Sequoia Capital, Qualcomm, Motorola.

Безопасность феррофосфатных аккумуляторов

Данный вид элементов питания считается одним из самых безопасных среди всех существующих видов аккумуляторов. Литий-фосфатные аккумуляторы LiFePO4 имеют очень стабильную химию, и способны хорошо выдерживать большие нагрузки при разряде (в работе с низким сопротивлением) и заряде (при зарядке аккумулятора большими токами).

За счет того, что фосфаты химически безопасны, данные батарейки легче утилизировать, после того как они отработают свой ресурс. Многие аккумуляторы на опасной химии (например, литий-кобальтовые) приходится подвергать дополнительным процессам утилизации, для того чтобы свести на нет их опасность для окружающей среды.

Как осуществляется производство LiFePo4 аккумуляторов

Основные компоненты для изготовления LiFePo4 батарей поставляются на завод в виде темно-серого порошка с металлическим блеском. Схема производства анодов и катодов одинакова, но из-за недопустимости смешивания компонентов все технологические операции выполняются на разных цехах. Все производство делится на несколько этапов.

Первый шаг. Создание электродов. Для этого готовый химический состав покрывается с обеих сторон металлической фольгой (как правило, алюминиевой для катода, а медной для анода). Фольга предварительно обрабатывается суспензией, чтобы она могла выступать в роли приемника тока и токопроводящего элемента. Готовые элементы нарезаются на тонкие полоски и сворачиваются несколько раз, образуя квадратные ячейки.

Второй шаг. Непосредственно сборка батареи. Катоды и аноды в форме ячеек располагают по обе стороны сепаратора из пористого материала, плотно закрепляют на нем. Полученный блок помещают в пластиковый контейнер, заливают электролитом и запечатывают.

Заключительный этап. Контрольная зарядка/разрядка батареи. Зарядка производит с постепенным нарастанием напряжения электротока, чтобы не случился взрыв или воспламенение из-за выделения большого количества тепла. Для разрядки аккумулятор подключают к мощному потребителю. Не выявив отклонений, готовые элементы отправляются к заказчику.

Литий железо фосфатный аккумулятор: плюсы и минусы

LFP батареи основаны на технологии Li-ion, что позволило им вобрать в себя все плюсы данных источников питания, и одновременно избавиться от присущих им недостатков.

Среди главных достоинств выделяют:

1. Долговечность – до 7 000 циклов.
2. Высокий ток заряда, что сокращает время восполнения энергии.
3. Стабильное рабочее напряжение, которое не падает до полного исчерпания заряда.
4. Высокое пиковое напряжение – 3,65 Вольта.
5. Высокая номинальная емкость.
6. Небольшой вес – до нескольких килограммов.
7. Низкий уровень загрязнения окружающей среды при утилизации.
8. Морозостойкость – работа возможна при температуре от -30 до +60Со.

Но у аккумуляторов выделяют также и минусы. Первый из них – это высокая стоимость. Цена элемента на 20 Ач может достигать 35 тыс. рублей. Второй и последний недостаток – сложность собственноручной сборки банки батарей, в отличие от литий-ионных элементов. Других явных минусов у этих источников питания пока не выявлено.

Сравнение аккумуляторов — таблица.

Итак, вроде перечисли все самые популярные аккумуляторы, если что-то забыл или не упомянул, допишу позже. Теперь перейдем к самому интересному, сравнению в таблицы. Все расчеты буду проводить на примере вымышленной батареи с характеристиками примерно 74V 32Ah. Я решил сделать это в видео Google таблицы, это позволит в любой момент изменить содержимое таблицы, не изменяя текст статьи (к примеру добавить другую модель аккумулятора)

Как видно из таблицы, самыми вкусными по соотношению цена/емкость и цена/вес, у нас получаются Li-Ion 18650, скорее всего именно поэтому в большинстве самодельных сборок (в том числе и очень мощных) с некоторым ограниченным бюджетом используются батареи на основе именно этих аккумуляторов, в том числе сборки, которые идут на продажу. Дальше идут LiPol, а после него уже LiFePO4. Но, дальше уже поговорим в разделе выводов