Построение аккумулятора на LiFePo4

Построение аккумулятора на LiFePo4 для лодочного электромотора (в процессе)

ВВЕДЕНИЕ
Лодочные электромоторы использую очень давно, у меня minn kota endura, очень надежные, один убил спустя много лет, да и то убил по своей невнимательности чисто физически поломал, соответственно замену производил взяв той же фирмы. А вот с аккумуляторами постоянная беда - их приходится менять и каждый раз это головная боль при подборе. Аккумулятор в среднем у меня служит 2.5-3 года, далее начинает падать мощность, начинает вести себя как-то странно, в общем понимаешь, что его пора менять. Использовал разные батареи, были и родные минкотовские, были и AGM, специализированные для домов на колесах, но срок службы оставляет желать лучшего. Более того, для последнего аккумулятора я уже купил профессиональные зарядки и инструменты диагностики и стал записывать все нагрузки и зарядки с фиксацией параметров и оказалось, что в среднем за год я его использую 20-30 раз с разрядом не более 50% от емкости и вроде должен он служить дольше, однако не служит по факту... Сейчас у меня 6й или 7й аккумулятор, точно уже и не вспомню, последний покупал 2 года назад, но уже чувствуется просадочка, может и хватит его до конца сезона, однако не уверен.

К литиевым присматриваюсь давно, цена там конечно выше. Сначала хотел купить готовую сборку, но потом изучил предложения на алиэкспрессе, проанализировал наш рынок, а на нашем рынке РФ оказалось все под заказ и также получают комплектующие с Китая и решил собрать самостоятельно. В интернете очень много слухов насчет б/у ячеек, но не факт что купив готовую сборку в ней не используются те-же б/у ячейки. Конечно есть кое-какие фишки как максимально обезопасить себя при закупке, но бывает всякое и надо понимать что это некий риск, однако я решил на него пойти.

LiFePo4 это банки по 3.2 вольта, банки которые служат в любом случае существенно дольше чем обычные кислотные, AGM или гелевые и это один плюс, главное - сборка на LiFePo4 более чем в 2 раза легче традиционных аккумуляторов. Размер сопоставим, но обычно меньше. Еще из очень важного - держит нагрузку существенно лучше и он специально рассчитан на отдачу высоких токов, а соответственно и зарядку можно производить более высокими токами, что резко сокращает время заряда. Ну и количество разрадов-зарядов у этих батарей в десятки раз выше.

МАТЧАСТЬ
Я опущу момент выбора самих ячеек и их производителя, тут каждый волен выбирать сам, отмечу основное - важно определиться с емкостью, моделью исполнения и понять размеры каждой ячейки. LiFePo4 выдают 3.2 вольта, соответственно мне нужно 4 таких ячейки соединенных последовательно, я решил остановиться на емкости 105 ампер, хотя в реальности больше 55 ампер еще никогда с аккумулятора не забирал на воде, но запас нужен. Поискав модели и поизучав параметры получил размеры каждой ячейки 200х131х37мм и весом около 2 кг за банку.


Так как банки соеденены последовательно, то постепенно будет возникать дисбаланс, т.е. на одной банке может оказаться 3.5 вольта, а на другой 3.4, что приведет к недозаряду некоторых банок или к перезаряду если ориентироваться тупо на финальное напряжение крайних банок, а это соответственно постепенная потеря общей емкости. И тут обязательно надо использовать BMS. BMS это аббревиатура от Battery Management System, что в переводе означает "Система Управления Аккумуляторами" и она следит за перегрузками при потреблении, предотвращает перезаряд, пытается перераспределить (отбалансировать) неравномерность заряда. BMS ставить надо, это даже не обсуждается. BMS выбираются исходя из токов потребления, а также от того, сколько аккумуляторов подключень последовательно, в нашем случае 4 аккумулятора, соответственно это BMS 4S (S-serial, т.е. 4 последовательные батареи). Ток? Мой электромотор на максимальной скорости потребляет 32 ампера, при зацепе за траву может забрать до 40, логично было выбрать BMS с запасом на 60 ампер, но там разница в цене не существенна и я заложил запас аж до 80 ампер. Подключается она вот так


Т.е. стоит она последовательно от нагрузки/зарядки, но тонкими проводами подключена ко всем точкам соединения аккумуляторов для контроля/балансировки. Потребляет BMS очень мало и подключена к аккумулятору постоянно даже в момент простоя.

Можно взять простую BMS либо с возможностью точных подстроек и мониторинкга через телефон или компьютер, это так называемые смарт-BMS (Smart BMS). Стоит ли переплачивать более чем двойную разницу в цене (на май 2022 года)? Может и нет, но меня по этому поводу было несколько мыслей:

- возможность контролировать заряд и остаток сразу 4х банок без использования тестера;

- возможность задавать более точно точку отключания зарядки, обычно банки рассчитаны, что их заряжают до 3.65 вольта, стандартные BMS отключают зарядку при достижении 3.65 вольт с погрешностью 0.05 вольта, а перезарядка для LiFePo4 очень даже противопоказана и много людей рекомендуют заряжать вообще до 3.6 вольт, что дает существенно увеличенный ресурс, конечно можно регулировать максимальное напряжение выставив его на зарядке, но это дело очень тонкое и совсем не точное, соответственно выставив эту точку на смарт BMS было-бы практичным, а на обычных BMS это сделать уже не получится;

- ну и возможность контроля и подстройки многих других параметров, возможно это не понадобится на практике, но когда строишь первую батарею лучше иметь в потенциале такую возможность, по мере эксплуатации может что-то выползти.

Вообще BMS помимо защит от перезаряда, избыточного потребления, короткого замыкания, низкого уровня батарей и пр. имеет функцию балансировки заряда, ну это когда разные по заряду банки становятся одинаковыми, но эта балансировка настолько мизерная, что по факту она не работает нормально. Смотрите - у BMS балансировка заявляется на уровне 40-60 мА, это составляет 0.04-0.06 ампер и когда мы ставим аккумуляторы на 100 А, то это слону дробина, соответственно в интернете куча всяких видюшек с криками, что балансировка не работает, да она и не может нормально работать. А это означает, что ставить надо специализированный балансировщик либо раз в год обращаться к "специалистам" которые будут выравнивать банки на одинаковое напряжение. Балансировщики бывают:
а) пассивные ( распиаренные в инете ой как сильно:) )
б) активные конденсаторные
в) активные индукционные.

Первые даже глубоко обсуждать не хочу, сбрасывать лишний заряд в нагрев (а нагрев это печка) на мой взгляд глупость глупейшая. Ну это примерно как в автомобиле отказаться от печки, которая работает от отведении нагрева мотора и при этом поставить более точный и крутой, но электрический нагреватель салона, это наверно круто, но бредово с моей точки зрения, правда есть аргумент - никаких утечек антифриза в салоне.

Активные балансиры это либо более точные конденсаторные, либо менее точные и соответственно дешевле по стоимости индукционные. Я выбрал конденсаторный, он на 5 ампер и стоимостью около 20$, если брать индукционный той-же компании, то ток балансировки был-бы 1.2 ампера и стоимость в районе 4$. К конденсаторному меня склонили несколько роликов в интернете, где люди построили накопители для дома на 40-45 киловатт и проблему балансировки решили именно емкостными балансирами, причем с очень приличными результатами по разбалансировке. У нас не 45 кВт, у нас чуть больше 1.20 кВт.

Очень много времени убил в поисках решения как отключать балансир в момент простоя и неиспользования аккумулятора. Если BMS потребляет ничтожно мало, то балансир 0.012 А, это означает, что за сутки он скушает 0.288 А, а за месяц - 8.64 А, вроде не критично, но требует стать рабом и раз в 2-3 месяца подзаряжать аккумулятор. Надо его как-то отключать. Т.е. когда мы заряжаем или используем аккумулятор, то балансировка должна быть включена, а вот в долгие периоды простоев ее желательно выключить, чтоб ничего не кушала. Сам дисбалланс возникает во время либо потребления, либо зарядки аккумулятора. Подсоединяется балансир ко всем банкам, т.е. нужно отключать сразу 5 проводов!!!


Вы видели включатель на 5 проводов? Я нашел такой, но у нас токи до 5 ампер и соответвенно он не подходит... из идей было просто открывать бокс и выдергивать балансир из разъема, но мне это решение очень не нравилось, так не нравилось, что я засел искать и изучать схему балансира в интернете, чтоб понять что там в момент простоя кушает эти 12 мА. Оказалось все просто - там есть генератор который постоянно кушает, можно просто отключить этот генератор одним проводком и проблема решена, более того, когда я уже получил этот балансир, то увидел - на плате есть перемычка с названием "RUN" вместо которой и надо поставить выключатель. Таким образом производитель включил возможность легкого отключения в схему на всякий случай, а я убил кучу времени на поиск решения... бывает:)

Ну и еще из важного. Когда ходишь на моторе, то постоянно в голове вопрос - сколько осталось заряда? В какой-то момент я нашел прекрасное решение у Китайцев под названием кулонометр. Это такая штука, которая показывает сколько я уже забрал из аккумулятора во время использования и сколько я в него отдал во время зарядки. Стоит не 3 копейки, но реально очень полезная вещь. Сейчас кулонометры очень продвинутые и они достаточно точно показывают остаток зарядки аккумулятора а не просто сколько забрал и сколько залил. Да, это тоже расходы, но поставить дешевый вольтметр, который совсем неточно оценивает остатки и практически на показания которого ориентироваться не стоит не хорошая затея. Кулонометру быть!


Далее предстояло определиться с клемами, коробкой, зарядкой USB, разъемом прикуривателя для подключения того-же электронасоса и прочей разной всячиной... в результате заказал все это дело на алиэкспрессе и у меня в пути оказалось 10 посылок!!!

Долгое ожидание посылок и наконец все постепенно пришло!!! Аккумуляторы шли дольше всех - 40 дней




СБОРКА
Хотел собрать сначала на столе, провести замеры и определиться с некоторыми сомнениями по схеме, а уже потом все монтировать в коробку, но склонился сразу к размещению в коробке. Первым делом аккумуляторы нужно упаковать в блок, далее блок уже проще размещать в корпус и прикидывать где именно и как расположатся все компоненты. Блок это связка 4 ячеек, причем в интернете кто-то между ними прокладывает диэлектрик, хоть ячейки и в пленке, но под ней на коопусе положительный электрод и если все это дело протрется, то лучше не надо. Кроме того выяснил, что от заряда толщина банок может играть туда-сюда, соответственно предлагают между ячейками прокладывать сверху и снизу демпферную резиновую ленту EVA, которую естественно проще найти на али, чем у нас. Если прокладываем резину, то ячейки уже между собой не касаются. Вот резина, толщина 3 мм показалась оптимальной, стоит копейки


Идея с диэлектриком мне категорически не понравилась, плоскость ячеек не идеально ровная, она играет при заряде-разряде и получается все слишком жестко. Далее все это обтягивается армированной лентой (еще одна посылка с али), фиксируется достаточно плотно в натяг и получается вот такая конструкция, где расстояние между ячейками становится 2мм и эта конструкция неплохо аммортизирует


После этого этапа, повертев этот блок в корпусе стало понятно расположение всех компонентов... дело пошло дальше. Нужно четко зафиксировать на блоке BMS контроллер, кулонометр и балансир, а еще все это аккуратно соеденить проводами. Фиксировал что-то двусторонним скотчем, естественно и армированный скотч пришел на помощь. Обязательно отделяю компоненты диэлектриком от ячеек, в качестве диэлектрика взял кусок обычного пластика




Далее пайка зарядки USB, прикуривателя, все это надо было установить и наконец аккумулятор приобрел свой завершенный вид






10 килограмм против 23 кг обычного аккумулятора





Окончательная схема выглядит так


Тесты, тесты и еще раз тесты...
Много читал разной информации по зарядам, сначала некоторую просто отправлял в закладки для дальнейшего анализа. Первую зарядку вел устройством "Вымпел 57" выставив ток 15А, хотя там можно и 20 ставить, да и производитель аккумулятора рекомендует 20, но чем выше ток тем меньше ресурс, как я понимаю, да и не привычно мне двадцаточкой заряжать было. Внимательно смотрел на балансировку, контролировал ток и напряжение, записывал себе регулярно все показания и все-же остановился на 14 вольтах. 14 вольт это 3.5 вольта на ячейку. Зарядка шла очень равномерно и разбаллансировки не было где-то от 3.4 вольта на ячейку (13.6 на общее) началась небольшая разбалансировка и ее стал разбрасывать балансир. Примерно через час после достижения 14 вольт и остановке зарядки балансир снизил разбалансировку до 0.006 вольта, т.е. его работа явно была видна, после чего балансир я отключил, чтоб он не потреблял лишнего.

Вообще производители рекомендуют заряжать до 3.65, это в общем до 14.6 вольт, я попробовал и с 3.5 до 3.6 дозарядка происходит очень быстро и подозреваю там заливаются уже какие-то миллиамперы, т.е. толку особого уже нет, а судя по многим источникам и опыту бывалых, заряжать до 3.65 очень спорная штука, более того, после 3.65 вообще наступает резкое сокращение ресурса АКБ и это не совсем хорошо. В общем я склонен пока заряжать до 3.5, т.е. до 14 вольт на всю конструкцию.

Разряд делал лампой на 6 ампер, так-же регулярно фиксировал напряжение и ток. Тут начала уже удивлять живучесть батареи по просадкам напряжения, т.е. оно очень стабильное и практически не отличаются холостое напряжение и напряжение под нагрузкой.





В какой-то момент анализ моих данных навел на мысль, что я что-то подобное уже видел. Нашел в интернете опыт пользователя, изначально я в него не очень поверил, но на заметку взял. В общем человек пришел вот к такой раскладке


Т.е. он предлагает за нижнюю часть разряда принять 3 вольта (12 вольт)... 3-3.3 вольта у него основная зона. Зона 3.3-3.36 это отскок напряжения после зарядки. Зона 3.36-3.47 это та часть, где происходит разбаланс ячеек и тут в основном и отрабатывает наш былынсир. А вот 3.47-3.65 по его мнению это "пена", которая заряд особо не дает, но сильно уменьшает живучесть банок. В принципе тут я утвердился в мнении, что заряжать надо до 3.5 (14) вольт. Разряд ниже 3 вольт? Ну скорее поддержу, хотя у меня аккумулятор с запасом и вряд-ли это понадобится.

Небольшие промежуточные итоги...
Реально его можно заряжать за 2.5 часа, но такой режим уменьшает его срок службы, да и нет у меня зарядки на 40 ампер, правда есть на 20, но даже 20 давать это постоянная работа вентилятора внутри зарядки, в общем заряжаю 12-15 амперами за 8 часов, заряжаю пока 14 вольт. Пробовал как рекомендует производитель - до 14.60, но там начинается бешенный разбег банок и по сути аккумулятор в себя очень мало берет, т.е. смысла не увидел.

Если обычный аккумулятор глубокого разряда заряжен до 12.8 В (т.е. 100%) и на 5й скорости с током потребления 25-30 ампер просаживает напряжение до 10.5-11 вольт, то тут все гораздо интереснее, стабильно держится 13 вольт и просадок практически нет, высосав из аккумулятора 60% все равно в районе 12.8 под нагрузкой на максимальной скорости, соответственно мотор резче работает.

Кулонометр очень здорово показывает процент оставшейся емкости. На кулонометре можно было сэкономить, я взял на 100 ампер, но можно было смело брать на 50, так как мотор больше 40 никогда не забирает, а цена у них разная.


Последнее редактирование: 11.08.2022