Lifepo4 аккумуляторы эксплуатация и особенности

На сегодняшний день существует большое количество аккумуляторов с различными типами химии. Наиболее популярными аккумуляторами сегодня являются литий-ионные. К этой же группе относятся и литий-железо-фосфатные (феррофосфатные) аккумуляторы. Если все элементы питания, относящиеся к данной категории, в общем и целом похожи друг на друга по техническим характеристикам, то литий-железо-фосфатные аккумуляторы имеют свои уникальные особенности, выделяющие их среди других аккумуляторов, сделанных по литий-ионной технологии.

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.

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).

В зависимости от размера литий-железо-фосфатный аккумулятор способен выдавать от 3,0 до 3,2 вольт вплоть до полного разряда. Это свойство дает больше преимуществ для данных аккумуляторов при использовании их в цепях, так как практически сводит на нет необходимость регулирования напряжения.

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.

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.

Зарядка литий-железо-фосфатных аккумуляторов

Одной из причин коммерческого интереса инвесторов к феррофосфатной химии стала возможность быстрой зарядки, вытекающая из ее стабильности. Сразу после организации конвейерного выпуска LiFePO4-аккумуляторов они позиционировались как элементы питания, которые можно быстро зарядить.

Для этой цели стали выпускаться специальные зарядные устройства. Как уже было написано выше, такие зарядные устройства нельзя использовать на других аккумуляторах, так как это вызовет их перегрев и будет сильно портить их.

Специальное зарядное устройство для данных аккумуляторов способно зарядить их за 12-15 минут. Феррофосфатные батарейки можно заряжать и обычными зарядниками. Существуют также и комбинированные варианты зарядных устройств с обоими режимами зарядки. Наилучшим вариантом, конечно, будет использование умных зарядных устройств с множеством опций, регулирующих процесс зарядки.

Устройство литий-железо-фосфатного аккумулятора

Никаких особенностей во внутреннем устройстве литий-железо-фосфатный LiFePO4 аккумулятор по сравнению со своими собратьями по химической технологии не имеет. Изменению подвергся только один элемент – катод, сделанный из фосфата железа. Материалом анода является литий (все элементы питания на литий-ионной технологии имеют литиевый анод).

Работа любого аккумулятора основана на обратимости химической реакции. Иначе процессы, происходящие внутри аккумулятора, называются процессами окисления и восстановления. Любой аккумулятор состоит из электродов – катода (минуса) и анода (плюса). Также внутри любого аккумулятора имеется сепаратор – пористый материал, пропитанный специальной жидкостью – электролитом.

При разрядке аккумулятора ионы лития движутся через сепаратор от катода к аноду, отдавая накопленный заряд (окисление). При зарядке аккумулятора ионы лития движутся в обратном направлении от анода к катоду, накапливая заряд (восстановление).

Виды литий-железо-фосфатных аккумуляторов

Все виды аккумуляторов на данной химии можно условно разделить на четыре категории:

• Полноценные АКБ.
• Большие ячейки в виде параллелепипедов.
• Небольшие ячейки в виде параллелепипедов (призматики — аккумуляторы LiFePO4 на 3,2 V).
• Небольшие плоские аккумуляторы (пакеты).
• Цилиндрические аккумуляторы.

Литий-железо-фосфатные АКБ и ячейки могут иметь разное номинальное напряжение от 12 до 60 вольт. Они во многом опережают традиционные свинцово-кислотные АКБ: цикл работы гораздо выше, вес в несколько раз ниже, подзаряжаются в несколько раз быстрее.

Цилиндрические аккумуляторы на данной химии используются как отдельно, так и в цепи. Габариты данных цилиндрических аккумуляторов бывают самыми различными: от 14 500 (пальчиковые) до 32 650.

Литий-железо-фосфатные АКБ

Отдельного внимания достойны феррофосфатные АКБ для велосипедов и электроциклов. С изобретением нового железо-фосфатного катода наряду с прочими видами аккумуляторов на данной химии вышли и специальные АКБ, которые ввиду их улучшенных характеристик и меньшего веса можно удобно использовать даже на обычных велосипедах. Подобные АКБ сразу обрели популярность среди любителей модернизации своих велосипедов. Литий-железо-фосфатные АКБ способны предоставить несколько часов беззаботной езды на велосипеде, чем составляют достойную конкуренцию двигателям внутреннего сгорания, которые раньше тоже часто устанавливались на велосипеды. Обычно для данных целей используются аккумуляторы LiFePO4 на 48v, но есть возможность приобрести АКБ на 25, 36 и 60 вольт.

Применение феррофосфатных аккумуляторов

Роль АКБ на данной химии понятна и без комментариев. Под разные цели используются призматики – аккумуляторы LiFePO4 3,2 v. Ячейки большего размера используются в качестве элементов буферных систем для солнечной энергетики и ветрогенераторов. Феррофосфатные аккумуляторы активно используются в конструкции электромобилей.

Небольшие плоские аккумуляторы применяются для телефонов, ноутбуков и планшетных ПК. Цилиндрические элементы питания разных форм-факторов применяются для страйкбольного оружия, электронных сигарет, радиоуправляемых моделей и пр.

• Цена: 3$

Многие уже купили себе «мощные» фонари на аккумуляторах 18650. Обычный в таких случаях LiIon аккумулятор не работает при отрицательных температурах, а если и работает то крайне не долго, при этом существенно деградируя. Зима и морозы, потребность в вело свете и наличие нескольких фонарей на 18650 привели к поиску морозоустойчивого 18650 аккумулятора. Им оказался литий железо фосфатный (LiFePo4) аккумулятор формата 18650.UPD. 2013.03.09. Отличаются от LiIon меньшим рабочим напряжением 3.2-3.1 против 3.6В, на морозе -20Ц отдают только около 45% ёмкости. При использовании в фонариках желателен директдрайв.Осторожно много фото. Минимальная цена на момент заказа на 3 аккумулятора 18650 LiFePo4 оказалась на a123rc.com. Сразу скажу это не оригинальные a123 аккумуляторы, возможно даже отбраковка, что будет видно дальше по графикам разряда/заряда. Трека не было, доставка в общей сложности заняла 54 дня, был открыт диспут в PayPal на 45 день, с сообщением что я готов подождать ещё 20 дней, продавец (подпись Betty) перед китайскими праздниками усиленно пытался закрыть диспут, обещая вернуть деньги (9 usd), но с условием — мне закрыть первым. Закрыл только после получения заказа. Заказ пришёл в стандартном жёлтом пакете, из необычного (недавно на mysku удивлялись) были наклеены марки:Сравнение размеров: Желтые — LiFePo4 c популярными LiIon Sanyo 2600 и TrustFire 2400:

Особенностью моего экземпляра LiFePo4 в формате 18650 является отсутствие выступа на плюсе, что часто может привести к проблемам с использованием (пример ниже).Протестировал напряжение аккумуляторов «из коробки»: Видео:rutube.ru/video/embed/6133096 (вставить видео как видео у меня в не получается, исходник на рутубе, кто может помочь — напишите в личку)Тестирование работоспособности: Проверю работу аккумуляторов в имеющихся у меня фонариках на XML-T6. Аккумулятор стандартных размеров, отлично помещается в фонарике: В фонариках на XML-T6, особенность конструкции (отсутствие выступа на плюсе) работе не помешало: благодаря наличию пружины:А вот для наголовного фонаря на диоде CREE-Q3 отсутствие выступа на плюсе привело к неработоспособности. Аккумулятор банально не достаёт до положительного контакта: Без доработки не обошлось, сначала хотел разобрать батарейный отсек, открутив винтики, но винтики не раскручивались, пришлось ломать и клеить: Теперь работает:Так что же такое LiFePo4?Статья на Википедии представляет LiFePo4 этакой вундервафлей с отличными характеристиками: скорость заряда 15 мин на 7А, морозостойкость до -30С, огромные токи отдачи до 60А, долгоживущие, прочные. Более детально можно LiFe можно ознакомиться из переводной статьи на rcdesign, в которой сравнивают литий полимер и литий фосфаты.Перейдём к тестированию LiFePo4: IMAX B6 с поддержкой режима LiFe: Хороший обзор зарядного устройства IMAX B6 представлен на HabrHabr. MySku так же обозревает IMAX-ы 1, 2, 3, USB UART, мегаобзор LiIon 18650 почти IMAX-ом, мой предыдущий обзор AAA аккумуляторов на IMAX B6. Тестовый стенд: Тест первого аккумулятора — Разряд Аккумулятор «из коробки» дозаряжен, выполняем разряд током 0.5А (что примерно соответствует 0.5С), в результате получилось около 1055mAh. Наибольшее значение из 3х, правда остальные я разряжал/заряжал токами до 1А (током 1А и режимом FastCharge 1A). График разряда, полученный с помощью LogView v2.7.5, настройки взяты из пресета из статьи хабра про IMAX B6:Тот же график, настройки по умолчанию: Разработка LogView ведётся в Германии, перевод на английский частично отсутствует. Наименования величин легко определяются из их единиц измерения. Наименования величин:Spannung — Напряжение — на графике Синим,Storm — Сила тока — Красная линия,Ladung — Ёмкость — зубастая кривая Зеленого цвета, Leistung — Мощность, рассчитывается, Energie — Энергия, рассчитывается.Попробую немножко интерпретировать график.Рабочее напряжение 2.2-3.6V, среднее 3.1V (мой iMAX B6 заряжает до 3.6V разряжает до 2V).Ёмкость данного экземпляра при разряде током 0.5А получилась 1055 мА. Рабочее напряжение практически постоянное — на графике прямая. При разряде током 0.5А напряжение за 2…3 мин спадало до 3.1V, потом держится на этой отметке (3-3.1V) и не проседает около 1 часа 40 минут, и затем минут 8 медленно проседает до 2.8V, потом 14 минут практически по прямой спадает до 2.2V, а затем за оставшиеся 4 минуты IMAX разряжает до 2V и отключается. Тест первого аккумулятора — Заряд Заряд IMAX B6 методом FastCharge 1A:Остальные тесты, разрядом 1A, зарядом FastCharge 1A:Описание теста смотрите в подписи.» rel=«lbox» />ВЫВОДЫ Для себя сделал следующие выводыПлюсы: * Морозостойкий, * Быстрая зарядка 1С.Минусы: * Небольшая ёмкость (1000mAh), и соответственно время работы.Особенность: * Требует специальную зарядку (у меня есть IMAX B6, поэтому за минус не считаю). * UPD — напряжения LiFePo4 существенно ниже чем у LiIon (3.2 против 3.6). Некоторые фонари светят существенно менее ярко.В комментариях:©Closer Нужно только учесть, что напряжение у лифера ниже чем у лития. 3.2 вольта против 3.7. С таким напряжением не каждый фонарик сможет работать.©klirik: если фонарик от _одного_ элемента — то да, не сможет. Ему нужно, чтобы падение на диоде минус падение на шоттки (0,3..0,4в) было выше напряжения питания. Если на диоде 3,2в — то ожидается батарейка 3,6в. минимум. (если линейный драйвер — может сосать до 3,2, но он вообще отдельная тема; КПД невысок, ставят в самые простейшие фонари). Но! Для обычного лития его 3,6в — это гипотетическое напряжение (испольузется для рассчёта ёмкости в А.ч.). По факту там от 4,2 плавно падает до 2,8. От одного аккума выходит, мы высосем максимум половину. Поэтому этих аккумов ставят обычно пару. А в этом случае напряжение удваивается — и драйвер сможет высосать всё и из феррофосфата тоже. * UPD 2 (2013.03.09) — Нужно использовать с фонарями типа директдрайв с низкой отсечкой по минимальному напряжению (2.7В).Аккумуляторы уже используюФонарик слева светит менее ярко на LiFePo4, чем на LiIon, фонарик справа — не теряет столько яркости.Update 2013.03.09 Графики разряда при отрицательных температурах:Практические выводы: Для использовании в фонарике нужно поменять драйвер на директ, спрашивал на ixbt — посоветовал:

costalibre Mix_b, ИМХО, прелесть LiFePo4 в том, что его можно использовать в фонарях с обычным директдрайвом (в варианте 1х18650), при этом имеем хороший кпд и смиряемся с постепенным снижением яркости. Зато не паримся всякими защитами, от переразряда, от холода Если пытаться выжать весь потенциал этих аккумуляторов, нужно либо использовать какие-то специализированные схемы под LiFePo4 ( размером 17-20мм не видел), либо использовать буст-преобразователь и городить защиту аккумулятора, либо ваять свою схему.

Ссылки на директдрайвы:www.kaidomain.com/product/details.S010105 — 5 штук по 6.93$ В комментариях к товару указывается что отсечка происходит при напряжении 2.7В, что позволяет использовать почти весь заряд аккумулятора LiFePo4:www.fasttech.com/products/1612/10001535/1114500-17mm-2-mode-led-driver-circuit-board-for-flashligh — 1 шт. по 1.81$ Тоже директдрайв, но отсечка выставлена по напряжению 3В (забирается меньше энергии из аккумулятора)

LiFePO4 —  это тип литиевых аккумуляторов в которых катодом (положительным электродом) служит феррофосфат лития, а анодом (отрицательным электродом) — графит. По сравнению со свинцово-кислотными литий железо-фосфатные батареи обладают в несколько раз большей удельной емкостью и сроком службы. Благодаря чрезвычайно прочной кристаллической структуре фосфата железа, не разрушающегося при многократном приеме и возврате ионов лития эти аккумуляторы одни из самых долгоживущих в настоящее время.

Зарядка LiFePO4 аккумуляторов

LiFePO4 аккумуляторы заряжают постоянным током, постоянным напряжением либо комбинацией этих двух методов. При двухступенчатой зарядке напряжение сначала повышают постоянным током до 14,4-14,6 Вольт, а затем при постоянном напряжении происходит насыщение аккумулятора.  Один этап зарядки позволяет аккумулятору набрать примерно 90- 95% емкости, два — 100%.

Характеристики типичной литий-железо-фосфатной аккумуляторной батареи:

Характеристика	Значение
Номинальная емкость, Ач	125
Минимальная емкость, Ач	119
Электрическая энергия, кВтч	1,6
Номинальное напряжение, В	12,8
Выходное напряжение, В	12,8″ data-order=»>12,8″ > >12,8
Внутреннее сопротивление, мОм
Последовательное/параллельное соединение	Последовательно до 4 аккумуляторов. Параллельно не ограничено
Максимальное напряжение зарядки, В	14,6 ± 0,1
Поддерживающее напряжение, В	13,8± 0,2
Стандартный зарядный ток, А	60
Максимальный зарядный ток, А	80
Стандартный разрядный ток, А	80
Максимальный разрядный ток, А	100 в течении 30 минут
Габариты, мм (Д х Ш х В)	318 х 165 х 215
Вес, кг	14,7

Характеристика	Значение
Защитное напряжение при перезаряде, В/яч	3,8± 0,025
Пороговое напряжение для сброса защиты при переразряде, В/яч	3,6± 0,025
Порядок отключения защиты	Напряжение ниже порогового
Защитное напряжение при переразряде, В/яч	2,0± 0,08
Пороговое напряжение для сброса защиты при переразряде, В/яч	2,3± 0,1
Порядок отключения защиты	Зарядка выше порогового напряжения
Защита от перегрузки по току, А	350
Задержка срабатывания защиты, с	0,5-1,5
Порядок отключения защиты	Сброс нагрузки до допустимого значения
Защита от перегрева, С	65± 5
Сброс защиты при перегреве, С	50± 10

Когда заряжать LiFePO4 аккумулятор

Если LiFePO4 аккумулятор разряжен не полностью, заряжать его после каждого использования не обязательно. Сульфатации, из-за которой уменьшается емкость частично заряженного свинцово-кислотного аккумулятора, у литий-железо-фосфатных батарей не бывает. Однако если система управления отсоединяет аккумулятор от нагрузки из-за низкого напряжения, лучше зарядить его немедленно.

Температура зарядки

LiFePO4 аккумуляторы заряжают при температуре от 0 до 40 С. Некоторые, но не все, безопасно заряжать при температурах ниже 0 С. При отрицательной температуре  зарядный ток уменьшают до 0,05-0,1С (5-10% от емкости аккумулятора)

От перегрева аккумулятор защищает система управления. Но температуру может контролировать и зарядное устройство у которого есть температурный датчик. Такое зарядное снижает напряжение, если аккумулятор нагревается свыше 20 С и отключается если его температура достигает 55 С. Зарядное устройство дублирует функции BMS и создает дополнительный уровень защиты, который первым сработает в случае возникновения аварийной ситуации

Последовательное и параллельное соединение

Напряжение последовательно или параллельно соединяемых аккумуляторов должно быть одинаковым. Разница не должна превышать 50 мВ (Точные значения дает производитель аккумуляторной батареи). Одинаковое напряжение снижает вероятность появления дисбаланса во время эксплуатации. Если напряжения отличаются более чем на 50 мВ (0,05 В), то перед соединением аккумуляторы необходимо зарядить по отдельности одним и тем же зарядным устройством, а затем вновь проверить состояние спустя несколько часов.

Во время эксплуатации соединенные аккумуляторы так же можно заряжать по отдельности. Но гораздо удобнее делать это при помощи зарядного устройства с несколькими выходами. В этом случае каждый аккумулятор получит необходимый заряд, и батарея сохранит сбалансированное состояние

Контроль за состоянием аккумулятора

Вольтметр не дает точного представления о состоянии LiFePO4 аккумулятора. Для определения его заряженности лучше использовать счетчик амперчасов или батарейный монитор. Подробнее о контроле аккумуляторов

Зарядка от генератора двигателя

• Напряжение стандартного автомобильного или лодочного генератора ниже рекомендуемого напряжения зарядки LiFePO4 аккумулятора. В зависимости от настроек регулятора напряжения генератор сможет зарядить аккумулятор на 70-90%
• На многих автомобилях и на большинстве катеров выходное напряжение генератора постоянное. Это значит, что в течении всего времени работы двигателя аккумулятор будет находится под повышенным напряжением. Срок службы аккумулятора в таких условиях сократится
• На автомобилях с двигателями EURO 5/6 напряжение генератора зависит от режима движения и изменяется от 11,5 до 15,5 Вольт. При таком напряжении LiFePO4 аккумулятор заряжаться не будет, а колебания напряжения станут причиной постоянного срабатывания защиты
• Ток автомобильного или лодочного генератора может оказаться выше допустимого для аккумулятора
• Непрерывная нагрузка на генератор, вызванная разряженным аккумулятором, может привести к перегреву генератора
• Если BMS разорвет соединения между аккумулятором и генератором во время работы двигателя, скачек напряжения может повредить диоды и регулятор генератора
  

  

Подробнее о способах зарядки тягового литиевого аккумулятора

<ong>Эти устройства позволяют быстро и безопасно заряжать LiFePO4 аккумуляторы от генератора автомобильного или лодочного двигателя:

• Sterling Power BB1260Входное напряжение 11-20 Вольт
• 12->12 Вольт &nbsp&nbsp&nbspНоминальное входное и выходное напряжение 12 Вольт. Диапазон входного напряжения 11-20 Вольт
• Максимальный ток 60 А &nbsp&nbsp&nbspЕсть режим 50% мощности
• Быстрая зарядка постоянным током
• Режимы для GEL(2), AGM(2), LiFePO4, кальциевых и жидко-кислотных аккумуляторов &nbsp&nbsp&nbsp9 режимов зарядки. Возможность создать собственный зарядный профиль
• — &nbsp&nbsp&nbspКласс защиты IP21

• Sterling Power BB1230
• 12->12 Вольт
• Максимальный ток 30 А
• Быстрая зарядка постоянным током &nbsp&nbsp&nbspЧетырехступенчатый зарядный профиль. Постоянный ток, постоянное напряжение, кондиционирование и поддерживающая зарядка
• Режимы для GEL, AGM, LiFePO4 и жидко-кислотных аккумуляторов
• —

• Sterling Power BBW12120
• 12->12 Вольт &nbsp&nbsp&nbspНоминальное входное и выходное напряжение 12 Вольт. Диапазон входного напряжения 11-16 Вольт. Выходного 13-15,1
• Максимальный ток 120 А &nbsp&nbsp&nbspРегулировка мощности с шагом 10%. Необходим пульт. Приобретается дополнительно
• Быстрая зарядка постоянным током
• Режимы для GEL, AGM, LiFePO4 и жидко-кислотных аккумуляторов
• Водонепроницаемое &nbsp&nbsp&nbspКласс защиты IP68. Сменный охлаждающий вентилятор — IP55

</ong></p>Используемые источники:

• https://fb.ru/article/342942/lifepo—akkumulyatoryi-harakteristiki-osobennosti-vidyi
• https://mysku.ru/blog/others/13323.html
• https://fisherninja.ru/knowlege-base/zaryazhat-lifepo4-akkumulyatory/