Ładowanie akumulatorów LiFePO4 (cz.6/7)

Panele słoneczne na Crystal

Ten artykuł jest częścią serii siedmiu artykułów o zastosowaniu i montażu akumulatorów litowych na jachcie. Spis treści linków do poszczególnych części znajdziesz TUTAJ lub na dole tego wpisu.

Wbrew temu co próbują nam wcisnąć niektórzy producenci/sprzedawcy akumulatorów LFP, NIE nadają się one do ładowania ładowarkami/regulatorami z algorytmami dla akumulatorów kwasowych.

Tę nieprawdę intensywnie propagują producenci gotowych akumulatorów typu drop-in, oraz producenci ładowarek starego typu. Po prostu chcą zachęcić potencjalnych kupców i przekonać ich, że wystarczy wsadzić nowe akumulatorki w miejsce kwasowych i wszystko będzie działać super. Nie będzie.

Maksymalne i minimalne napięcia systemu LiFePO4

Przyjrzyjmy się kilku parametrom kluczowym przy ładowaniu.

Minimum capacity:200Ah
End-of-Discharge Voltage: 2.5V
Charge Voltage:3.65V
Cycle life (80%DOD): 4000 cycles

Podane powyżej skrajne parametry ładowania (3.65V) i rozładowania (2.5V) są to maksymalne bezpieczne wartości napięcia.

Jeśli naładujemy ogniwo do napięcia 3.65V, a następnie rozładujemy do 2.5V to powinniśmy uzyskać podawaną przez producenta pojemność. W tym wypadku 200Ah. Jednak ten sam producent podaje, że ogniwo wytrzymuje 4000 cykli przy głębokości rozładowania 80%. Innymi słowy producent pisze, że ogniwo ma 4000 cykli jeśli nie będziemy się zbliżać za bardzo do tych skrajnych wartości.

Jeśli pomnożymy 3.65V*4 ogniw = 14.6V
Czyli 14.6V jest absolutnym limitem. I to przy założeniu, że wszystkie ogniwa dobiją do samej góry jednocześnie… Jest to limit o tyle bezpieczny, że nic nam się nie zapali, czy nie wybuchnie, ale ładując regularnie do limitu skracamy żywotność naszych ogniw.

Zobaczmy co zaleca firma Victron dla swoich akumulatorów

Firma Victron podaje widełki napięcia ładowania 14.0-14.4V, przy czym zalecane jest 14.2V.

Rod Collins z MarineHowTo ładuje swoje ogniwa napięciem 13.8V i twierdzi, że dobija do 100% naładowania.
Eric Bretscher z Nordkyn Design uważa, że ogniwa powinny być ładowane przynajmniej do napięcia 3.5V (14.0V dla systemu 12V).

Pamiętajmy, że aby zwiększyć żywotność ogniw, to nie chcemy ich ładować aż do granic wytrzymałości. Akumulatorom Litowym nic się nie stanie jeśli je naładujemy do 90%.

Dlatego ja na razie kończę ładowanie przy napięciu 13.85V i prądzie 1/10C. Pewnie musi minąć parę miesięcy użytkowania, żebym miał jakieś swoje przemyślenia na ten temat.

Przerwanie ładowania akumulatorów litowych

Napięcia ładowania akumulatorów LFP są dość zbliżone (choć niższe) do kwasowych i na pierwszy rzut oka można by faktycznie odnieść wrażenie, że skoro napięcia są tak bliskie to ładowarka kwasówek będzie ok.

Jednak to co najbardziej różni te dwa profile ładowania to kiedy ładowanie zostanie przerwane. Na rynku ładowarek królują obecnie “sprytne” trzystopniowe ładowarki. Fazy ładowania nazywają się zwykle “bulk”, “absorption” i “float”.

Fazy ładowania akumulatora kwasowego
Ładowanie akumulatora kwasowego firmy Lifeline.

Powyżej mamy fazy ładowania akumulatora AGM firmy Lifeline.

  1. Podczas fazy “bulk” ładowarka ładuje pełną parą. Napięcie na akumulatorze powoli rośnie aż do ustalonego napięcia. W tym wypadku 14.4V.
  2. Następnie ładowarka przechodzi do fazy “absorption”. Ładowarka utrzymuje stałe napięcie 14.4V a prąd ładowania powoli spada. Kiedy spadnie do poziomu 0.5%C, akumulator jest uważany za w pełni naładowany.
  3. Ładowarka przechodzi do fazy float i napięcie spada do 13.4V.

Degradacja ogniw przez przeładowanie

Zwróć uwagę ile trwa faza “absorption”. To 4.5 godziny. Standardowa ładowarka, regulator do solarów czy alternatora (jedynym wyjątkiem jest tu Wakespeed) nie wie, jaki jest prąd ładowania. Widzą tylko napięcie i działają trochę na ślepo.

Dlatego to ile trwa faza “absorption” jest odgórnie zdefiniowane i trwa zwykle 3-6 godzin. Nawet jeśli akumulator AGM jest prawie naładowany w momencie rozpoczęcia ładowania, to tak długa faza absorpcji nic mu nie zrobi. W przypadku LFP następuje powolna degradacja ogniw. Nic się oczywiście nie zapali, ale za każdym takim przetrzymaniem nasze ogniwo się niepotrzebnie zużywa.

Poprawne ładowanie

Poprawne ładowanie LiFePO4
Poprawne ładowanie LiFePO4. Źródło: enerdrive.com.au

Powyżej mamy poprawny przebieg ładowania LFP. Kiedy akumulator dochodzi do zadanego napięcia, ładowanie jest przerwane . Nie ma fazy absorpcji (lub jest bardzo krótka) i napięcie spada od razu do ok 13.4-13.5V.

Ile powinna trwać faza absorpcji?

To ile powinna trwać w takim razie absorbcja? Poniżej cytat z manuala firmy Victron:

Absorption time: 2 hrs for a 100% charge or a few minutes for a 98% charge. Tłumacząc: Czas absorpcji: 2 godziny dla 100% naładowania lub kilka minut dla 98% naładowania.

Jak widzimy wystarczy kilka, dosłownie kilka minut, by dobić do 98%. Trzymając komórki dużo dłużej powoduje, że zyskujemy 2% pojemności, ale skracamy ich żywotność.

Nie ma jednej uniwersalnej recepty na te wszystkie ustawienia, bo to zależy od tego, jakim prądem ładujemy akumulator litowy. Jeśli jest to duży prąd rzędu 0.5C, to absorpcja będzie trwała trochę dłużej. Jeśli prąd ładowania jest bardzo mały (ładujemy solarem) to w zupełności wystarczy minuta absorpcji.

Nasz czas absorbcji jest de facto momentem, kiedy przerywamy ładowanie. Jeśli trwa za długo, to zbyt długo trzymamy ogniwa na niezdrowym poziomie napięcia nie zyskując nic, ponieważ nie absorbują one już energii.

W zależności od systemu najlepiej go określić eksperymentalnie. Tak, żeby regulator przerywał ładowanie przy prądzie C/30-C/20. Im mniejszy prąd to będzie, tym bardziej zbliżamy się do 100% naładowania.

Jaka ładowarka do akumulaotrów LFP?

Odpowiedź jest prosta. Musi to być ładowarka programowalna. Nie taka, gdzie ustawiamy pokrętłem profil ładowania. Taka, z którą możemy się połączyć aplikacją lub komputerem z odpowiednim oprogramowaniem i samemu ustawić każdy parametr.

Z mojego rozeznania wynika, że większość ładowarek, która chwali się profilem LiFePO4, najzwyczajniej się do tego nie nadaje, ponieważ stosują algorytm odpowiedni dla akumulatorów kwasowych przy lekko (jeśli w ogóle) obniżonym napięciu.

Do solarów zdecydowanie polecam regulatory MPPT firmy Victron Energy. Mamy takie 2 na Crystal. Można się z nimi połączyć smartfonem za pomocą Bluetooth i w aplikacji ustawić wszystkie parametry.

Jako regulator do alternatora bez dwóch zdań najlepszy będzie Wakespeed, ponieważ jest jedynym regulatorem kontrolującym również prąd płynący do akumulatora. Na drugim miejscu będzie Balmar z serii MC. Nie kontroluje on prądu, ale przy odpowiednim ustawieniu programowalnych parametrów można uzyskać to, co się chce.

Jako ładowarkę brzegową wybrałbym Victrona MultiPlus. Tak jak w przypadku regulatorów solarnych, można w nim wszystko zaprogramować.

My mamy na Crystal ładowarkę firmy Sterling Niby ma ona program LiFePO4, jednak nic nie wiadomo na temat czasu absorpcji i jak działa algorytm. Dlatego podejrzewam, że się ona nie nadaje. Ale że jesteśmy podłączeni do prądu na brzegu może z pięć razy do roku, to nie ma to znaczenia. Jak algorytm nie będzie się nadawał, to po prostu będą odłączał ładowarkę po dobiciu do 80% naładowania.

Seria artykułów o akumulatorach litowych na jachcie

Trochę sporo mi tego wyszło. Dlatego podzieliłem cały artykuł na siedem mniejszych części. Linki do nich poniżej:

  1. Akumulatory litowe na jachcie – wprowadzenie
  2. Dlaczego akurat akumulatory litowe na jachcie?
  3. Gotowe akumulatory litowe na jachcie – przegląd
  4. Możliwe topologie systemu LFP na jachcie
  5. Samodzielny projekt akumulatorów litowych na jachcie
  6. Ładowanie akumulatorów LiFePO4
  7. LiFePO4 na jachcie Crystal – co mamy?