Как правильно заряжать LiFePO4

Свинцовый профиль заряда литию не просто не нужен — он вреден

Большинство ошибок при заряде LiFePO4 в домашней системе растёт из одного корня: зарядное устройство настроено по привычке, как для свинцового аккумулятора. Напряжения похожи — 14,4 В против 14,6 В на двенадцативольтовой сборке, 57 В против 58 В на сорокавосьмивольтовой, — и кажется, что разница в пределах погрешности.

Разница не в цифрах, а в логике. Свинцовый профиль состоит из трёх ступеней и решает три задачи, ни одной из которых у литий-железо-фосфата нет.

1. Поддерживающий заряд. Свинцовый аккумулятор саморазряжается быстро и при этом сульфатируется, если стоит недозаряженным. Поэтому его держат под постоянным напряжением месяцами. LiFePO4 теряет 2–3 % в месяц (ориентир) и частичный заряд переносит спокойно — держать его под напряжением незачем.
2. Выравнивающий заряд. У свинца банки выравнивают контролируемым перезарядом при повышенном напряжении, с газовыделением. Для лития перезаряд — это срабатывание защиты в лучшем случае и повреждение ячейки в худшем. Выравнивающего заряда у LiFePO4 не существует как понятия.
3. Температурная компенсация. У свинца напряжение заряда зависит от температуры, и зарядные устройства поднимают его на холоде — типично 3–5 мВ на градус на каждую ячейку. У литий-железо-фосфата этой зависимости практически нет, а поднятое напряжение на холоде опасно вдвойне: как раз при низкой температуре заряжать и так нельзя.

Ключевые числа заряда LiFePO4

Профиль заряда

CC/CV, две ступениПостоянный ток до заданного напряжения, затем постоянное напряжение до падения тока. Третья ступень свинцового профиля здесь лишняя

Окончание заряда, рабочее значение

3,45–3,55 В на ячейкуЭто 55,2–56,8 В для сборки 16S. Ориентир: точное значение берётся из паспорта модуля, а при связи по CAN его задаёт BMS

Паспортный предел ячейки

3,65 В58,4 В для 16S. Граница, за которой работает защита, а не рабочая точка заряда

Ток окончания ступени CV

0,02–0,05CДля модуля 100 А·ч это 2–5 А. По этому току зарядное устройство понимает, что заряд закончен

Длительный ток заряда

0,2–0,5CОриентир для стационарных модулей: для 200 А·ч это 40–100 А. Больший ток сокращает ресурс, меньший растягивает восстановление

Температура заряда

0…+45 °CНижняя граница жёсткая. В диапазоне 0…+10 °C производители обычно требуют снижать ток — смотрите паспорт модуля

Температура разряда

−20…+55 °CОриентир. Разряжать на морозе можно, заряжать нельзя — это два разных диапазона, и в описаниях их часто смешивают

Порог начала балансировки

около 3,40 В на ячейкуОриентир. Ниже этого напряжения разброс ячеек на плоском участке кривой не виден, и балансир не работает

Напряжение хранения

3,25–3,30 В на ячейкуПримерно 40–60 % заряда, для 16S это 52,0–52,8 В

КПД заряда самой ячейки

95–98 %Ориентир. Потери зарядного тракта инвертора считаются отдельно и обычно заметно больше

Напряжения по точкам профиля: на ячейку и на сборку

Что происходит на каждой из двух ступеней

Профиль CC/CV описывается двумя строчками, но именно во второй строчке спрятана половина проблем домашних систем.

Ступень CC — постоянный ток. Зарядное устройство отдаёт максимум, на который настроено, а напряжение на батарее медленно растёт. У LiFePO4 кривая на этом участке почти плоская: от 20 до 90 % заряда напряжение под током меняется на десятые доли вольта на ячейку. Практическое следствие: уровень заряда здесь по напряжению не определяется, и проценты на экране инвертора посчитаны интегрированием тока, а не измерены.

Ступень CV — постоянное напряжение. Как только батарея дошла до уставки, зарядное устройство перестаёт поднимать напряжение и начинает уменьшать ток. Ток падает по экспоненте, и когда он опускается до 0,02–0,05C, заряд считается законченным.

Ступень CV занимает от получаса до часа и даёт последние 3–7 % ёмкости. Соблазн её обрезать понятен: времени много, толку мало. Обрезать нельзя по другой причине — балансировка происходит именно здесь, и только здесь.

Третьей ступени, поддерживающего заряда, литию не требуется. Если зарядное устройство не умеет её отключать, ставится 3,35–3,40 В на ячейку: это ниже колена характеристики, батарея останется практически полной, но ячейки не будут стоять под верхним напряжением сутками.

Почему 3,65 В на ячейку — это граница, а не цель

Кривая заряда LiFePO4 состоит из длинного плоского участка и резкого подъёма в самом конце — этот подъём называют коленом. До колена напряжение растёт медленно, после — почти вертикально.

Первое следствие. Между 3,45 и 3,65 В на ячейку лежит меньше процента ёмкости, а разница в нагрузке на материал электрода заметная. Заряжая до 3,45–3,55 В, вы теряете считанные ватт-часы и выигрываете в календарном старении. Заряжая до 3,65 В, вы получаете те же ватт-часы и постоянную работу защиты по перенапряжению на самой слабой ячейке.

Второе следствие — то, из-за чего вообще существует проблема разбаланса. На плоском участке ячейки с разной ёмкостью показывают почти одинаковое напряжение, и различить их невозможно. Как только сборка входит в колено, ячейка с меньшей ёмкостью взлетает по напряжению первой, и защита срабатывает по ней — при том, что остальные пятнадцать ещё не заряжены. Поэтому сборка с уставкой «под самый предел» доходит до полного заряда реже, чем сборка с уставкой пониже.

Ток заряда: что его ограничивает на самом деле

Ток заряда принято выражать в долях от ёмкости — в единицах C. Для модуля 200 А·ч ток 0,2C равен 40 А, ток 0,5C — 100 А. Правило простое: рабочий ток равен наименьшему из шести ограничений, а не тому, что написано на модуле.

• Ячейка и модуль. Паспортное значение длительного тока заряда — обычно 0,2–0,5C для стационарных модулей. Импульсное значение выше и к заряду от сети отношения не имеет.
• BMS. Её предел часто ниже паспорта ячеек: греются ключи, а не химия. Это отдельная строка в паспорте, и её смотрят отдельно.
• Зарядное устройство инвертора. У гибридных инверторов максимальный ток заряда настраивается, у простых — фиксирован. Это самое частое реальное ограничение.
• Свободная мощность ввода. Инвертор не может взять из сети больше, чем осталось после текущего потребления дома. Именно здесь ток заряда чаще всего и упирается в потолок.
• Кабель, предохранитель и клеммы. Сечение считается по длительному току заряда и разряда, а не по среднему. Тёплая клемма при заряде — повод проверить затяжку до того, как она станет горячей.
• Температура модуля. Ниже +10 °C ток обычно снижают, ниже 0 °C заряд запрещают полностью. Это ограничение включается само, без участия человека.

За сколько система восстановится между отключениями

Балансировка работает только на верхушке

Ячейки в сборке никогда не бывают одинаковыми. Разница в ёмкости в один-два процента — норма даже для подобранной партии, и со временем она растёт. Задача балансира — выравнивать не заряд, а именно момент окончания заряда: чтобы все ячейки приходили к верхней точке вместе.

Пассивный балансир, который стоит в большинстве BMS, работает единственным способом: он подключает резистор к самой заряженной ячейке и сжигает лишнее в тепло. Ток такого балансира — 30–100 мА (ориентир, значение есть в паспорте BMS). Включается он только выше порога, обычно около 3,40 В на ячейку, и только когда разброс превысил заданную величину.

Из этих двух чисел следует вся практика. Допустим, две ячейки разошлись на 5 А·ч. При токе балансира 50 мА на выравнивание нужно 5 / 0,05 = 100 часов чистой работы балансира. Если сборка доходит до верхушки один раз в неделю и стоит там полчаса, балансир набирает эти сто часов за четыре года. Фактически — никогда.

Отсюда два рабочих правила. Первое: балансир не чинит разбаланс, он его удерживает, — поэтому ячейки выравнивают один раз при сборке, вручную и до одного уровня напряжения. Второе: систему нужно регулярно доводить до полного заряда с выдержкой на ступени CV, иначе балансир не включается вовсе.

Активные балансиры переносят заряд из ячейки в ячейку токами в единицы ампер, то есть на два порядка быстрее, но стоят дороже и в готовых модулях встречаются реже. Если сборка набрана из ячеек разных партий, разговор об активной балансировке имеет смысл — до сборки, а не после.

Заряд на морозе: что именно происходит с ячейкой

Запрет на заряд при отрицательной температуре — не перестраховка производителя. Механизм конкретный и необратимый.

При заряде ионы лития переходят из катода в анод и внедряются в структуру графита. Скорость этого внедрения падает с температурой. Когда ионы приходят к аноду быстрее, чем успевают внедриться, они восстанавливаются на его поверхности металлическим литием. Этот металл обратно в работу не возвращается: ёмкость теряется навсегда, а осадок со временем растёт иглами, которые в пределе прокалывают сепаратор и замыкают ячейку изнутри.

При разряде процесс идёт в обратную сторону, и осаждаться нечему. Поэтому диапазоны и разные: разряд разрешён примерно до −20 °C, заряд — только от нуля. В диапазоне 0…+10 °C заряд разрешён, но производители обычно требуют снижать ток, иногда до 0,05C. Конкретные пороги — в паспорте модуля, и это одна из немногих строк, которую действительно нужно прочитать.

Исправная BMS блокирует заряд сама: измеряет температуру ячеек и размыкает зарядный ключ. Это правильное поведение, но оно порождает отказ, который заказчик читает как поломку.

Как это выглядит в реальной зимней системе

1. Ночью отключают свет, батарея отрабатывает отключение и разряжается наполовину.
2. Свет дают. Инвертор пытается заряжать, BMS блокирует заряд по низкой температуре в помещении.
3. Инвертор либо показывает ошибку, либо молча продолжает питать дом от сети — и в логах ничего тревожного нет.
4. Следующее отключение застаёт батарею наполовину пустой. Автономия оказывается вдвое меньше расчётной.
5. К концу зимы система стоит разряженной, и это уже вопрос не автономии, а сохранности ячеек.

Что выставить в зарядном устройстве для сборки 16S

1. Тип батареи — литий или пользовательский профиль

   Профили AGM, Gel и Flooded не подходят целиком: в каждом включены поддерживающий заряд, температурная компенсация и выравнивание. Литиевого профиля нет — берётся пользовательский и заполняется вручную.

2. Напряжение окончания заряда — 55,2–56,8 В

   Это 3,45–3,55 В на ячейку. Меньшее значение из диапазона берут, если система постоянно стоит заряженной; большее — если важна каждая доступная ампер-часовая единица и балансировка нужна регулярно.

3. Время удержания на ступени CV — 15–30 минут

   Либо, если зарядное умеет, окончание по току меньше 0,05C. Слишком короткая выдержка означает, что балансир не успевает включиться ни разу.

4. Поддерживающее напряжение — отключить или 54,0 В

   Полностью отключить лучше. Если параметр обязателен, 54,0 В (3,375 В на ячейку) держит батарею практически полной, но не под верхним напряжением.

5. Температурная компенсация — 0 мВ на градус

   Обязательный пункт. Оставленная от свинцового профиля компенсация зимой поднимает уставку на вольт и больше — расчёт приведён выше.

6. Выравнивающий заряд — выключить

   Проверить нужно и то, что он не включится по расписанию. У части зарядных устройств выравнивание запускается раз в N дней автоматически, и галочка «выключено» стоит в другом меню.

7. Максимальный ток заряда — по наименьшему из шести пределов

   Модуль, BMS, зарядное устройство, свободная мощность ввода, кабель, температура. Ставится наименьшее значение, а не паспортное значение модуля.

8. Порог повторного включения заряда — 51,2–52,8 В

   Слишком высокий порог заставляет систему включать заряд по десять раз в сутки на несколько минут. Каждый такой цикл ничего не даёт, но считается циклом.

9. Нижняя отсечка — 46,4–48,0 В, возврат нагрузки выше

   Отсечка в инверторе должна срабатывать раньше аварийной отсечки BMS. Если инвертор тянет батарею до защиты BMS, дом гаснет внезапно и без предупреждения, а разрыв под током даёт бросок напряжения на входе инвертора.

10. Связь BMS с инвертором — включить, если она есть

    По CAN или RS485 BMS сама сообщает разрешённые напряжение и ток и снимает разрешение при низкой температуре. Ручные уставки при этом не отменяются: они остаются страховкой на случай обрыва связи и выставляются так, будто связи нет.

Частые ошибки настройки и как они проявляются

Заряд от генератора и от солнечных модулей

От сети всё описанное выше работает как есть. Два других источника добавляют по одной особенности каждый.

Генератор. Здесь литий ведёт себя лучше свинца: на ступени CC он берёт постоянный ток от начала и до колена, то есть даёт генератору ровную нагрузку, тогда как свинцовая батарея сбрасывает ток почти сразу и заставляет мотор половину времени работать на четверть мощности. Практическое правило: зарядное устройство настраивается так, чтобы вместе с нагрузкой дома занимать 60–80 % мощности генератора. Отдельная проверка — совместимость: часть инверторов не синхронизируется с генератором, у которого плавает частота, и выясняется это до покупки, а не в первую зимнюю ночь.

Солнечные модули. Контроллер заряда работает по тому же профилю, но власти над погодой у него нет. В короткий зимний день заряд обрывается закатом на 80–90 %, и до верхней точки система может не доходить неделями: батарея жива и работает, а балансир за всю зиму не включается ни разу. Лечится принудительным добором от сети или генератора раз в несколько недель.

Хранение и режим ожидания — две разные задачи

Про литий пишут: хранить при 40–60 % заряда. Для резервной системы это звучит абсурдно — она по определению обязана стоять заряженной. Противоречия здесь нет, просто это два разных режима.

Хранение — это когда батарея не используется месяцами: модуль на складе, дом закрыт на зиму, система снята на время ремонта. Здесь действительно нужно 40–60 % заряда, то есть 3,25–3,30 В на ячейку, температура +5…+25 °C и отключённая нагрузка. Календарное старение ускоряют две вещи сразу — высокий уровень заряда и высокая температура, — и полный модуль в тёплом помещении стареет заметно быстрее наполовину заряженного в прохладном.

Режим ожидания — нормальное состояние резервной системы: она полна и ждёт отключения. Компромисс между готовностью и старением ищется не в уровне заряда, а в напряжении, при котором система стоит. Уставка 3,45 В на ячейку вместо 3,65 и отключённый поддерживающий заряд дают практически ту же доступную энергию при заметно меньшей нагрузке на ячейки. Если инвертор умеет держать целевой уровень заряда, разумная настройка — 90–95 % в ожидании и полный заряд раз в две-четыре недели ради балансировки.

Отдельная строка расхода при хранении — собственное потребление BMS, единицы или десятки миллиампер (ориентир, точная цифра в паспорте). При 20 мА за месяц набегает около 14 А·ч: модуль 100 А·ч, оставленный подключённым при 50 % заряда, за три-четыре месяца дойдёт до нижней отсечки сам, без всякой нагрузки. Поэтому при длительном хранении силовые клеммы отсоединяют, а модуль проверяют раз в три-шесть месяцев.

Что делать после глубокого разряда

Ситуация типовая: долгое отключение, инвертор выбрал батарею до аварийной отсечки, BMS разомкнула силовой ключ. Снаружи это выглядит как отказ — инвертор батареи не видит, напряжения на клеммах нет.

Первое, что важно понять: чем дольше сборка стоит в отсечке, тем хуже. Ниже примерно 2,0 В на ячейку начинается растворение медного токосъёмника анода, и процесс этот необратим — медь потом осаждается в неожиданных местах и в пределе даёт внутреннее замыкание. Разряженная сборка продолжает медленно опускаться за счёт собственного потребления BMS, поэтому счёт идёт на дни, а не на месяцы.

Восстанавливают малым током и с проверкой ячеек. Многие BMS выходят из отсечки сами, как только на клеммах появляется зарядное напряжение; часть требует ручного сброса. Ток на этом этапе задаётся 0,02–0,05C, пока ячейки не поднимутся выше 2,8–3,0 В, и только потом включается штатный профиль.

Честная оговорка: часть ёмкости после глубокого разряда может не вернуться, и проверяется это только контрольным циклом с замером отданной энергии. Если после восстановления сборка отдаёт заметно меньше прежнего, это не настройка, а последствие.

Когда правильный заряд задачу не решает

Есть ситуации, в которых настройками ничего не спасти, и честнее сказать это до расчёта, а не после монтажа.

• Батарею физически негде поставить в тепле. Неотапливаемый гараж, уличный шкаф, чердак, подпол с промерзанием. Модуль с подогревом помогает поднять температуру на 10–15 градусов, а не отопить помещение: при устойчивых −20 °C за стеной он проигрывает теплопотерям. Здесь нужно либо утеплять и отапливать нишу, либо выбирать другое решение.
• Ввод в дом слишком слаб для окна между отключениями. Если ввод 3,3 кВт, дом в рабочем режиме берёт 2,5 кВт, а свет отключают каждый вечер на четыре часа — на заряд остаётся 0,8 кВт, и добор восьми киловатт-часов займёт одиннадцать часов. Система будет всё время недозаряжена, и увеличение батареи ситуацию только ухудшит.
• Отключения длятся дольше суток. Это ограничение не заряда, а запаса энергии: батарея на двое суток стоит несопоставимо дорого при любом профиле заряда. Здесь нужен генератор или связка генератора с батареей, и мы говорим об этом прямо.
• Заряжать между отключениями нечем в принципе. Если сеть в посёлке пропадает на дни, а не на часы, аккумуляторная система превращается в разовый запас. Правильный ответ — источник генерации, а не большая батарея.
• Нужен режим «зарядил и увёз на год». Собственное потребление BMS никуда не девается: за год подключённый модуль уйдёт в защиту. Это задача хранения, а не резервного питания, и решается она отключением клемм и календарём, а не покупкой ёмкости.

Шесть заблуждений про заряд лития

Эти фразы мы слышим на объектах чаще всего, и каждая из них стоит владельцу либо ёмкости, либо ресурса.

• «Литий надо иногда разряжать в ноль, чтобы не было эффекта памяти». Эффекта памяти у LiFePO4 нет, это свойство никель-кадмиевых аккумуляторов. Полный разряд не калибрует ничего, кроме счётчика заряда в BMS, а нижние проценты разряда изнашивают ячейку сильнее всего.
• «Чем выше напряжение заряда, тем больше энергии получим». Выше колена характеристики добавляется меньше процента ёмкости, а платой становятся постоянная работа защиты по перенапряжению и ускоренное старение. Разница между 3,45 и 3,65 В на ячейку измеряется в ватт-часах, а не в киловатт-часах.
• «Зарядное от свинцовой батареи подойдёт, напряжения почти те же». Не подойдут три механизма сразу: поддерживающий заряд держит ячейки на верхушке сутками, температурная компенсация поднимает напряжение на холоде, выравнивающий заряд бьёт импульсами выше предела. Совпадение цифр на дисплее о профиле не говорит ничего.
• «BMS всё отрегулирует, настройки зарядного не так важны». BMS — аварийная защита, а не регулятор. Каждое её срабатывание означает обрыв заряда, а разрыв силовой цепи под током даёт бросок напряжения на входе инвертора. Защита, работающая каждый цикл, — признак неправильно настроенной системы, а не удачной BMS.
• «Батарея зимой перестала заряжаться — значит, сломалась». Почти всегда это блокировка заряда по низкой температуре, то есть исправная работа защиты. Проверяется за минуту: температура ячеек видна в BMS, и при отрицательном значении вопрос закрыт.
• «Балансир выровняет любой разброс, для этого он и стоит». Пассивный балансир работает током 30–100 мА и только выше порога около 3,40 В на ячейку. На расхождение в 5 А·ч ему нужно порядка ста часов чистой работы. Он удерживает выровненную сборку, но не выравнивает разъехавшуюся.

Что делать дальше

Порядок короткий, и первые три шага не требуют никаких приборов.

1. Открыть паспорт батарейного модуля и выписать пять чисел: напряжение окончания заряда, максимальный длительный ток заряда, температурный диапазон заряда, температурный диапазон разряда, ток окончания заряда.
2. Сверить с ними то, что стоит в меню инвертора. Отдельно проверить три пункта, которые чаще всего остаются от свинцового профиля: температурная компенсация, поддерживающий заряд, выравнивание.
3. Посмотреть, где батарея стоит зимой, и честно ответить, опускается ли там температура ниже нуля.
4. Посчитать свободную мощность ввода в рабочем режиме дома и прикинуть по таблице выше, за сколько система восстановится после длинного отключения.
5. Раз в две-четыре недели доводить систему до полного заряда с выдержкой на ступени CV и смотреть разброс напряжений ячеек в конце. Разброс больше 0,05 В — повод разобраться сейчас, а не через год.