LiFePo4 baterija

Tehnologija LiFePo4 akumulatorjev

Posted on Posted in Koristne informacije

1. TEHNOLOGIJA LiFePo4 AKUMULATORJEV

Podobno kakor svinčeni akumulatorji, so tudi litijevi akumulatorji narejeni v različnih tehnologijah. Najbolj znana je tehnologija Li-ion, ki se uporablja v zabavni elektroniki, predvsem v mobilni telefoniji. Tehnologija Li-ion se je dobro izkazala za aplikacije, kjer so potrebne le manjše kapacitete, medtem ko je uporaba Li-ion baterij za večje kapacitete preveč tvegana iz varnostnega vidika. Posamezne Li-ion celice v večjih akumulatorjih postanejo s časom med seboj neusklajene (niso enako električno napolnjene), kar lahko privede celo do eksplozije.

Razvoj je pripeljal do odkritja LiFePO4 akumulatorjev, ki temeljijo na osnovni Li-ion kemijski tehnologije, kjer pa je kot katodni material uporabljen LiFePO4 (Litij – železov sulfat) namesto LiCoO2 (litij-kobalt dioksid), ali LiMn2O4 (litij magnezij oksida).

V nasprotju z Li-ion akumulatorji so LiFePO4 akumulatorji izredno stabilni in varni. Tudi prenapolnjenost, kratek stik ali fizično poškodovanje ne more povzročiti eksplozije. Ti akumulatorji so tudi odporni na visoke temperature in njihovo področje delovanja sega do 400stC.

Osnovne prednosti LiFePO4 tehnologije so varnost, zagotavljanje večjega števila ciklov polnjenj in praznjenj odpornost na visoke temperature.

LiFePo4 akumulatorji, v nadaljevanju jih bomo imenovale LFP akumulatorji, postajajo vse bolj cenjena baterijska tehnologija, predvsem na področjih uporabe, kjer se od baterije pričakuje čim manjša teža,veliko število ciklov,hitro polnjenje in možnost praznitev z visokim tokom.

 

2. PRIMERJAVA LiFePo4 AKUMULATORJEV S SVINČENIMI

LFP akumulatorji imajo vrsto prednosti v primerjavi s svinčenimi akumulatorji.

  • LiFePO4 akumulatorji imajo sposobnost večjih konstantnih praznilnih tokov (3CA) kakor svinčeni akumulatorji. Prav tako omogoča izredno visoke kratkotrajne praznilne tokove (20CA/10 sek)
  • Razpoložljiva kapaciteta svinčenih akumulatorjev eksponencialno pada v odvisnosti od moči praznilnega toka (Peukert effekt).Razpoložljiva kapaciteta LFP akumulatorjev pri visokih praznitvah najprej pade za okoli 10%, nato pa ostane linearna. Znani so primeri ko je svinčen akumulator z kapaciteto 50Ah zamenjal le 20Ah akumulator tehnologije LiFePO4.
  • Energijska vsebnost – LFP akumulatorji imajo kar za 2,5 krat večjo energetsko vsebnost(Wh/kg) v primerjavi s svinčenimi.
  • Število ciklov – svinčeni akumulatorji, ki niso namenjeni startu imajo poprečno okoli 300 ciklov, najboljši do 800. LFP akumulatorji imajo do 5.000 ciklov pri DOD=70%.
  • Varnost – pri prenapolnjenosti svinčenih akumulatorjev lahko pride do požara ali eksplozije. LFP akumulator je popolnoma varen.
  • Dovoljena globina praznitve – svinčeni akumulatorji se z redkimi izjemami ne smejo prazniti pod 50%,LFP akumulatorji se lahko praznijo do 10V (velja za 12V akumulatorje).
  • Hitrost polnjenja – LFP akumulatorji iz naše ponudbe se napolnijo v 30 minutah, svinčeni akumulatorji se polnijo 8-12ur
  • Teža – LFP akumulatorji so pri isti kapaciteti za okoli 50% lažji od svinčenih
  • Okolju prijazni – svinčeni akumulatorji vsebujejo nevarne snovi in so okolju neprijazni. LFP akumulatorji so okolju prijazni,brez nevarnih snovi.

 

3. PRIMERJAVA LIFEPO4 BATERIJ Z AKUMULATORJI OSTALIH TEHNOLOGIJ

Baterije Pb NiCd NiMH LiCO2 LiFePO4
Energija Wh/kg 30-50 45-80 60-110 110-200 100-160
 Št. ciklov 300-700 1500 300-500 500-1000 2000 +
 Čas polnjenja v h 5-6 1 2-3 1-3 1-2
 Samo praznjenje v % na mesec 3 20 30 3 2-3
 Relativna varnost 2 1 1 4 2
 Prijaznost okolju 3 4 2 2 1

 

4. POLNJENJE LIFEPO4 CELIC IN AKUMULATORJEV

LFP celice se lahko polnijo v načinu »hitrega polnjenja« Napetostno področje praznjenja in polnjenja je med 2,0 in 4,0V po celici, različno pri različnih proizvajalcih, zato se držite navodil za uporabo, ki so priložena baterijam.

Optimalni tok polnjenja je 0,3-0,5CA.

Polnjenje baterij LiFePO4 poteka v dveh stopnjah.

1 stopnja: polnjenje s konstantnim polnilnim tokom 0,5CA, dokler baterija ne doseže maksimalne napetosti (običajno 4,0V)
2. stopnja: polnjenje z maksimalno napetostjo (4,0V) dokler tok ne pade pod 0,03CA, ko je polnjenje zaključeno

Polnilni čas je običajno 2-3 uri, odvisno od tipa polnilca.

Nekateri polnilci zaključijo polnjenje po 1. stopnji in deklarirajo baterijo napolnjeno cca 75% kot pripravljeno za uporabo.

Za polnjenje LiFePO4 akumulatorjev svetujemo uporabo posebnih polnilcev, ki zagotavljajo režim polnjenja skladno z zahtevami proizvajalca akumulatorjev

Tehnologija LiFePo4 polnjenje 1

 

 

 

 

 

LFP baterije se lahko polnijo pod 0,5CA Napetostno področje praznjenja in polnjenja je med 11,0 in 16V.

Optimalni tok polnjenja je 0,3CA.

Tehnologija LiFePo4 polnjenje 2

 

 

 

 

 

5. NADZOR CELIC LIFEPO4 – BMS

V primeru, da se baterija napolni nad ali izprazni pod predpisano napetost, se lahko poškoduje in uniči. Da bi preprečili tovrstne okvare, morajo biti celice nadzorovane in se mora preizpraznjenost in prenapolnjenost preprečiti.

Temu je namenjen BMS (battery management syste), ki ga skupaj s celicami nudijo tudi posamezni proizvajalci LIFePO4 baterij. V primeru, da je okvara celic-baterij posledica okvare BMS, proizvajalec ne priznava garancije, ter mora stroške nositi proizvajalec BMS. Priporočamo, da se BMS sistem nabavi skupaj z baterijami

 

6. UPORABA LiFePo4 AKUMULATORJEV

LFP akumulatorji so namenjeni predvsem:

  • trakcijski uporabi (light traction) kot so: električni skuterji, električni golf vozički, druga lahka električna vozila, invalidski vozički, električni čistilni stroji. Na tem področju bodo LFP baterije postale v bližnji prihodnosti nezamenljive.
  • uporabi, kjer je pomembno – možnost hitrega praznjenja, možnost globokega praznjenja akumulatorja,veliko število ciklov polnjenj in praznjenj, ter je majhna teža akumulatorja (solarni in vetrni sistemi, navtika ipd) zelo pomembna
  • LFP pridobivajo svoje mesto tudi v hidravličnih črpalkah,mobilnih računalnikih
  • Seveda pa so nezamenljivi v pogonu električnih avtomobilov in avtobusov

 

7. PREDNOSTI LiFePo4 AKUMULATORJEV V NAVTIKI

Poleg vseh prednosti, ki jih imajo nasploh LFP akumulatorji, so za uporabo na plovilih pomembne še nekatere.

LFP akumulatorji v navtični aplikaciji lahko služijo kot zagonski in kot servisni akumulator. To je velika prednost v primerjavi s svinčenimi akumulatorji pri katerih ločujemo določene tipa za startne in druge za ciklične aplikacije.

Druga pomembna prednost LiFe akumulatorjev je, da je mogoče uporabiti LFP akumulator z manjšo kapaciteto za adakvatno zamenjavo svinčenega akumulatorja. Takšna zamenjava je mogoča ker imajo LFP akumulatorji za kar 2,5 krat večjo energetsko gostoto (Wh/kg) kot svinčeni akumulatorji.

Povsem drugače se obnašajo LFP akumulatorji tudi pri naglih praznitvah. Napetost svinčenih akumulatorjev strmo pada z obremenitvijo, dokler niso povsem izpraznjeni. Napetost LFP akumulatorjev najprej pade za okoli 10%,potem pa ostaja skoraj linearna.

Pomembna prednost LFP akumulatorjev je tudi, da se lahko hitro napolnijo. Napolniti jih je mogoče že v 30 minutah. Z polnilcem, ki bo polnil izpraznjen svinčen akumulator in ga ne bo uničeval, je takšno polnjenje mogoče doseči v 8 do 12 urah.

Tudi v navtičnih aplikacijah je pomembna teža akumulatorjev. LFP akumulatorji dosežejo le polovico teže, ki jo imajo pri enaki kapaciteti svinčeni akumulatorji.

 

8. ALI SO AKUMULATORJI LIFEPO4 VARNI?

Opravljenih je bilo vrsta testov glede varnosti pri uporabi LiFePO4 akumulatorjev. Navajamo nekaj testov, ki so bili opravljeni na baterijah Thunder Sky.

Test pri nastanku kratkega stika.

Celica je bila pri temperaturi 20stC pri 90% napolnjenosti njene nazivne kapacitete izpostavljena zunanjemu kratkemu stiku za 10 minut. Celica ni eksplodirala ali povzročila ognja, lahko se pojavi dim

Test poškodbe s strelnim orožjem

Celica je bila pri temperaturi 20stC pri 90% napolnjenosti njene nazivne kapacitete izpostavljena naboju izstreljenemu iz pištole iz navpične smeri. Naboj je prebil celico.

Celica ni eksplodirala ali povzročila ognja, lahko se pojavi dim

Test prenapolnjenosti/preizpraznjenosti

Polnjenje: Celica z napetostjo 4,0V je bila pri temperaturi 20stC polnjena s tokom 1CA do njene napetosti 8V

Praznjenje: Celica z napetostjo 2,8V je bila pri temperaturi 20stC praznjena s tokom 1CA do njene napetosti 0V

Ni prišlo do izlitja, celica ni eksplodirala ali povzročila ognja, lahko se pojavi dim

Test vodo odpornosti

Celica je bila pri temperaturi 20stC pri 90% napolnjenosti njene nazivne kapacitete potopljena v vodo za 1 uro.

Ni prišlo do izlitja, celica ni eksplodirala ali drugače škodovala okolju

Test ognjevarnosti

Celica je bila pri temperaturi 20stC pri 90% napolnjenosti njene nazivne kapacitete postavljena v ogenj, dokler se ni upepelila.

Celica ni eksplodirala.

Test števila ciklov (80% DOD)

Celica je bila pri temperaturi 20stC polnjena s konstantnim tokom 3CA. Ko je celica dosegla napetost 4V, je polnjenje prekinjeno. Po 1 uri se celi prazni s konstantnim tokom 3CA do 20% preostale kapacitete. Po 30 minutah do 1 ure se interval ponovi in tako 100 krat. Do zaključka testa. Nominalna kapaciteta se po opravljenem testu zniža za manj kot 1 o/oo.

Test odpornosti na vibracije

Celice so testirane na odpornost proti vibracijam s frekvenco 10 – 50HZ v trajanju 2 ur, nakar so bile praznjene s tokom 3CA do končne napetosti 10V. Na celicah ni bilo znakov, poškodb, puščanja, ali drugih anomalij.

 

Dodatna razlaga v angleščini na strani Wikipedia, na tej povezavi.