Автомобильный генератор и LiFePO4 аккумулятор
Перед установкой литиевого аккумулятора, владельцы катеров и автомобилей часто спрашивают зачем ограничивать ток генератора во время зарядки аккумулятора. Ведь чем больше ток, тем быстрее заряжается аккумуляторная батарея. А это именно то, что требуется на транспортном средстве.
Ответить на этот вопрос поможет тест автомобильного генератора Бош с номинальной силой тока 90 А. Нагрузкой для генератора послужат проверочный стенд и LiFePO4 аккумулятор емкостью 100 Ач.
Зачем ограничивать ток
Литий-железо-фосфатные аккумуляторы можно заряжать быстро. Без ущерба для себя аккумуляторы этого типа потребляют ток равный емкости почти до самого окончания зарядки. Поэтому генератор способный давать 100 Ампер, зарядит аккумулятор емкостью 100 Ач всего один час.
Однако в генераторе, в отличии от зарядного устройства, нельзя выставить ограничение тока. Поэтому если 100 Ампер для него – это номинальное значение, то даже в прохладном помещении генератор быстро нагреется до 120-150 градусов. Под капотом же автомобиля или в двигательном отсеке катера температура достигает 100 градусов, тепло там отводится хуже, поэтому генератор разогреется еще сильнее
Генератор охлаждается воздухом, который прогоняет через него насаженная на ротор крыльчатка. Чем медленнее вращается ротор, тем слабее воздушный поток через корпус и тем хуже охлаждение. Генератор нагревается сильнее, если он вырабатывает максимальный ток на низких оборотах
Не все генераторы одинаковы. Марка также имеет значение. В равных условиях устройство признанного бренда и модель неизвестного производителя поведут себя по-разному. Первая без проблем проработает при высокой нагрузке, вторая не выдержат перегрев и выйдет из строя
DC-DC зарядные устройства ограничивают силу тока в цепи до 30 или 60 Ампер
Таким образом на состояние генератора во время работы влияет несколько различных факторов – отношение номинального и потребляемого тока, обороты двигателя и марка устройства. Учесть все в реальных условиях сложно, поэтому не нужно рассчитывать на то, что 3-4 часа непрерывной работы генератора на полной мощности не причинят ему никакого вреда. Совсем не обязательно сгорит обмотка статора. Могут выйти из строя диоды выпрямителя или расплавится пайка, соединяющая диоды с обмотками. Чтобы этого не произошло необходимо ограничить нагрузку генератора. Проще всего это сделать с помощью DC-DC зарядного устройства. При токе 70-80% от номинального значения генератор без проблем проработает в течении целого дня.
Проверка генератора
Первый тест проверяет изменение температуры генератора при максимальной нагрузке. Через три минуты после начала работы генератор дает ток 99,6 Ампер. Температура обмоток 150 градусов, но внешняя поверхность корпуса нагрелась гораздо меньше.
На пятой минуте работы температура внутри корпуса генератора поднялась до 165 градусов, а ток снизился до 97 Ампер. Снаружи корпуса температура 97 градусов
При снижении оборотов двигателя тепло исходящее от генератора увеличивается, ток постепенно падает и опускается до 92 Ампер. На низких оборотах крыльчатка на валу генератора вращается не так быстро, тепло отводится хуже и генератор постепенно перегревается. За короткий промежуток времени температура внутри корпуса вырастает со 160 до 184 градусов.
Литий-железо-фосфатный аккумулятор подключен к тестовой установке, заряжен примерно на 70%, и потребляет 12 Ампер. Остальная электрическая мощность, вырабатываемая генератором, рассеивается на нагрузке.
После отключения нагрузки литиевый аккумулятор остается единственным потребителем генератора. Однако ничего не меняется. Генератор по-прежнему работает на полной мощности вырабатывает 91 ампер и весь ток потребляет LiFePO4 аккумулятор. Теперь становится понятно, почему во время зарядки литий-железо-фосфатного аккумулятора генератор может сгореть.
На максимальной мощности генератор работает благодаря одному заряженному на 70% литий-железо-фосфатному аккумулятору емкостью 100 Ач. Если бы аккумулятор был полностью разряжен, то генератору пришлось бы работать один час, а на зарядку батареи, состоящей из 4 параллельно соединенных аккумуляторов, ушло бы четыре часа. Но ни один генератор не выдержит четыре часа непрерывной работы в горячем двигательном отсеке на полной мощности. Он выйдет из строя
Температура внутри корпуса генератора достигла 199 градусов и продолжает расти несмотря на то, что в комнате, где проводятся испытания всего 18 градусов. Чтобы представить как нагреется генератор под капотом автомобиля или в двигательном отсеке катера к наблюдаемой сейчас температуре нужно прибавить 100 градусов
Если генератор работает на низких оборотах, то время зарядки LiFePO4 аккумулятора его температура вырастает до 200 градусов. Под капотом автомобиля или в двигательном отсеке катера она может достичь 300 градусов
Напряжение аккумулятора выросло и поскольку регулятор генератора установлен на 14 вольт, ток постепенно снижается до 77 Ампер. Если бы целевое напряжение регулятора было 14,4 В генератор отдавал бы 100 А до полной зарядки аккумулятора.
Ток снижается после того как заряженность аккумулятора достигает 72%. Если бы емкость аккумуляторной батареи была 200 Ач, то и в этом состоянии она продолжала бы потреблять 90 А
Результаты испытаний
Тест подтвердил несколько важных закономерностей:
Ток зарядки литий-железо-фосфатного аккумулятора необходимо контролировать. Это предохранит генератор от повреждения и позволит ему успешно работать с аккумуляторными батареями любой емкости
Задайте вопрос,
и получите консультацию по лодочным электромоторам, аккумуляторам или зарядным устройствам для катера или яхты
Как заряжать литиевые аккумуляторы
Литиевые аккумуляторы представляют гальваническую пару, в которой катодом служат соли лития. Независимо, литий-ионный, литий-полимерный сухой или гибридный аккумулятор, зарядное устройство подходит всем. Изделия могут иметь форму цилиндра, или герметичную мягкую упаковку, способ зарядки для них общий, отвечающий особенностям электрохимической реакции. Как зарядить Li-ion АКБ?
Как правильно заряжать литиевые аккумуляторы
Существует несколько схем зарядки литиевых аккумуляторов. Чаще используется двухэтапная зарядка, разработанная компанией SONY. Не применяются устройства с применением импульсного заряда и ступенчатой зарядки, как для кислотных АКБ.
Зарядка любых разновидностей ионно-литиевых или литий-полимерных аккумуляторов требует строгое соблюдение напряжения. На одном элементе заряженного литиевого аккумулятора должно быть не больше 4,2 В. Номинальным напряжением для них считается 3,7 В.
Литиевые аккумуляторы можно ли заряжать быстро, не полностью? Да. Их всегда можно дозарядить. Работа батареи на 40-80 % емкости удлинняет АКБ срок годности.
Двухступенчатая схема зарядки батареи литиевых аккумуляторов
Принцип схемы CC/CV – постоянная сила зарядного тока/ постоянное напряжение. Как зарядить по этой схеме литиевый аккумулятор?
На схеме до 1 этапа зарядки изображен предэтап, для восстановления глубоко севшего литиевого аккумулятора, с напряжением на клеммах не менее 2,0 В. Первый этап должен восстановить 70-80 % емкости. Ток зарядки выбирают 0,2-0,5 С. Ускоренно заряжать можно, током 0,5-1,0 С. (С – емкость литиевых аккумуляторов, цифровое значение). Каким должно быть напряжение зарядки на первом этапе? Стабильным, 5 В. Когда достигнуто напряжение на клеммах аккумулятора 4,2 – это сигнал перехода на второй этап.
Теперь ЗУ поддерживает стабильное напряжение на клеммах, а зарядный ток по мере поднятия емкости снижается. При уменьшении его значения до 0,05-0,01 С зарядка закончится, устройство отключится, не допуская перезарядки. Общее время восстановления емкости для литиевого аккумулятора не превышает 3 часов.
Если литий-ионная батарея разряжена глубже 3,0 В, потребуется провести «толчок». Это заключается в зарядке малым током до тех пор, пока на клеммах не будет 3,1 В. Потом используется обычная схема.
Как контролируют параметры зарядки
Так как литиевые аккумуляторы работают в узком диапазоне изменения напряжения на клеммах, их нельзя перезаряжать выше 4,2 В и допускать разрядку ниже 3 В. Контроллер заряда установлен в ЗУ. Но каждый аккумулятор или батарея имеют собственные прерыватели, РСВ плату или РСМ модули защиты. В аккумуляторах установлена именно защита от того или иного фактора. В случае нарушения параметра, она должна отключить банку, разорвать цепь.
Контроллер – устройство, которое должно реализовать функции управления – переводить режимы CC/CV, контролировать количество энергии в банках, отключать зарядку. При этом сборка работает, нагревается.
Самодельные схемы зарядки, применяемые для литиевых аккумуляторов
Если батарея состоит из нескольких банок, разряжаются они не всегда равномерно. При зарядке необходим балансир, распределяющий заряд и обеспечивающий равномерный заряд всех банок в батарее. Балансир может быть отдельным или встроенным в схему подключения АКБ. Устройство защиты батареи называется BMS. Зная как заряжать приборы, разбираясь в схемах, можно своими руками собрать схему защитного устройства для литиевого аккумулятора.
Как зарядить литиевый аккумулятор 12 вольт
Каждый литиевый аккумулятор представляет герметичное изделие цилиндрической, призматической формы, для Li-pol в мягкой упаковке. Все они имеют напряжение 3,6- 4,2 В и разную емкость, измеряемую в мА/ч. Если собрать последовательно 3 банки получится батарея с напряжением на клеммах 10,8 – 12,6 В. Емкость при последовательной зарядке, измеряется по самому слабому литиевому аккумулятору в связке.
Как правильно заряжать литиевый аккумулятор 18650 или Pol на 12 вольт, нужно знать. Для возвращения прибору емкости необходимо использовать ЗУ с контроллером. Важно иметь в сборке РСМ для каждой банки, защиту от недо- и перезаряда. Другая схема незащищенных литиево-ионных аккумуляторов – установка РСВ – управляющей платы, лучше с балансирами, для равномерной зарядки банок.
На зарядном устройстве необходимо задать напряжение, под которым работает батарея, 12,6 В. На приборной доске устанавливается количество банок и ток зарядки, равный 0,2- 0,5 С.
Как заряжать, предлагаем посмотреть видео, способ зарядки для 2, 3 литиевых аккумуляторов 18650, соединенных последовательно. Используется бюджетное зарядное устройство.
Варианты зарядки литий-ионных литиево-полимерных аккумуляторов:
Специалисты советуют использовать для зарядки литиевых аккумуляторов штатное зарядное, остальные – только в форс-мажорных обстоятельствах. Однако, как зарядить литиевый аккумулятор без штатного зарядного устройства, нужно знать.
Как заряжать литиевые аккумуляторы шуруповерта
Шуруповерт на литиевых аккумуляторах почти всегда апгрейд. Если с Ni-Cd элементами были одни требования к зарядке, теперь они стали противоположными. В первую очередь нужно приобрести или собрать зарядник, именно для энергоемких литиевых аккумуляторов шуруповерта с форм фактором 18650. Схема зарядки применяется из двух этапов CC/CV.
Зарядка литиевого аккумулятора шуруповерта оптимальна, когда остается 20-50 % емкости – одна палочка на индикаторе. Чем чаще заряжать, тем стабильнее напряжение на клеммах и длиннее жизнь источника энергии. Чем ровнее напряжение на клеммах, тем больше циклов выдержит литиевый аккумулятор шуруповерта.
| Глубина разряда, % | Количество циклов заряда |
| 100 | 500 |
| 50 | 1500 |
| 25 | 2500 |
| 10 | 4 700 |
Как заряжать литиевый аккумулятор шуруповерта зарядным устройством, зависит от схемы сбора батареи из банок. В любом случае, напряжение на ЗУ должно быть равно заявленному для прибора, а сила тока 0,5 С на первом этапе. На втором, напряжение клеммное стабильно, а сила тока падает, вплоть до окончания процесса.
Сколько заряжать литиевый аккумулятор
Время зарядки аккумуляторов определяется процессом восстановления емкости. Различают полный и частичный заряд.
Емкость измеряется в ампер-часах. Это значит, если подать заряд, численно равный емкости, то за час на клеммах создастся нужное напряжение, а запас энергии будет 70-80 %. Если емкость измеряется в единицах С, при быстрой зарядке следует подавать ток 1С-2С. Время быстрой зарядки около часа.
Можно ли заряжать литиевый аккумулятор обычной зарядкой
Две разных системы аккумуляторов – литиевые и свинцовые требуют разного подхода к восстановлению емкости. Свинцовый АКБ не настолько требовательны к параметрам зарядки, как литиевые. Да и критерии заряда другие.
Для зарядки на первом этапе Li-ion, Li-pol требуется постоянный ток, на втором этапе постоянное напряжение. Если не контролировать параметры на первом этапе, возможен перезаряд. Но если в батарее есть встроенная защита – BMS – она справится. Поэтому несколько добавить энергии можно даже зарядником от телефона.
В зарядном устройстве для свинцовых АКБ главный показатель – стабильное напряжение. Для литиевых зарядников на первом этапе важен стабильный ток.
Правда, появились универсальные ЗУ, которые можно перенастроить на тот или иной режим зарядки. Перед вами российская разработка “Кулон”.
Можно ли заряжать LiFePO4 АКБ свинцовой зарядкой?
Статья обновлена: 2021-10-28
Вопрос на засыпку: можно ли заряжать аккумуляторные батареи LiFePO 4 зарядными устройствами, предназначенными для свинцово-кислотных аккумуляторов? Теоретически это возможно, но к каким последствиям приведет такой эксперимент, и стоит ли рисковать работоспособностью батареи?
Батарея типа LiFePO 4 с номинальным напряжением 12 В при 100% уровне заряда имеет напряжение 13,3–13,4 В, а ее свинцово-кислотный аналог – 12,6–12,7 В. При уровне заряда 20% литий-железо-фосфатная АКБ удерживает напряжение порядка 13 В, а свинцово-кислотная батарея идентичной емкости – около 11,8 В. Соответственно, диапазон напряжений на 80% емкости составляет менее 0,5 В.
Зарядные устройства для LiFePO 4 батарей ограничивают напряжение аналогично свинцовым зарядникам. Но литиевые ЗУ отличаются:
ЗУ для свинцово-кислотных аккумуляторов предоставляют определенную гибкость в плане отключения напряжения, а зарядники для батарей типа LiFePO 4 в отличие от них очень требовательны к правильной настройке. Это связано с тем, что литиевые батареи боятся перезаряда и восполняют только ту емкость, которую способны принять. Закачать в них избыточную емкость с применением импульсов или других методов невозможно.
Как работает ЗУ для литиевых аккумуляторов
По графику 2-этапного метода зарядки видно, что напряжение стремительно растет в конце 1 этапа. При этом зарядный ток резко снижается, и ЗУ переходит в режим питания.
Как работает ЗУ для свинцово-кислотных батарей
«Умные» зарядные устройства для свинцово-кислотных батарей обычно используют специальные 3-этапные алгоритмы зарядки, рекомендуемые для аккумуляторов Flooded / AGM / Gel:
Свинцово-кислотные ЗУ в подавляющем большинстве имеют режим выравнивания. У ряда моделей он автоматический, неотключаемый. Литиевым батареям режим выравнивания не нужен. Более того, применение к ним выравнивающего заряда 15 В приводит к невосстанавливаемому повреждению аккумуляторов.
Кроме того, ЗУ для свинцово-кислотных батарей имеют функцию перехода на 1 стадию при снижении напряжения в процессе зарядки. Напряжение свинцово-кислотных АКБ при полном заряде составляет 12,7 В. На 3 этапе процесса зарядки ЗУ поддерживает напряжение 13,3 –13,8 В и нагрузки, работающие в этот момент.
При увеличении нагрузок выше предельной выходной мощности ЗУ напряжение АКБ снижается. Когда оно достигает напряжения «возврата к 1 стадии» – 12,5–12,7 В, инициируется новый цикл зарядки. Для литиевых АКБ это напряжение очень низкое и соответствует уровню заряда 10–15%. Для них необходимы другие значения общего напряжения – 13,1–13,2 В.
Некоторые ЗУ для свинцовых батарей при запуске определяют напряжение АКБ и на основании этих данных начинают процесс подзарядки с определенного этапа. Литиевые АКБ удерживают напряжение более 13 В, воспринимаются такими ЗУ как почти заряженные и переходят сразу в 3 стадию зарядки.
Теоретически использовать свинцово-кислотные ЗУ для зарядки литиевых АКБ можно, если используемый зарядник позволяет отключить «режим выравнивания» и установить для зарядки напряжение не выше 14,6 В. Но! Таким ЗУ можно воспользоваться для обычной зарядки, а затем обязательно отключить. Нельзя оставлять его подключенным для обслуживания или хранения литиевой АКБ, т.к. подобные зарядники не способны поддерживать корректный алгоритм зарядки для аккумуляторов на основе лития. В противном случае батарея будет невозвратимо повреждена.
Особенности применения литиевых АКБ в автомобилях
Литиевые батареи известны достаточно давно, но вплоть до последнего десятилетия они использовались преимущественно как тяговые батареи, обслуживая кары, подъёмники и подобную технику. И только совсем недавно появились стартовые АКБ, которыми уже оснащают гибридные автомобили от Toyota, Ford и некоторых других автобрендов. Такие аккумуляторы намного легче традиционных кислотных, обладают большей ёмкостью и другими достоинствами. Однако имеются у них технологические особенности, которые мешают литиевым батареям выйти в массы.
Преимущества и недостатки литиевых АКБ
Главный недостаток этого типа автомобильных батарей – их высокая стоимость. Особенно если сравнивать с обычным кислотным аналогом: одно дело заплатить 6 тысяч рублей, и совсем другое – 60.
Но давайте начнём с достоинств:
Звучит привлекательно. Но недостатков у этой технологии никак не меньше, и они весьма серьёзные:
Наконец, стоит упомянуть о таком важном факторе, как ресурс батареи. Он у LiFePo4 аккумуляторов по современным меркам невысок – порядка трёх лет.
Количество циклов литиевых батарей
Среди специалистов принято измерять жизненный цикл автомобильных аккумуляторов количеством циклов заряд–разряд. Безусловно, этот показатель нельзя назвать точным, но в качестве ориентира он используется часто. У литиевых АКБ этот показатель примерно втрое выше, чем у свинцово-кислотных, порядка 1000 циклов.
Читателю будет интересно сравнить результаты тестов, в которых участвовали два AGM-аккумулятора, один классический свинцово-кислотный и литиевая батарея типа LiFePo4. Все участники подвергались глубокому разряду током 25 А с падением напряжения до 10.5 В, после чего заряжались таким же током до номинальных 14.4 В – подобные режимы встречаются и в реальной жизни.
Батарея с жидким электролитом «умерла» после 18 таких циклов, AGM аккумуляторы продержались 180 циклов, на состоянии литий-ионного автомобильного аккумулятора такое количество разрядов-зарядок никак не сказалось.
Впрочем, старение характерно и для этого типа батарей. Факторы, влияющие на этот показатель, известны – это величина тока заряда/разряда, глубина разряда, температура. Современные модели литиевых АКБ оснащаются системой BMS, которая следит за состоянием батареи, не давая ей перезаряжаться и способствуя защите ячеек при глубоких разрядах.
Зарядка LiFePo4 аккумулятора
Способность таких батарей быстро принимать необходимый заряд является преимуществом только на первый взгляд. Скорость внутренних химических реакций далека от мгновенной, вследствие чего состояние электролита при быстром заряде не будет одинаковым. Слои, расположенные в непосредственной близости от электродов, будут заряжены «под завязку», а периферические почти не получат заряда. Чем мощнее АКБ, тем заметнее будет эта разница.
На практике это означает, что вы сможете быстро получить номинальное напряжение на клеммах батареи, но на насыщение электролита потребуется больше времени.
Обычно ток заряда измеряют процентами от ёмкости батареи. Но если для обычных аккумуляторов это 9–10%, то для литиевых – от 50 до 100%. Это много, ведь номинал ёмкости таких батарей может составлять до 100 А*час, так что для их зарядки нужны мощные ЗУ с соответствующими значениями по амперажу.
Скажем, заряжать литиевый автомобильный аккумулятор ёмкостью 75–100 А*час необходимо током 50–100 А. Если в процессе зарядки начнёт подниматься температура электролита, BMS отключит ЗУ, но это будет свидетельством неполадок в батарее или неправильного выбора алгоритма.
Особенности выбора литиевой АКБ для автомобиля
При выборе LiFePo4 аккумулятора необходимо учитывать следующие факторы:
Ставить в автомобиль дорогой и мощный LiFePO4 аккумулятор имеет смысл, если все три главные характеристики (допустимый ток заряда АКБ, номинал по току ЗУ и мощность генератора) соответствуют друг другу.
Так, если автомобиль оснащён генератором мощностью 1500 Вт, при номинале ЗУ в 120 А батарея ёмкостью 100 А*час и показателем тока заряда 0.5С будет неподходящей – зарядный ток для неё будет слишком высоким, она будет греться, что недопустимо. Но если ток заряда будет иметь рейтинг 1С, то таких проблем не возникнет.
Установка литиевого аккумулятора
Итак, главное правило – все компоненты системы (сама батарея, генератор и зарядное устройство) должны соответствовать друг другу по номиналам. В противном случае BMS будет просто отключать АКБ из соображений безопасности. Если вы планируете использовать Li-Ion аккумулятор с возможностью зарядки от генератора на автомобилях, соответствующих экостандарту Евро 6, вам, скорее всего, потребуется заменить зарядное устройство на подходящее.
Вместо корпуса машины, используемого в качестве массы, лучше подключать провод, идущий от минусовой клеммы сервисной АКБ к минусовой клемме стартового аккумулятора.
Все провода, используемые для подключения литиевой АКБ, необходимо оснащать предохранителями, причём ставить их нужно возле клемм. Номинал такого предохранителя выбираем из расчёта, чтобы он превышал максимально допустимую нагрузку на 30%. К примеру, если литиевая АКБ на 100 А*час работает в паре с зарядкой, выдающей 60 А, предохранитель на этом участке цепи должен иметь номинал 80 А.