LiFePO4 аккумуляторы на яхте

Литий-железо-фосфатный аккумулятор (LiFePO4, LFP, лифер) — вид литий-ионного аккумулятора, в котором катодная масса состоит из литий-железо-фосфата LiFePO4).

Дайджест статей:

[1] LiFePO4 Batteries On Boats Автор Род Коллинз (Rod Collins) — сертифицированный ABYC специалист по морским электрическим системам.

[2] Electrical Design For a Marine Lithium Battery Bank Автор Эрик Бретшер (Eric Bretscher), Nordkyn Design.

Составитель Г.Шмерлинг

Включено дополнение с элементарными сведениями об электрических цепях.

Авторы предупреждают, что правильное проектирование, установка и эксплуатация судовой системы с LFP аккумуляторами требует хорошего понимания их особенностей и вообще электротехники. При слепом следовании каким-либо рекомендациям весьма вероятным результатом будет выход из строя дорогих аккумуляторов, а возможно, и другого оборудования.

Решив установить LFP аккумуляторы и провести необходимую модификацию электрической системы, вы действуете на свой страх и риск.

Это тем более справедливо для вторичного материала — данной статьи. Ее задача — не рекомендации, а пояснение особенностей LFP аккумуляторов, что поможет осознанно подойти к выбору конкретных технических решений.


Предварительные пояснения. Кто помнит закон Ома, может пропустить.

Варианты приобретения

Коллинз выделяет три возможности:

LFP аккумулятор как он есть

Безопасность

Любой аккумулятор потенциально опасен, так как неуправляемый выброс его запаса энергии (например, при механическом разрушении и замыкании пластин) способен привести к пожару, взрыву, разбрызгиванию кислоты или других едких и токсичных веществ.

Известна склонность литий-ионных аккумуляторов (полимерных, кобальтовых) к перегреву и воспламенению. Подобные инциденты происходили в авиации, а также с аккумуляторами телефонов и других гаджетов, что вынуждало производителей проводить массовый отзыв устройств. Погасить загоревшийся литиевый аккумулятор невозможно до полного выгорания, поскольку вода вызывает выделение водорода и усиление горения. Тушение должно быть направлено на изоляцию горящей батареи и предотвращение распространения огня.

LFP является не самым энергоемким, но зато наиболее безопасным типом литий-ионных аккумуляторов, даже более безопасным, чем традиционные свинцово-кислотные. По данным [1], ни один из многочисленных известных случаев выхода LFP из строя не сопровождался взрывом, воспламенением или опасным газовыделением.

Напряжение

Напряжение четырех соединенных последовательно LFP элементов составляет 13,2В, что соответствует полностью заряженной обычной свинцовой аккумуляторной батарее из 6 элементов. Поэтому LFP батареи можно использовать вместо свинцовых с любыми системами и потребителями на номинальное напряжение 12В.

Последовательное соединение 4 LFP элементов обозначают 4S. При необходимости увеличения емкости батареи элементы на каждом уровне последовательного соединения ставят параллельно, например по 2 штуки: 2P4S. Не стоит соединять параллельно полные батарейные сборки, например так: 4S2P. В таком случае полный контроль состояния батареи потребует контроля каждой из 8 ячеек, тогда как при соединении 2P4S надо контролировать только четыре блока 2P.

Стабильность

Характеристика заряда-разряда LFP аккумулятора по сравнению со свинцовым более плоская, с ярко выраженным спадом в начале (глубокий разряд) и ростом при перезаряде. Это означает стабильность рабочего напряжения сети 13,2В независимо от уровня заряда.

Емкость и срок службы

В рабочем цикле LFP батареи можно использовать 80% ее номинальной емкости, при этом срок службы составляет порядка 2000 циклов. Лучшие AGM свинцовые батареи в лабораторных условиях способны выдержать до 400 циклов такого глубокого разряда, но при реальной эксплуатации на судне дело обстоит гораздо хуже.

Обычно свинцовые батареи позволяют эффективно использовать не 80, а всего 30-35% своей номинальной емкости. При зарядке от генератора уровень заряда часто ограничен сверху 80-85%, так как далее заряд становится медленным и продолжение работы двигателя ради дозарядки батарей слишком невыгодно. С другой стороны, разряжать свинцовые батареи более чем на 50% нельзя, так как без немедленной подзарядки это приводит к их быстрому выходу из строя из-за сульфатации пластин. Реальное число циклов до выхода из строя свинцового аккумулятора может не достичь и 150.

Аккумуляторный банк LFP на 400Ач даст в ваше распоряжение рабочую емкость 320Ач. Чтобы получить столько же от свинцовых батарей, банк должен иметь номинальную емкость 900Ач. Весить такой аккумуляторный банк будет примерно в 4 раза больше литиевого.

КПД LFP аккумулятора близок к 100%, т.е. он способен отдать практически всю энергию, полученную при зарядке. Для свинцовых аккумуляторов этот показатель составляет от 70 до 90% (остальная энергия тратится на нагрев и на электролиз воды).

Еще о номинальной емкости

Прямое сравнение этого показателя свинцовых и LFP аккумуляторов не вполне корректно, так как они измеряются по-разному.

Для свинцовых аккумуляторов обычно используется 20-часовой тест 0,05С. Например, номинальная емкость 100Ач означает, что если аккумулятор разряжать током 5А, за 20 часов он отдаст 100Ач, разрядившись до 10,5В. Чем выше нагрузка (разрядный ток), тем меньше энергии способен отдать аккумулятор; при больших токах разница может быть в разы.

LFP батареи испытывают гораздо большим разрядным током, 0,5С или 0,3С, т.е. батарея емкостью 100Ач способна 2 часа отдавать ток 50А. Чтобы узнать реальную емкость вашего аккумуляторного банка, определите ее самостоятельно под нагрузкой, несколько большей, чем средняя для вашей яхты.

Хранение

Если свинцовые аккумуляторы во избежание сульфатации желательно заряжать полностью как можно чаще и хранить в полностью заряженном состоянии, LFP аккумуляторы не нуждаются в полной зарядке, напротив, для увеличения срока службы не следует добиваться 100% заряда; хранить батарею лучше при средних уровнях заряда.

Скорость зарядки

Имеющая низкое внутреннее сопротивление LFP батарея способна не только отдавать большой ток, но и принимать такой же зарядный ток: 0,3-0,5С. В результате LFP аккумулятор можно зарядить гораздо быстрее, чем свинцовый, имеющий в конце процесса зарядки медленную абсорбционную стадию. При относительно маломощном источнике тока (солнечные панели или ветрогенератор) LFP батарея будет заряжена полностью без проявления ограничения тока зарядки. Способность принимать большой зарядный ток имеет и отрицательную сторону: батарея легко может быть перезаряжена и выведена из строя.

Основные причины выхода LFP из строя

  1. Перезаряд, при котором происходит необратимый переход катодной массы в оксид лития. Типичные ситуации, когда батарея может быть перезаряжена:
  2. Глубокий разряд, обычно при отсутствии ли неисправности BMS, обеспечивающей отключение при низком напряжении.

BMS — последняя линия обороны

BMS (Battery Management System, система управления батареей) разрывает цепь как в случае глубокого разряда (слишком низкое напряжение), так и в случае перезаряда (превышение HVC, high voltage cut - напряжения отсечки).

В зависимости от конкретной марки и вида батареи HVС составляет 14,2-14,4В. Хорошие системы позволяют настроить напряжение отключения.

При самостоятельном выборе BMS будьте внимательны: такая же аббревиатура используется для систем мониторинга, которые сигнализируют о необходимости вмешательства в работу батареи, но не отключают ее автоматически.

BMS может совмещать эти функции, выдавая перед отключением дополнительный сигнал. Именно такая система с двумя сигналами необходима для построения двухшинной электросистемы только на LFP батареях, при этом оба сигнала используются как управляющие (см. ниже).

BMS должна контролировать напряжение на каждой из ячеек батареи, а не суммарное, только при этом будет обеспечена защита всех ячеек в случае разбалансировки.

Само отключение мощной батареи осуществляет реле, которым управляет BMS. При установке реле на генератор следует отключать цепь питания регулятора напряжения, а не разрывать цепь нагрузки.

Важно отметить, что BMS является страховочной системой и не предназначена для использования в качестве регулятора заряда! Зарядное устройство всегда должно обеспечивать правильный режим работы с напряжением ниже HVC. BMS должна сработать только в аварийном случае, например, при обрыве цепи контроля напряжения или сбое программы управления зарядного устройства.

Иногда BMS снабжают функцией автоматической балансировки: при достижении одной из ячеек батареи повышенного напряжения часть тока отводится от нее или рассеивается в тепло на резисторе. Такая система может быть эффективна лишь при небольших зарядных токах, полагаться на нее не следует. Если возможна настройка BMS, лучше установить такой уровень HVC, чтобы автоматическое шунтирование выпадающей ячейки вообще не происходило. Подобно десульфатации свинцовых батарей, балансировка LFP — операция, требующая внимания и контроля.

Подбор и балансировка ячеек

При последовательном соединении ячеек уровень их заряда должен быть одинаковым, в противном случае отличающаяся от своих соседей ячейка окажется или полностью разряжена, или перезаряжена, несмотря на то, что общее напряжение батареи при этом еще не достигло критического уровня. По этой причине важно иметь возможность контролировать напряжение отдельных ячеек, что особенно важно при больших токах, когда буквально одна лишняя минута зарядки может привести к перезаряду и порче ячейки, имевшей в начале повышенный остаточный заряд.

Для последовательного соединения должны быть подобраны ячейки с как можно более близкой емкостью. В противном случае во избежание разбалансировки остается только обеспечить работу батареи на плоском участке разрядной характеристики любой из ячеек, до начала перегибов, т.е. понизить рабочую емкость батареи.

Подбор ячеек может быть сделан, или, увы, не сделан предприятием-изготовителем. Коллинз отмечает, что в 2009 г. подбор ячеек делался качественно, но с тех пор стал заметно хуже. Если при тестировании ячеек обнаруживается существенное различие, настоятельно рекомендуется потребовать обмена ячейки, выпадающей по емкости.

Начальная балансировка

Эта процедура очень важна для обеспечения долгой работы LFP батареи. Теоретически, работа BMS должна предохранить от выхода из строя и разбалансированную батарею, однако до этого лучше не доводить. Балансировка может быть сделана двумя методами:

- по полному разряду (низкому напряжению, bottom balance): все ячейки батареи полностью разрядятся одновременно.

- по полному заряду (высокому напряжению, top balance): все ячейки батареи зарядятся до 100% одновременно.

Можно использовать любой метод.

Балансировка по разряду

Этот метод обычно применяют для батарей электротранспорта, поскольку он соответствует режиму их эксплуатации: часто возможна сильная разрядка батареи, а зарядка производится только от сети определенным зарядным устройством.


Рис. 1 (Nordkyn Design). Ячейки с отличающейся емкостью, сбалансированные по разряду: при глубоком разряде все будут разряжены одинаково. В процессе зарядки имеющая наименьшую емкость ячейка 2 может быть повреждена перезарядом.

Методика:

  1. Разрядить ячейки током 20-30А до напряжения 2,50В.
  2. Выдержать 24 часа при комнатной температуре, при этом напряжение восстановится до 2,75-2,85В.
  3. Разрядить ячейки до напряжения 2,65В.
  4. Выдержать 6 часов. Если напряжение выше 2,75В, снова разрядить ячейку до 2,65В и повторить выдержку. По мере приближения к заданному напряжению 2,75В уменьшайте нагрузку при разрядке (можно использовать резистор).
  5. При стабилизации напряжения всех ячеек на уровне 2,75В балансировка завершена.

Балансировка по заряду

Этот метод ближе к условиям эксплуатации сервисной батареи на лодке: ее стараются поддерживать в более или менее заряженном состоянии, причем используя для этого различные источники тока со своими регуляторами и контроллерами: береговую сеть, генератор на двигателе, солнечные панели и пр. Поэтому здесь более высок риск перезарядки батареи.


Рис. 2 (Nordkyn Design). Ячейки с отличающейся емкостью, сбалансированные по заряду: при зарядке все ячейки одновременно достигают полного заряда. При разрядке имеющая наименьшую емкость ячейка 2 окажется разряжена первой и может быть повреждена полным разрядом. Более темным синим цветом справа показана эффективная емкость ячеек, которую можно использовать без риска повредить батарею.

Если вы будете использовать этот способ, предусмотрите в своей батарее перемычки, позволяющие поменять последовательное соединение ячеек на параллельное. При измерениях напряжения никогда не руководствуйтесь показаниями вольтметра зарядного устройства, измеряйте напряжение цифровым мультиметром непосредственно на клеммах ячейки. Методика:

  1. Разъедините ячейки и зарядите каждую из них до напряжения 3,65В. Если в инструкции к вашим аккумуляторам указано более низкое напряжение, например, 3,55В - не превышайте его. Если указано более высокое, например, для Winston 3,80В, тем не менее надежнее ограничиться зарядкой до 3,65В. Этого вполне достаточно для балансировки.
  2. Соедините предварительно заряженные ячейки параллельно и проверьте их температуру: не наблюдается ли разогрев какой-либо ячейки. Если все в порядке, оставьте ячейки соединенными на длительное время — несколько дней, а лучше 2-3 недели. Емкость LFP ячеек велика, а разница напряжений и ток между ними будут очень малы, поэтому для выравнивания нужно большое время. При этом ячейки должны находиться при одинаковой комнатной температуре.

Подробнее о зарядке LFP

Внимание, опасность!

С точки зрения системы в целом серьезный недостаток LFP батарей по сравнению со свинцовыми заключается в том, что при перезаряде BMC отключает батарею. Во время зарядки результатом будет авария генератора (сгорят диоды выпрямительного моста), возможна порча и другого зарядного оборудования, не рассчитанного на работу на холостом ходу без нагрузки.

Кроме этого, если к системе подключена и солнечная панель, без нагрузки она может выдать в сеть напряжение 21-22В, способное вывести из строя какие-то электроприборы.

Чтобы устранить эту опасность, схема зарядки должна быть устроена специальным образом, либо с дополнтельной свинцовой батареей, либо с двухсигнальной BMC и отдельными шинами зарядки и распределения. Эти схемы мы рассмотрим ниже.

Только в тепле

LFP аккумуляторы способны принимать заряд только при температуре выше нуля. Зарядка при отрицательных температурах выводит их из строя. Kомпания Winston заявила, что аккумуляторы ее производства с добавкой иттрия можно заряжать при отрицательных температурах, но подтверждений при независимых испытаниях или от научных организаций пока не имеется.

Наследие свинца

Типичные зарядные устройства при повышении напряжения до некоторого уровня переходят из режима постоянного зарядного тока (основная стадия) в режим постоянного напряжения (абсорбционная стадия) с уменьшающимся током.

Для зарядки LFP это напряжение перехода не должно превышать 14,2В (3,55В на ячейку), еще безопаснее ограничиться напряжением 14В (3,5В на ячейку). В судовой системе нет никакой необходимости использовать быстрый заряд большим током при напряжении выше 14В.

Без нагрузки через несколько часов после прекращения зарядки напряжение полностью заряженной батареи установится на уровне 13,2В (3,40В на ячейку).

В режиме заряда гелевых свинцовых батарей, когда на абсорбционную стадию заряда отводится 4 часа при постоянном напряжении 14,1В быстро принимающая заряд LFP батарея будет перезаряжена и выведена из строя еще до того, как напряжение достигнет 14,1В.

По привычке работы со свинцовыми батареями многие считают пониженное напряжение зарядки 13,6В совершенно безопасным, но и это не так. За достаточное время полный заряд LFP достигается уже при этом напряжении (3,4В на ячейку). Устройство для зарядки свинцовых батарей, настроенное на такое напряжение поддерживающего заряда, может вывести из строя LFP батарею.

Не верьте инструкции!

Большинство выпускаемых разными компаниями зарядных устройств, контроллеров солнечных панелей и регуляторов для генераторов имеют довольно простую логику управления и непригодны для зарядки LFP батарей. Тем не менее производители, не имеющие ни научной базы, ни практического опыта работы с LFP, заявляют о наличии в своих изделиях режима зарядки "для лития".

Подобные зарядные устройства способны сразу вывести из строя дорогостоящие LFP батареи. Например, режим зарядки "литий" устройств ProMariner и Sterling Power подходит только для свинцовых батарей: они выдают 14,6В на абсорбционной стадии и затем неограниченно длительно 14,4В поддерживающего заряда.

В типичных зарядных устройствах для свинцовых батарей длительность абсорбционной стадии зарядки с постоянным напряжением прямо пропорциональна длительности основной стадии. Чем больше емкость батареи и время основного заряда, тем дольше идет и абсорбционный.

Не верьте на слово руководствам к зарядным устройствам китайского производства! Если китайская компания утверждает, что ее зарядное устройство безопасно зарядит LFP при напряжении 14,4-14,6В, вы можете подумать, что после достижения полного заряда ток автоматически тут же будет отключен.

На самом деле батарея будет оставлена под напряжением 14,6В еще на ЧЕТЫРЕ ЧАСА, как свинцовая, требующая абсорбционной дозарядки.

В [1] упомянут случай, когда зарядкой при таком напряжении была испорчена система Mastervolt стоимостью 10000$ c ячейками Winston/Thundersky отнюдь не китайского происхождения.

Рекомендуется провести самостоятельное исследование работы своего зарядного устройства, чтобы быть уверенным в его характеристиках и логике работы. Если вы не имеете квалификации инженера-электрика, во всяком случае безопаснее будет ограничить напряжение зарядки на уровне 13,8-14В, что несколько замедлит ее скорость.

Не специализированные зарядные устройства также пригодны для зарядки LFP, но только не в режиме Lithium, а в настраиваемом режиме Custom с установкой пониженного напряжения и при условии отключения зарядки вручную. Для программируемых зарядных устройств следует отключить как абсорбционную стадию зарядки (установив для нее нулевую длительность), так и поддерживающий заряд.

Поддерживающий заряд не нужен

LFP аккумуляторы не нуждаются в поддерживающем заряде малым током, который проводят зарядные устройства для свинцовых аккумуляторов. После достижения полного заряда ток должен быть отключен. Бытует мнение, что поддерживающий заряд при напряжении 13,4В (3,35В на ячейку) не вредит LFP аккумуляторам.

Если это и так, смысла в нем нет: в отличие от свинцовых батарей, оптимальный для долгой службы уровень заряда LFP (в т.ч. при хранении) составляет 40-60%. Постоянное поддержание заряда на уровне 95-100% приводит к потере емкости аккумуляторов примерно на 10% за год.

Зарядка от генератора

При выборе генератора учтите, что LFP батарея создает значительно большую нагрузку на генератор, чем свинцовая. Все время заряда генератор должен будет отдавать максимальный рабочий ток, поскольку LFP батарея с ее малым внутренним сопротивлением и плоской зарядной характеристикой не вызовет ограничение тока и переход к режиму зарядки при постоянном напряжении. Проработав больше трех часов с полной нагрузкой в жаре моторного отсека, большинство генераторов выйдет из строя — как минимум, тут нужно принудительное охлаждение диодов отдельным вентилятором.

Рекомендуется использовать генераторы, имеющие запас мощности и рассчитанные на длительную работу при большой нагрузе. Выдерживать такой режим должна вся система, в частности, и ременная передача.

Некоторые генераторы имеют термокомпенсацию, автоматически понижающую ток и напряжение при перегреве генератора. Звучит неплохо, но при срабатывании термокомпнсации напряжение может упасть ниже уровня, необходимого для зарядки батареи.

Настройка регулятора напряжения

Установите напряжения основного (BULK), абсорбцонного (ABSORB) и поддерживающего (FLOAT) заряда так, чтобы заряжать LFP батарею. Для поддерживающего заряда выберите минимальное значение. чтобы зарядка была фактически вообще отключена.

Совет.

Для регуляторов Balmer войдите в меню настройки custom programming и установите напряжения сначала FLOAT, затем ABSORB и последним BULK. Напряжение ABSORB должно быть больше BULK хотя бы на 0,1В, задать равные напряжения этих стадий регулятор не даст. Коллинз использует следующие значения: BULK = 13.8В, ABSORB = 13.9В, FLOAT/OFF = 13.2В

Используте выделенную цепь контроля напряжения непосрдственно на клеммах батареи, это очень важно.

Ограничение тока. Ни один малогабаритный генератор не выдержит долгой работы с полной нагрузкой при зарядке LFP батареи. В регуляторах Balmer соответствующая настройка раньше так и называлась — AMP MANAGER, но затем ее почему-то переименовали в BELT LOAD MANAGER. Регулировка осуществляется изменением тока в обмотке возбуждения, настройка доступна через меню. Обычно можно установить Belt Manager level 3 или 4.

Наконец, если генератор имеет термокомпесацию, она будет дополнительной страховкой, не позволяющй ему сгореть.

Обороты, жара и ограничение тока

Запуская двигатель на стоянке для зарядки батарей, многие предпочитают не давать ему нормальные обороты. Современные генераторы позволяют и на малых оборотах снимать достаточную мощность, а ваш экипаж и соседи по якорной стоянке будут рады уменьшению шума.

Беда в том, что на малых оборотах медленно вращаются и лопасти вентилятора, охлаждающего генератор! Многие новые малогабаритные генераторы работают на повышенных оборотах (17-19 тыс. об/мин), и для них угроза перегрева не возникнет, но такие генераторы стоят далеко не у всех.

Испытание системы зарядки

Правильно настроить регулятор еще недостаточно для того, чтобы система зарядки не подвела в плавании. Генераторы имеют разные характеристики работы в зависимости от тока возбуждения, поэтому для обеспечения надежной работы система требует общего испытания. Для него потребуется следующее оборудование:

  1. Инвертор мощностью не мене 2 кВт.
  2. Мощный электроприбор на 220В, дающий резистивную нагрузку (электроплитка, фен, нагреватель и т.п.). Потребление энергии нагрузкой должно быть больше, чем отдает генератор при малых оборотах двигателя.
  3. Дистанционный датчик температуры.

Испытание проводится так:

  1. Плотно закрепите датчик на корпусе генератора и закройте моторный отсек.
  2. Заведите двигатель, подключите инвертор и нагрузку и по меньшей мере на полчаса отправляйтесь в плавание под мотором со своей обычной крейсерской скоростью.
  3. Вернувшись к своему причалу или бую, оставьте двигатель работать на малых оборотах (нагрузка по-прежнему подключена!).
  4. Во время этих маневров следите за температурой генератора: она не должна подниматься выше 105°С.
  5. Если это произошло, установите в настройках регулятора Belt Manager на уровень 1 и повторите нагрузочные испытания.
  6. Если генератор все еще сильно греется, увеличьте уровень Belt Manager еще на 1. Повторяя процедуру, определите уровень, при котором генератор не будет перегреваться, несмотря на высокую нагрузку. Для большинства генераторов это будет уровень 3 или 4.

Зарядка от сети

Все соображения те же, что для генераторов. Наибольшую мощность зарядки можно получить от комбинированных инверторов/зарядных устройств (combi/s) отдельные зарядные устройства обычно менее мощные.

Как правило, у зарядных устройств предусмотрено снижение тока в случае перегрева, который может произойти заметно раньше, чем будет достигнута номинальная мощность устройства.

Пробему представляет отсутствие у большинства зарядных устройств (в т.ч. таких известных фирм как Mastervolt, Magnum и Xantrex) возможности использовать выделенную цепь контроля напряжения на батарее. Эту функцию имеют только зарядки Victron (а также Outback, но последние требуют оснащения блоком FLEXNET DC & MATE Remote Control).

Когда выделенной цепи контроля напряжения нет, на процесс начинает сильно влиять существенное при больших токах падение напряжения в цепи зарядки. При правиьно установленных напряжениях стадий ограничение тока произойдет слишком рано и зарядка станет медленной.

Судовая электросистема в целом

Мы рассмотрели свойства LFP батарей и особенности процесса их зарядки. С точки зрения потребителей электроэнергии никакой разницы между свинцовыми и LFP батареями нет и никаких переделок не требуется, так как их рабочий диапазон напряжния находится внутри диапазона напряений свинцовых батарей от 11,5В (батарея почти совсем разряжена) до 14,4В (при завершении процесса зарядки).

(Отметим, что при десульфатации свинцовых батарей напряжение поднимается до 16В, и при этом лучше уже не пользоваться многими устройствами — например, не включать лампы накаливания любых видов.)

Проблема с LFP в том, что при чрезмерной зарядке (в результате неисправности регулятора, разбалансироки и по любой другой причине), а также глубоком разряде батарея будет во избежание выхода из строя отключена системой ВМS.

Отключение при зарядке повлечет за собой выход из строя генератора (пробой диодов выпрямительного моста) а также многих видов контроллеров солнечных панелей и ветрогенераторов, не рассчитанных на работу без нагрузки. Кроме того, навигационные приборы, огни и прочее оборудование окажутся при этом обесточены, что может привести к аварийной ситуации.

Во избежание столь серьезных неприятностей электрическую систему следует построена по одному из следующих вариантов.

Литий плюс свинец

Поставьте параллельно LFP батарее небольшую свинцовую. Не нужно использовать дорогие гелевые или AGM аккумуляторы, подойдет герметичный жидкостный небольшой емкости.


Рис. 3. (Nordkyn Design)

Эта батарея должна быть в нормальном рабочем состоянии и не иметь значительного саморазряда и тока утечки, которые будут уменьшать заряд основной LFP батареи.

Если ВМS прервет цепь заряда LFP батареи при превышении допустимого напряжения, нагрузкой работающего зарядого устройства послужит свинцовая. При отключении полностью разряженной LFP батареи свинцовая будет иметь практически полный заряд и на некоторое время обеспечит питание хотя бы критически важных приборов.

В этой схеме можно использовать простое устройство ВМS, сразу отключающее батарею; такие ВМS обычно используют для электротранспорта.

Важно подключить провод контроля напряжения (управления работой зарядного устройства) после реле, размыкающего цепь по сигналу BMS т.е. к клеммам не LFP, а свинцовой батареи. В противном случае при отключении зарядное устройство обнаружит отсутствие напряжения и будет интенсивно заряжать "пропавшую" LFP батарею, на самом деле перезаряжая и выводя и строя заодно и свинцовую.

Разумеется, все используемые для зарядки устройства должны быть настроены для зарядки LFP!

Литий плюс свинцовая стартерная батарея

Очень часто в судовой системе используют две батареи: стартерную для запуска двигателя и сервисную с аккумуляторами глубокого разряда большой емкости для всех остальных нужд. Это хорошая практика.

Заменяя сервисную батарею на LFP, стартерную можно оставить прежнюю, свинцовую — а заодно использовать ее для шунтирования литиевой во время зарядки последней. Схема соединений при этом будет следующей:


Рис. 4. (Nordkyn Design)

По сравнению с первым вариантом здесь есть две особенности.

Недостатки этой схемы:

Cтартерная батарея продолжит заряжаться, что предохранит генератор от выхода из строя, и будет готова к запуску двигателя.

Коммутация плюсовых шин


Рис. 5. (Nordkyn Design) Схема с раздельными шинами.

В отличие от предыдущих вариантов, эта схема позволяет обойтись без свинцовых батарей, но требует установки двух плюсовых шин, разделительных реле и продвинутой системы BMS. BMS должна, во-первых, давать разные сигналы отключения при критически низком и критически высоком напряжении и, во вторых, перед отключением при высоком напряении выдавать предупреджающий сигнал, который будет использоваться для выключения генератора и других зарядных устройств.

Сигналы BMS используются для управления реле, подключающими к батарее две плюсовые шины: шину зарядных устройств и шину потребителей.

По сигналу отключения при низком напряжении от батареи отключается шина потребителей; шина зарядки остается подключенной. Таким образом, запустив зарядное устройство (или подождав, пока солнечные панели или ветрогенератор немного подзарядят батарею), можно восстановить нормальную работу системы.

Сигнал предупреждения об отключении при высоком напряжении должен использоваться для отключения источника зарядки (обесточивание обмотки возбуждения генератора, отключение зарядных устройств и контоллеров, для которых опасна работа без нагрузки). Следующий за ним с задержкой хотя бы в долю секунды сигнал отключения подается на реле, отключающее от батареи шину зарядки; шина потребителей остается подключенной к батарее, судно не будет обесточено. Подключив ту или иную нагрузку, можно израсходовать избыточный заряд.