Заряд, струми, BMS і балансування
Батарею вбиває не розряд, а неправильний заряд. Розряд у гіршому випадку з'їдає цикли, а невідповідний профіль заряду руйнує банк за кілька місяців.
Коротка відповідь
Заряд будь-якого акумулятора складається з трьох стадій, і в кожній регулюється своя величина.
- Bulk (основна). Зарядний пристрій віддає максимальний струм, напруга сама піднімається. Батарея набирає приблизно 70–85% заряду.
- Absorption (підтримка напруги). Напруга фіксується на верхньому значенні, струм поступово спадає. Тут батарея добирає останні відсотки.
- Float (підтримувальна). Напруга знижується до безпечного рівня і компенсує лише саморозряд.
Етапи заряду в деталях
Bulk
Зарядний пристрій працює як джерело струму: віддає стільки, скільки може, а напруга на батареї повільно піднімається. Це найшвидша стадія, і саме її тривалість визначає струм зарядного пристрою.
У свинцю на цій стадії набирається приблизно 70–80% ємності, у LiFePO4 – до 90–95%, бо його напруга майже не росте до самого кінця.
Absorption
Коли напруга досягла верхнього значення, пристрій перестає нарощувати струм і фіксує напругу. Струм починає падати сам, у міру заповнення батареї.
Для свинцю ця стадія обов'язкова і довга: саме тут відбувається завершальне перетворення сульфату свинцю на пластинах, і скоротити її не можна. Типова тривалість – від двох до чотирьох годин, залежно від глибини попереднього розряду.
Для LiFePO4 стадія коротка. Її головна функція навіть не в доборі ємності, а в тому, що саме тут працює балансування елементів.
Float
Напруга знижується до рівня, який компенсує саморозряд і не спричиняє газовиділення. Для свинцю це нормальний режим постійного тримання: батарея може стояти на float роками.
Для LiFePO4 постійна підтримувальна напруга не потрібна і небажана. Літій не має помітного саморозряду в цьому масштабі, а тривале перебування при повному заряді прискорює календарне старіння. Тому багато літієвих систем після завершення заряду просто відключають зарядний пристрій.
Напруги за хімією
| Хімія | Absorption | Float | Вирівнювальний заряд |
|---|---|---|---|
| Заливний свинцевий | 14,4–14,8 В | 13,5–13,8 В | 15,0–15,5 В, періодично |
| AGM | 14,4–14,7 В | 13,5–13,8 В | зазвичай не потрібен |
| GEL | 14,1–14,4 В | 13,5–13,8 В | заборонений |
| LiFePO4 | 14,0–14,6 В | 13,4–13,6 В або немає | не застосовується |
Зарядні струми
| Хімія | Мінімально розумний | Рекомендований | Верхня межа |
|---|---|---|---|
| Свинець заливний | 5% ємності | 10–15% | 20% |
| AGM | 5% ємності | 10–20% | 25–30% |
| GEL | 5% ємності | 10–15% | 20% |
| LiFePO4 | 10% ємності | 20–50% | за паспортом, часто 50–100% |
Замалий струм для свинцю шкідливий не менше за завеликий: батарея не встигає зарядитися між відключеннями і живе у частково зарядженому стані. Завеликий струм для свинцю викликає газовиділення і нагрів.
Для LiFePO4 обмеження м'якші, але сенс великого струму зникає після певної межі: bulk скорочується, а absorption лишається тим самим.
Що робить BMS
BMS (battery management system) – це електронна плата всередині літієвого блока або окремий пристрій для збірного банку. Її функції:
- Захист від перезаряду. Відключає заряд, коли будь-який окремий елемент досяг верхньої межі, зазвичай близько 3,65 В.
- Захист від переразряду. Відключає навантаження, коли будь-який елемент упав нижче межі, зазвичай 2,5–2,8 В.
- Захист від надструму і короткого замикання.
- Температурний захист. Зокрема, блокування заряду при температурі нижче нуля.
- Балансування елементів.
- У просунутих моделях – оцінка рівня заряду і передача даних інвертору.
Чого BMS не робить
Це важливіше за попередній список, бо саме тут виникають хибні очікування.
- BMS не є зарядним пристроєм. Вона не задає напругу і струм заряду, а лише розриває коло, коли межі порушені. Профіль заряду забезпечує зарядний пристрій або інвертор.
- BMS не компенсує неправильний зарядний пристрій. Якщо профіль поставлено свинцевий, BMS щоразу відключатиме заряд за перевищенням, і банк житиме в режимі постійних аварійних відключень.
- BMS не робить елементи однаковими. Вона вирівнює заряд, але не ємність. Якщо один елемент фізично слабший, він і далі буде обмежувати весь блок.
- BMS не гріє батарею. Виконання з підігрівом трапляються, але це окрема опція, а не стандартна функція.
- BMS не рятує від неправильного монтажу. Помилка полярності, слабкий контакт або відсутній запобіжник у силовому колі лишаються вашою відповідальністю: запобіжники і кабелі.
- Спрацювання BMS – це аварія, а не режим роботи. Система, у якій BMS регулярно відключає банк, налаштована неправильно.
Балансування
Елементи в літієвому блоці ніколи не бувають абсолютно однаковими: ємність відрізняється на частки відсотка, саморозряд теж. За десятки циклів ці розбіжності накопичуються, і елементи «розходяться» за напругою.
Проблема в тому, що весь блок обмежується найгіршим елементом у кожному напрямку: при заряді – тим, що першим досяг верхньої межі, при розряді – тим, що першим досяг нижньої. Розбіжність у 0,1 В може з'їсти десятки відсотків корисної ємності блока.
Пасивне балансування. Найпоширеніший тип. На найбільш заряджений елемент BMS підключає резистор і зливає з нього надлишок у вигляді тепла. Струм балансування невеликий, зазвичай 30–100 мА, тому процес повільний: вирівняти помітно розбіжний блок може знадобитися десятки годин сумарно.
Активне балансування. Заряд не спалюється, а переганяється з більш зарядженого елемента в менш заряджений. Струми більші, 1–5 А, вирівнювання значно швидше. Схема дорожча і трапляється рідше.
Паралельне з'єднання
Паралельно з'єднують однакові батареї, щоб збільшити ємність при незмінній напрузі.
Правила:
- Однакова хімія, ємність, виробник і бажано вік. Батареї з різним внутрішнім опором ділять струм нерівномірно.
- Вирівняти напругу перед з'єднанням. Зарядити кожну окремо до однакового значення. З'єднання батарей із різницею навіть у піввольта дає короткочасний струм у сотні ампер.
- Симетрична розводка. Плюс знімають із однієї крайньої батареї, мінус – із протилежної крайньої (діагонально). Інакше найближча до інвертора батарея працює найважче і зношується першою.
- Однакові кабелі. Той самий перетин і та сама довжина до кожної батареї.
- Окремий запобіжник на кожну гілку. При внутрішньому замиканні в одній батареї решта розрядяться в неї.
Послідовне з'єднання
Послідовно з'єднують, щоб підняти напругу банку: два блоки по 12 В дають 24 В, чотири – 48 В. Ємність в ампер-годинах при цьому не змінюється, а енергія зростає.
Тут вимоги жорсткіші, ніж при паралельному з'єднанні.
- Не всі літієві блоки можна з'єднувати послідовно. Багато готових блоків із вбудованою BMS цього не допускають, і це прямо зазначено в паспорті. Порушення означає втрату гарантії і ризик.
- BMS кожного блока бачить лише свій блок. Вона не знає, що робиться в сусідньому, і не може вирівняти заряд між блоками. Якщо блоки розійшлися, один буде перезаряджатися, поки другий недозаряджається.
- Перед складанням послідовного ланцюга всі блоки заряджають окремо до повного.
- Ланцюг обмежується найслабшим блоком. Це особливо болісно, бо слабкий блок неможливо «підтягнути» ззовні.
Для свинцю послідовне з'єднання простіше, бо періодичний вирівнювальний заряд частково компенсує розбіжність. Але й тут батареї мають бути однаковими й одного віку.
Типові помилки
| Помилка | Наслідок |
|---|---|
| Профіль AGM на гелевій батареї | Систематичний перезаряд, втрата води, скорочення ресурсу |
| Профіль свинцю на LiFePO4 | Постійні відключення BMS, банк не балансується |
| Зарядний струм 5 А на банк 200 А·год | Банк ніколи не заряджається повністю, для свинцю це сульфатація |
| Тримати свинець розрядженим | Сульфатація стає незворотною за кілька тижнів |
| Ніколи не доводити літій до повного заряду | Елементи розходяться, корисна ємність падає |
| Заряд без температурної компенсації | Влітку перезаряд, взимку недозаряд |
| Паралель нової і старої батареї | Через кілька місяців банк працює як гірша з них |
Як ці помилки позначаються на строку служби, розписано у статті скільки живе акумулятор. Про різницю в самих хіміях – типи акумуляторів.
Часті питання про заряд і BMS
Чому не можна заряджати LiFePO4 при температурі нижче нуля?
Бо при мінусі іони літію не встигають вбудуватися в структуру графітового анода і осідають на його поверхні у вигляді металевого літію. Цей процес незворотний: він з'їдає ємність і формує голчасті структури, які з часом можуть пошкодити сепаратор. Розряджати такий акумулятор на морозі зазвичай можна, а заряджати – ні. Докладно: акумулятор на морозі.
Чи можна залишати ДБЖ увімкненим у мережу цілодобово?
Для свинцевої батареї це нормальний і навіть бажаний режим за умови, що підтримувальна напруга правильна і є температурна компенсація. Для LiFePO4 тривале тримання при повному заряді прискорює календарне старіння, тому краще, коли система після завершення заряду переходить у режим спокою, а не тримає напругу постійно.
Що означає, коли BMS відключає банк?
Що якийсь елемент вийшов за межу: за напругою, струмом або температурою. Одноразове спрацювання при екстремальному навантаженні нормальне. Регулярні спрацювання означають, що система налаштована неправильно: не той профіль заряду, розбіжність елементів, замалий перетин кабелю або перевантаження інвертора.
Скільки часу займає балансування?
При пасивному балансуванні зі струмом 50 мА вирівняти розбіжність в 1 А·год теоретично потрібно близько 20 годин чистого часу, а оскільки балансування працює тільки на верху заряду, реально це розтягується на тижні. Тому банк доводять до повного заряду періодично, а не чекають, поки він вирівняється сам за один цикл.
Чи потрібна BMS для свинцевих акумуляторів?
У тому вигляді, у якому вона є в літію, не потрібна: свинцеві елементи в межах блока самовирівнюються завдяки газовиділенню наприкінці заряду. Але захист від глибокого розряду потрібен і тут, і його зазвичай виконує сам інвертор або ДБЖ за порогом низької напруги.
Чи можна з'єднати два блоки LiFePO4 по 12 В послідовно, щоб отримати 24 В?
Тільки якщо виробник це прямо дозволяє. Багато блоків із вбудованою BMS розраховані виключно на паралельне з'єднання. Навіть коли послідовне дозволене, блоки треба спершу зарядити кожен окремо до повного, брати їх з однієї партії та однакової ємності.
Чому банк заряджається до 100%, а віддає менше, ніж раніше?
Найімовірніші причини дві. Для літію – розбіжність елементів: індикатор показує повний заряд, але фактично один елемент упирається в межу раніше за інших. Для свинцю – накопичена сульфатація через роботу в частково зарядженому стані. У першому випадку допомагає тривалий заряд із витримкою на стадії підтримки напруги, у другому зазвичай уже нічого.
Чи можна заряджати банк одночасно від мережі і від сонячних панелей?
Технічно так, якщо обидва джерела працюють за узгодженим профілем і жодне з них не піднімає напругу вище допустимої. На практиці це задача для гібридного пристрою, який керує обома входами. Два незалежні зарядні пристрої на одному банку можуть заважати один одному: кожен бачить напругу, підняту сусідом, і достроково переходить у наступну стадію.
Джерела та нормативна база
- Методологія розрахунків «Пояснений»
- IEC 61056-1. General purpose lead-acid batteries (valve-regulated types). General requirements, functional characteristics
- IEC 62619. Secondary cells and batteries containing alkaline or other non-acid electrolytes. Safety requirements for large format lithium cells
- IEC 62620. Secondary lithium cells and batteries for use in industrial applications
Числові приклади на цій сторінці розраховані редакцією за відкритою методологією. Знайшли неточність? Повідомте про виправлення.