Sestavení LiFePO4 akumulátoru a iniciační nabíjení

[Seriál článků o konstrukci malého fotovoltaického systému v bytě]

Pozor! Při práci s akumulátory dbejte zvýšené opatrnosti! Za žádných okolností nezkratujte svorky akumulátoru. Výstupní napětí 12V je sice bezpečné, ale proudy při zkratování svorek jsou obrovské, hrozí riziko požáru nebo popálenin. Vždy si přečtěte všechny instrukce před použitím. Používejte ochranné pomůcky. Za případné újmy nebere autor žádnou zodpovědnost. Vše děláte jen na vlastní nebezpečí. Pokud nevíte, co přesně děláte, raději se obraťte na odborníka.

V minulém článku jsem se rozhodl pro používání LiFeYPO4 akumulátorů. Pro můj malý solární systém bude stačit akumulátor o kapacitě 40Ah.

V nabídce prodejce i4wifi se sice nabízí přímo hotový 12V akumulátor LiFePO Battery 12V/40Ah, ale ten uvnitř obsahuje 4 samostatné články v serii, které se dají koupit zvlášť. Vnější obal se nedá otevřít a pro přístup k článkům by se musel obal poničit.

LiFeYPO4 12V 40Ah pack (zdroj i4wifi.cz)

Pro lepší kontrolu nad celým akumulátorem je proto vhodné pořídit samostatné články. Pro balancing je to dokonce nutnost, ale o tom později.
Zakoupil jsem tedy 4 samostatné články GWL/Power:  WB-LYP40AHA LiFeYPO4 (3.2V/40Ah).

4 nové články LiFePo4 (každý 3.2V / 40Ah)

nové články LiFePo4 (každý 3.2V / 40Ah) a měděné propojky

Všechny 4 články přišly od i4wifi se shodným napětím 3.31V.

K sestavení do 12V packu je nutné zakoupit i měděné konektorové propojky pro příslušnou velikost článků. Balíček s propojkami obsahuje 4x měděnou propojku a 8x sadu šroubu a podložek:

Měděné propojky LiFePo článků - propojka, šroub, podložka a druhá rozpěrná podložka

 Jak se chovat k LiFePo aneb není akumulátor jako akumulátor

LiFePO4 nebo LiFeYPO4 (s příměsí prvku yttrium) jsou speciální napájecí články a neodborným použitím může dojít k nevratnému poškození článku. Proto je nutné o nich něco vědět.

Základní fakta:

Při používání článku je nutné za všech okolností dodržet tyto hranice. Při překročení napětí 4.25V dochází k poškozování baterie a ke ztrátě záruky. Při hlubokém vybíjení pod 2.5V dochází opět k poškozování baterie a k trvalým změnám uvnitř článku.

Bezpečnost

Velkou výhodou je bezpečnost LiFePo článků. I při hodně hrubém přebíjení nehrozí nebezpečí výbuchu nebo jiné vylomeniny. Článek se může nafouknout a ohřát, ale není nebezpečný. Nesmí se samozřejmě dále používat.

článek LiFePO4 zničený a nafouknutý přebíjením - zdroj Flickr

Iniciační nabíjení LiFeYPO4

Jeden z rozdílů oproti olověným akumulátorům. Nové baterie LFP/LFYP jsou z sice výroby částečně nabity, ale před prvním použitím LiFeYPO4 článku je bezpodmínečně nutné provést iniciační (počáteční) nabíjení. Říkám tomu oživení.

Toto prvotní nabíjení by mělo být provedeno proudem maximálně 0.5C, a to na napěťovou úroveň maximálně 4V na článek.
Velikost nabíjecího a vybíjecího proudu se často označuje pomocí násobku kapacity baterie – písmenem C (jednotkou je 1/h). Pro článek o kapacitě 40Ah je parametr C = 40A. Polovina C a tedy maximální nabíjecí proud je prozatím 20A.
Ideální nabíjecí proud je menší, z mých informací by to mělo být cca 0.1C, v mém případě tedy 4A. Toto samozřejmě platí pouze pro iniciační nabíjení!

Jak provést iniciační nabíjení článku LiFeYPO4

Iniciační nabíjení by se mělo provádět po jednotlivých článcích, ale je možné nabíjet  paralelně více článků (za předpokladu, že máte dostatečný zdroj proudu).
Pamatujte na to, že u paralelního zapojení je napětí stejné, ale proud se dělí mezi všechny články. Pro nabíjení 4 článků po 4A je nutný zdroj min 16A.

Iniciační nabíjení je možné provádět jakýmkoli zdrojem proudu, ale nejlepší je použít inteligentní nabíječku.
Pro svoje články jsem si zapůjčil (a později i zakoupil) nabíječku Turnigy Accucel-6 50W 6A.
Jedná se o modelářskou nabíječku, která podporuje LiPo/LiFe akumulátory až do 6 článků v serii, NiMH/NiCd až do 15 článků v serii a olověné akumulátory v rozmezí 2-20V.

Nabíječka je inteligetní, hlídá úrovně napětí pomocí mikroprocesoru, umožňuje nastavení nabíjecího proudu 0-6A, umí články i vybíjet a balancovat. Má specifické nabíjecí programy. Sečteno, podtrženo, moc šikovná věcička za 23 dolarů z HobbyKingu.

Turnigy Accucel 6

Na nabíječce jsem nastavil typ aku na LiFe (tím se automaticky zvolí i cílové napětí 3.6V), nabíjecí proud 4A. Žádný balancer není prozatím potřeba, protože se o to postará Turnigy nabíječka. (respektive připojení toho balaneceru by bylo kontraproduktivní, protože by při 3.6V už začal hnát proud do těch balančních odporů).
Počet článků se nastaví na jeden, tedy 1S. Provádím iniciační nabítí po jednom článku.

Někde se uvádí, že plné nabití se provádí až do 4V na článek, ale to není rozhodující. Důležité je vědět, jaký algoritmus se pro LiFePo používá.
Jedná se o nabíjení stylem constant-current / constant-voltage.

Nejprve se konstantním proudem postupně zvedá napětí až do zvolené hranice, což může být 3.6, 3.8 nebo klidně 4V a poté co se dosahne této hodnoty se postupně pomalu začne snižovat nabíjecí proud tak, aby článek udržoval tu danou hodnotu napětí. Proud se snižuje tak dlouho, dokud ho článek absorbuje a zůstává na cílovém napětí. Takže plného dobití dosahnete naprosto korektně i při 3.6V.

LiFeYPO4 článek připraven pro iniciační nabíjení pomocí nabíječky Turnigy Accucel-6

Nabíjení jednoho článku trvalo cca 246min a do článku se uložilo 15680mAh. Nominální kapacita je 40Ah, tedy z výroby byly nabité na cca 25Ah, což je +-60%.
Poznámka: skutečná kapacita článků může být vyšší než uvádí prodejce, to je jedna z příjemných skutečností Dokonce se kapacita může po několika cyklech mírně zvětšit.

Konec iniciačního nabíjení - detail nabíječky Turnigy Accucel-6

Co mě překvapilo je, že po odpojení nabíjení napětí nezůstává na cílové hodnotě. Po pár hodinách se ustálí hodnota napětí článku zpátky na nominální hodnotě 3.3 – 3.4V.

Zde je průběh napětí na LFP článku číslo 3 při nabíjení. Data zachycoval logger CellLog 8S o kterém bude jeden z dalších článků.

nabíjení článku LiFeYPO (3.2V/40Ah) pomocí Turnigy Accucel - program LiFe / proud 5A

Po zapnutí nabíječky se provádí nabíjení v režimu constant-current, tedy zvoleným proudem v plné výši (4A). Jak je vidět, po dosažení napětí 3.6V se už napětí dál nezvyšuje a nabíječka přistoupí do fáze constant-voltage a udržuje toto napětí (s malými odchylkami – zuby), přičemž proud začne pomalu omezovat až do nuly, kde se nabíjení ukončí. Nabíječka začne pípat a ukáže nápis FULL.

Toto nabíjení jsem opakoval pro zbývající 3 články.Po dokončení nabíjení bylo jejich napětí shodné na setinu voltu – to je nezbytný předpoklad pro sestavení článků do packu.
Teď můžu složit celý 12V pack.

Schematické znázornění - články v serii vytvoří 12V akumulátor

Propojení článků zařídí měděné propojky. Je dobré články postavit na nějakou společnou pevnou podložku, aby se s packem dalo manipulovat.

Zbývá dořešit balancing, což je taková specialita. O tom už ale příště.