Samodzielny projekt akumulatorów litowych na jachcie (cz. 5/7)

Akumulatory LFP 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.

No i wreszcie dochodzimy do samodzielnego projektu. Osobiście uważam, że jest to najlepsze rozwiązanie na jachcie. Budując własny system, jesteśmy elastyczni i możemy go zaprojektować tak, żeby mieć nad wszystkim kontrolę w stopniu nas satysfakcjonującym.

Jaka pojemność?

Na początek musimy zdecydować ile Ah chcemy mieć. Tak jak pisałem w części 2., czyli Dlaczego akumulator litowy na jachcie, pojemność akumulatora LiFePO4 użytecznie odpowiada dwa razy takiej pojemności dla akumulatorów kwasowych. Jednak ważą i zajmują one tak mało miejsca, przy odpowiednio mniejszej wadze, że można się pokusić żeby pójść krok dalej i zrobić system trochę pojemniejszy.

Ja np. na Crystal miałem 800Ah akumulatorów AGM. I choćbym nie wiem, jak bardzo się gimnastykował, to więcej mieć nie mogłem. Po prostu mechanicznie nie mam miejsca na więcej. Odpowiednikiem tych 800Ah AGM byłoby 400Ah LFP.

Ostatecznie jednak zdecydowałem się na 600Ah.  Przy naszej konsumpcji w przypadku braku wiatru i słońca starczy to na ok. trzy doby bez włączania silnika. Im więcej słońca, tym bardziej czas się wydłuża.

W tropikach, gdzie słońce jest agresywne, nie musimy włączać silnika wcale. Więcej informacji na temat ładowania znajdziesz w części 6. Ładowanie Akumulatorów.

Jakie ogniwa i skąd je brać?

Ze względu na prostotę budowy systemu będą to oczywiście ogniwa pryzmatyczne. Na rynku najwięcej jest ogniw Winston, Calb, SinoPoly oraz aluminiowych Eve.

Marka Winston jest na rynku najdłużej i ma największą jakość. Ale ma też zdecydowanie najwyższą cenę. Eve są na rynku najkrócej i mają najniższą ceną. Producenci twierdza, że ich żywotność wyności 3000-5000 cykli, czyli podobnie jak Winstony. Jak jest naprawdę czas pokaże.

Przy porównywaniu różnych ogniw ważnym parametrem jest gęstość energii, czyli ile Wh mieści się w jednym kilogramie. Oczywiście im większa gęstość energii tym mniej będzie ważył nasz system.

Poniżej tabelka porównująca wybrane parametry i ceny różnych ogniw. Nazwy sklepów są linkami. Kliknij, żeby iść do sklepu.

 gęstość energiiCena WhGdzie kupić?Czes realizacjiKoszt dostawy 4 ogniw
Winston81 Wh/kg0.4$ + VATGWL2-3 dni60$
Calb106/kg0.12$Alibaba60-90 dni175$
SinoPoly106 Wh/kg0.2 $Alibaba60-90 dni178$
Eve160 Wh/kg0.26$
0.08$
Aliexpress
Alibaba
7 dni
60-90 dni
0 $
0 $
Porównanie wybranych parametrów różnych ogniw LiFePO4

Jak liczyłem ceny tych Wh?

Np. ogniwo Winston ma nominalne napięcie 3.2V i pojemność 200Ah. Czyli ma pojemność 3.2V*200Ah = 640Wh. Koszt ogniwa to 250 $, więc koszt jednej Wh to 250/640 = 0.4$/Wh.

Czas dostawy w tabelce jest dłuższy niż podają sprzedawcy na stronach. To są realne czasy po jakim ludzie dostają te ogniwa. Oczywiście zdarza się szybciej.

Jak widzicie z powyższej tabelki, Winstony są zdecydowanie najdroższe. Mają też najmniejszą gęstość energii, czyli porównywalny system Eve będzie aż dwa razy lżejszy niż Winston. Z drugiej strony Winstony mają najwyższą jakość i są sprzedawane przez europejski sklep.

Wiarygodność parametrów akumulatorów

Kolejna rzecz to prawdziwość parametrów podawanych przez producenta. Zgodnie z prawem Peukerta, pojemność akumulatora spada wraz ze wzrostem prądu rozładowania.

Pojemności Winstonów są prawdziwe dla prądów rozładowania rzędu 1C (200 amperów dla akumulatora o pojemności 200Ah). Dla akumulatorów LFP zależność ta nie jest tak ogromna jak dla akumulatorów kwasowych, ale jest. Otóż okazuje się, że rozładowywując Winstony małym prądem rzędu 0.02C (takie prądy przeważają na jachtach) to mają one o 25-30% więcej pojemności niż podaje producent!

Po przetestowaniu naszych Eve na Crystal wyszło mi, że mamy maksymalnie 590Ah (z nominalnych 600 Ah). Rozładowywałem je relatywnie małym (średnio 10 amperów) prądem, więc powinno wyjść więcej. Czyli jednak w przypadku Winston, ta gęstość energii wychodzi trochę lepiej, niż podaje producent.

Na Alibabie, czy Aliexpress trzeba też dokładnie czytać opisy produktów, ponieważ często pojawiają się tam ogniwa używane. Należy więc się dziesięć razy zastanowić, jeśli deal jest zbyt dobry.

Jakie akumulatory litowe na jacht wybrać?

Jest wiele czynników decydujących o tym jakiego wyboru dokonamy.

Ja zdecydowałem się na ogniwa Eve podczas naszego pobytu w Stanach. Wybrałem droższą opcję na Aliexpress, ponieważ nasz czas postoju w San Francisco był ograniczony. Sprzedawca ma magazyny w Stanach, Polsce i Rosji i dlatego czas dostawy wynosi kilka dni.

Gdybyśmy byli w Stanach w jednym miejscu dłużej, to na pewno zdecydowałbym się na zakup ogniw Eve z Chin. Trzy razy niższa cena moim zdaniem w pełni rekompensuje dłuższy czas oczekiwania. Ta cena jest tak niska, że spokojnie można kupić dwa ogniwa więcej i mieć w razie gdyby któreś okazało się wadliwe.

Z tego co czytałem, to w takich wypadkach nawet na Alibabie sprzedawcy raczej starają się rozwiązać problem i przysyłają nowe ogniwa. Pewnie trzeba do tego doliczyć jakieś cło, jednak na forach dyskusyjnych nikt się na to nie skarży.

No dobra. To mamy już zdecydowane, jakie ogniwa kupimy. Jednak na początku trzeba by się zastanowić, jak będzie wyglądał nasz litowy system.

Nawet jeśli zdecydujecie się na zakup gotowych akumulatorów drop-in ze wbudowanym BMSem, to nie wystarczy ich po prostu wsadzić w miejsce starych kwasowych. Trzeba rozważyć sytuacje krytyczne, kiedy BMS odłączy akumulatory. Te sytuacje krytyczne są największym wyzwaniem w projektowaniu systemy LFP.

Jaki BMS wybrać?

Oczywiście rozważania te dotyczą tylko tych, którzy zdecydowali się na samodzielną budowę systemu LiFePO4 z pojedynczych ogniw.

Decyzja o tym, jaki BMS wybrać powinna w nas dojrzewać jednocześnie z rozważaniami nad topologią naszego systemu.

BMS na diodach FET czy sterujący stycznikami?

BMS na diodach FET

Na to pytanie trzeba sobie odpowiedzieć na samym początku. BMSy oparte na FETach są tanie, ale nie nadają się w przypadku prądów ładowania/rozładowania większych niż 100 amperów. A i do tej wartości podszedłbym z dużą dawką sceptycyzmu.

Tani BMS
Tani BMS. Tymi kabelkami (6-8 mm2) wg. producenta ma płynąć prąd 120A. Źródło: Alibaba

Powyżej pierwszy lepszy BMS z Alibaby za 105$. Te kable to jest maksymalnie 6mm2. Według producenta/sprzedawcy ma nimi płynąć prąd do 120 amperów! Może będzie to OK dla takiego prądu przez minutę. Potem wszystko się przegrzeje. Można też znaleźć modele z wiatraczkiem, które (zdniem producenta) są ok dla prądów do 250A. Osobiście uważam, że akurat na tym nie należy oszczędzać. Osobiście tego doświadczyłem. Szczegóły kawałek niżej.

BMS sterujący stycznikiem

Drugi typ BMSów to takie, przez które żaden prąd nie płynie. BMS jest jedynie mózgiem, który steruje otwieraniem i zamykaniem styczników lub przełączaniem przekaźników.

Przekaźnik i stycznik 500A
Przekaźnik i stycznik. Oba zaprojektowane dla ciągłego prądu do 500A. Źródło: Amazon.

Te BMSy też można oczywiście podzielić na tańsze i droższe. Te lepsze, oprócz programowalnych sygnałów dla styczników, komunikują się z innymi urządzeniami po magistrali CAN. Ponieważ u mnie ładowarki w CANie nie gadają, to stwierdziłem, że wystarczy mi zwykły tani BMS, który po prostu steruje stycznikiem. Zdecydowałem się na Choice BMS.

BMS BMSowi nierówny…

Na pierwszy rzut oka ten BMS wyglądał dobrze. Prąd mierzył przez bocznik, miał kolorowy wyświetlacz. Można było zaprogramować całkiem sporo parametrów, w tym oczywiście, przy jakim napięciu odcina od góry i od dołu. To wszystko było dla mnie jak najbardziej wystarczające.

Niestety po zamontowaniu okazało się, że odczyty napięć na poszczególnych ogniwach strasznie “pływają”. Te różnice potrafiły wynosić czasami ponad 100mV w ciągu paru sekund. Oczywiście prawdziwe napięcie było stabilne. Podczas ładowania akumulatora na silniku BMS ze dwa razy odłączył akumulator, bo stwierdził, że różnica napięć pomiędzy ogniwami jest zbyt duża. Pokazało to, że zupełnie nie mogę polegać na tym sprzęcie.

Zwróciłem go do sklepu i kupiłem słoweński REC BMS. Kosztował 150$ więcej (370$), ale przynajmniej działa jak należy, a napięcia na ogniwach przestały pływać. W przypadku REC dedykowany wyświetlacz, czy komunikacja Bluetooth sporo kosztują i z tego zrezygnowałem. Żeby sprawdzić, co tam słychać u moich ogniw muszę połączyć się komputerem za pomocą kabelka.

Tu uwaga! Producent za program i kabelek chce dodatkowo 109$! Ten kabelek to zwyczajna przejściówka z RS485 na usb. Kupiłem taką na Amazon za 15$. Jak poprosicie o program, to producent wyśle za darmo…

REC software
Software do BMS firmy REC. Można ustawić bardzo dużo parametrów. Źródło: rec-bms.com

Tych różnych BMSów jest na rynku całkiem sporo. Inny popularny BMS to ORION i 123Smart BMS.

Moja konkluzja jest taka, że BMS jest mózgiem całego systemu i jeśli chcemy, aby wszystko działało nam długo to nie powinniśmy w tej kwestii oszczędzać.

Balansowanie ogniw

Zanim połączymy pojedyncze ogniwa szeregowo tworząc akumulator 12 lub 24V należy je zbalansować. Jest to absolutnie konieczne, aby system działał poprawnie.

Poszczególne ogniwa różnią się zawsze minimalnie pojemnością oraz stanem naładowania. Jeśli połączymy szeregowo niezbalansowane ogniwa i zaczniemy je ładować, to wtedy to najbardziej naładowane ogniwo pierwsze dobije do poziomu 3.6V-3.65V i spowoduje przerwanie ładowania. Pozostałe ogniwa pozostaną natomiast niedoładowane. A chodzi o to, żeby wszystkie ogniwa dochodziły jednocześnie do 100% naładowania (balansowanie od góry) lub 100% rozładowania (balansowanie od dołu).

System nie może być jednocześnie zbalansowany od góry i od dołu. Musimy się zdecydować, co jest dla nas bardziej praktyczne. Dla jachtu lub campera będzie to balansowanie od góry. Dla hulajnogi elektrycznej od dołu.

Czy nowe ogniwa z fabryki są w tym samym stadium naładowania?

Ja wyszedłem z takiego założenia, bo tak po prostu było mi wygodniej. I tylko straciłem przez to czas, bo przy pierwszym ładowaniu do pełna jedno ogniwo na finiszu odleciało w kosmos i BMS odłączył akumulator. No i oczywiście na koniec musiałem i tak zrobić balansowanie.

Poniżej wykres napięcia poszczególnych ogniw i napięcia całego akumulatora (kolor czarny). Tak wyglądało pierwsze ładowanie na Crystal. REC BMS pozwala na zapisywanie wyników do pliku.

LiFePO4 na jachcie.
Wykres 1. Ładowanie akumulatora LiFePO4. Ogniwa niezbalansowane.

Zwróćcie uwagę, że do napięcia 3.45V wszystkie ogniwa idą łeb w łeb. Dopiero po przekroczeniu tej wartości napięcie ogniw 1 i 3 zaczyna rosnąć szybciej, a od napięcia 3.5V ogniwo 3 odlatuje samotnie.

Oznacza to, że kiedy zaczynaliśmy ładowanie było ono bardziej naładowane niż reszta. Te różnice stają się widoczne dopiero, jak dobijamy w okolice 100% naładowania. Po zrobieniu balansowania ten problem zniknął. Wszystkie ogniwa dobijają do 100% jednocześnie.

Podwójny uskok na wykresie spowodowany jest faktem, że po pierwszym odłączeniu przez BMS napięcie na najwyższym ogniwie spadło na tyle, że BMS znowu podłączył akumulator do źródła. Spowodowało to ponowny skok napięcia na ogniwie 3 i ponowne odłączenie. Po drugim odłączeniu wyłączyłem silnik, który był źródłem napięcia.

Tak więc na własnej skórze przekonałem się, że nie należy w kwestii wstępnego balansowania ogniw iść na skróty.

Jak balansować ogniwa LiFePO4?

Na logikę wydawać by się mogło, że wystarczy połączyć ogniwa równolegle ze sobą i wtedy po pewnym czasie zbalansują się one same. Kluczem jest tu jednak „po pewnym czasie”.

Na początek zwróćmy uwagę na charakterystykę napięcia ogniw LiFePO4.

Charakterystyka napięciowa akumulatora LoFePO4
Charakterystyka napięciowa akumulatora LiFePO4. Źródło: RELiON

Charakterystyka napięciowa ogniw LFP jest płaska. Tylko blisko 100% rozładowania i naładowania pojawiają się tzw. „kolanka”. Różnice napięcia spoczynkowego ogniwa naładowanego w 60% i ogniwa naładowanego w 61% są tak znikome, że po podłączeniu ich ze sobą równolegle, popłynie prąd bliski zeru. Dlatego potrzeba by prawdopodobnie tygodni, aby takie ogniwa się zbalansowały same.

Ogniwa należy połączyć ze sobą równolegle, a następnie naładować do napięcia 3.6V-3.65V i poczekać aż prąd spadnie do wartości bliskiej zeru.

Po wszystkim od razu budujemy nasz akumulator 12V lub 24V i rozładowujemy. Nie należy zostawiać ogniw naładowanych do 100% przez dłuższy czas, ponieważ prowadzi to do ich szybszego zużycia.

Balansowanie przy użyciu zasilacza laboratoryjnego

Pozostaje pytanie jak naładować ogniwa do tych 3.65V. Najłatwiej zrobić to przy użyciu zasilacza, ale przy większych ogniwach (i większej ich ilości) problemem może być czas niezbędny na przeprowadzenie tej operacji.

Standardowe zasilacze mają maksymalny prąd 5-10 amperów. Ja robiłem balansowanie zasilaczem 5A. Akumulator 600Ah przy nominalnych 12.8V to aż 2400Ah przy 3.2V. Naładowanie takiej pojemności z 50 do 100% zasilaczem 5A zajęłoby 240 godzin, czyli 10 dni! To dość długo.

Oczywiście, jak ktoś ma garaż i może to wszystko zostawić podłączone na tak długo, to nie ma problemu. Pamiętajmy jednak, że nie należy trzymać ogniw długo na wysokim napięciu. Dlatego najpierw najlepiej ustawić napięcie docelowe na 3.45V i zaglądać do ogniw powiedzmy raz dziennie.

W przypadku kiedy się zapomnimy i ogniwa postoją dzień, czy dwa przy napięciu 3.45V to nic im się nie stanie. Kiedy to napięcie zostanie osiągnięte, zwiększamy je do 3.65V i od tej pory monitorujemy proces. Dojście od 3.45V do 3.65V nie powinno już zając dużo czasu.

No dobrze. A co jeśli nie możemy podłączyć zasilacza na 10 dni? Ja na przykład robiłem balansowanie stojąc na kotwicy i zdecydowanie nie miałem tyle czasu…

Balansowanie przy użyciu ładowarki 12V i zasilacza laboratoryjnego

Najszybszą metodą jest połączenie ogniw szeregowo, tak aby uzyskać akumulator 12V. Następnie ładujemy go do pełna (na ile uciekające najwyższe ogniwo pozwala) szybką ładowarką 12V. Tu najlepiej przetrzymać trochę akumulator na napięciu 14-14.2V, tak aby prąd ładowania spadł do jak najniższej wartości. Zaoszczędzi nam to sporo czasu przy doładowywaniu na koniec zasilaczem.

Balansowanie ogniw LiFePO4
Balansowanie ogniw LiFePO4

Następnie taki prawie naładowany akumulator 12V rozłączamy i wszystkie ogniwa łączymy równolegle. Podłączamy zasilacz i ładujemy do poziomu 3.65V.

Mimo, że akumulator był prawie naładowany to i tak ta operacja trwa. Kiedy napięcie przekroczy poziom 3.55V prąd powoli zaczyna spadać. I tak sobie spada i spada, a czas leci. Ja balansowałem 12 ogniw o pojemności 200Ah każde. Sześć godzin zajęło ogniwom dojście do napięcia 3.55V. Prąd zaczął wtedy spadać i dojście do 3.65V zajęło kolejne 3 godziny. Następnym razem dłużej przetrzymam ładowarkę 12V…

I tyle. Operacja zajęła mi cały dzień, ale od tamtej pory nie ma problemu uciekających ogniw.

Czy BMS nie może zbalansować ogniw LiFePO4?

No właśnie. Przecież praktycznie wszystkie BMSy mają funkcję balansowania ogniw. Dlaczego więc nie zostawić im całego procesu?

Aby BMS mógł balansować dwa ogniwa, muszą być spełnione dwa warunki:

  1. Napięcie ogniw musi być „w kolanku”, czyli powyżej 3.45V. Na wykresie 1 widać jak na dłoni, że do tej wartości wszystkie ogniwa idą łeb w łeb i nie da się zidentyfikować potencjalnego uciekiniera.
  2. Drugim warunkiem jest niski prąd ładowania, tak aby rezystancja wewnętrzna nie miała wpływu na odczyt napięcia (lub miała minimalny). Oznacza to, że musimy przetrzymać ogniwa dłużej w stanie bliskim 100% ich naładowania przy napięciu 14-14.2V. A to z kolei na dłuższą metę jest dla nich niezdrowe.

Typowo BMSy są w stanie balansować prądem 1-2 ampery. Czyli taki BMS potrzebuje godzinę, żeby zniwelować różnicę 1Ah. Przy większych różnicach naładowania zajęłoby mu to długie godziny trzymania ogniw na niezdrowym poziomie napięcia. Dlatego balansowanie wstępne należy przeprowadzić samemu, a BMSowi zostawić tylko małe korekcje powstałe z biegiem czasu.

Są również głosy doświadczonych użytkowników, aby automatyczne balansowanie wyłączyć zupełnie i balansować tylko w razie potrzeby. Ponoć w praktyce nawet przy codziennym używaniu akumulatora nie powinno to być częściej niż raz w roku.

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?