Сборка литиевого LiFePo4 12В аккумулятора на 340 ah

Lifepo4 сборка: подготовительный этап

Прежде, чем приступать к покупке и сборке lifepo4 аккумулятора, не мешало бы прикинуть, а какой запас емкости энергии вам нужен? Конечно, принцип «чем больше, тем лучше» здесь актуален, но стоит понимать, что важный аспект, который нужно учитывать караванеру — вес груза. Так что, планируя модернизацию электрики 220В, надо смоделировать и просчитать свое энергопотребление.

Электрическая жизнь на бумаге (один день)

• Зарядка телефонов X 2 шт 20Вт — 3 часа = 120 Вт
• Зарядка ноутбука — 80 Вт — 4 часа = 320 Вт
• Холодильник 220 В, 106квт/год = 35 А/сутки
• Инвертор 2500 Вт (холостой ход 0.65А/час) — 24 часа = 15.6 А
• Бойлер 220В на 1500 Вт нагрев до 45 °C — 21 минута = 315 Вт
• Освещение — 10Вт — 3 часа = 30 Вт
• Помпа душа, туалета — 80 Вт — 2 часа = 160 Вт
• Индукционная плита 1000 ВТ 1 час — 1000 Вт

Итого: (120+320+315+30+160+1000)/12+35+15,6 = 199,35 A/сутки, можно грубо округлить до 250А/сутки

В вопросе сборки lifepo4 аккумулятора, мы подошли по принципу умного сельского хозяйства: лучше продумать некоторые моменты заранее, где-то быть излишне дотошным, немного переплатить, в разумных количествах, чем потом что-о колхозить, доделывать, либо думать, как с этим теперь жить.

Конечно, стоит понимать, что на этапе планирования вы всегда можете что-то не учесть, например принудительную вентиляцию, раздувку тепла по салону или еще что-то, но какой-то ориентир должен быть.

Мы остановились на 12В сети, тк с таким напряжением проще работать: есть готовые приборы, чтобы потом не мудрить всякие преобразователи, повышайки/понижайки.

Подборка основных комплектующих для lifepo4 12 В

Все комплектующие подбирали и закупали самостоятельно, на их родине, где расположены практически все производства: Китай. Основные агрегаторы сборки лития — ячейки, плата BMS.

Ячейки 340 A

Если с ячейками литиевого АКБ было проще: покупай любой бренд, тестируй качество (полный заряд/разряд — реальная емкость и токовые нагрузки разряда и заряда), то с платой управления BMS пришлось покумекать.

BMS плата для 12В АКБ

Остановились на производителе JK BMS, только ввиду наличия четкой детальной настройки напряжений на ячейках, до какого заряжать, разряжать, контроль температур и т.д. Заводские параметры других производителей крайне настораживали, эксплуатация lifepo4 аккумулятора в предложенных ими диапазонах быстр бы убила ячейки.

Учитывая, что инвертор на 2500 Вт, берем BMS, которая может переваривать такой ток 2500/12 = 208 А, чтобы иметь запас и прочность, взяли на 300 А.

Пассивные балансиры на каждую ячейку

Активный балансир в BMS — хорошо, но пассивные балансиры на каждую ячейку — необходимость. Активный балансир в плате BMS забирает с одной ячейки и отдает другой ячейке емкость. Он хорошо балансирует ячейки, чтобы в моменте потребления и заряда у нас все ячейки были одинаковыми.

А вот пассивные балансиры не дают выйти ячейкам за максимальный предел в 3.65В/ ячейка. Если ячейки новые и изначально отбалансированы и хорошего качества, то на финальной стадии зарядки, когда mppt контроллер или зарядное сетевое дает небольшой ток, справляются с балансировкой без проблем. У нас балансиры 1.6А+1.6А на каждом гасят.

Все остальные компоненты: провода, наконечники, изоляторы, шины — покупалось по месту, в РБ.

Покупка ячеек LiFePO4 на 340 А

LiFePo4 купить достойного качества, с реальными показателями по адекватной стоимости в Беларуси оказалось проблемно. Хорошо, прошлый опыт и возможности, позволили нам совершенно легко отобрать достойные варианты фабрик по литию в Китае, на территории КНР все лично протестировать, отбраковать и привезти качественные компоненты в РБ.

Сборка аккумулятора lifepo4

Важные тонкости

В данном материале не будем рассматривать подключение сборки литиевого аккумулятора проводами: что куда подключать, чем обжимать и тд, тк материала в интернете много — в формате текста это не удобно. Рассмотрим важные моменты и особенности сборки, которые многие не учитывают.

• На ячейках лития выводы из алюминия, соединения делаем через медь, весь крепеж из нержавеющей стали. Есть такое понятие «гальваническая совместимость». Медь и нержавеющая сталь имеют относительно близкие электрохимические потенциалы, что снижает риск гальванической коррозии при их контакте. Это важно для предотвращения разрушения материалов в месте соединения. Крепеж выполняет функцию исключительно крепежа: создание плотного контакта медной шины с площадкой наконечника, либо платы BMS. Не рассматриваем крепеж, как проводник. Все соединения только через шайбы + шайба гровер, чтобы ничего не раскрутилось.
• Медные шины, идущие в комплекте с ячейками меняем на медную шину твердую, подбирая по токов нагрузкам + запас на нагрев. Мы остановили на 4*40 мм шине.

• Нельзя экономить на силовых проводах. Сечение провода — расчетная величина, выбирайте все исключительно по таблицам, с запасом в большую сторону. Мы остановили на сечении в 120 мм2, тк наш инвертор способен работать с длительной нагрузкой в 2500 Вт, те 208 А, а 120 мм2 медная жила без напрягов переваривает 300А, те не будет излишне перегреваться, плюс есть неплохой запас мощности, мало ли потом поставим инвертор на 3500 Вт. Кабель использовали Кг тп-хл 1*120мм, обжимали наконечниками ТМЛ 120 мм под винты 8 мм и 10 мм (10 мм винт на разрывателе массы, а 8 мм — на инверторе.)
• Все, что можно изолировать — нужно изолировать хорошей клеевой толстой термоусадкой.
• Лучше перебздеть, чем НЕДО. При отсутствии навыков или непонимании электричества, обратитесь за сборкой к специалистам. Температура горения лития более 1000 °C

Алгоритм работы lifepo 4 АКБ и разработка конструкции корпуса

Эксплуатационные особенности ячеек лития накладывают некоторые нюансы в процессе разработки конструкции корпуса для lifepo4 АКБ.

Ячейки лития можно заряжать только в температурном диапазоне в (+10 °C) — (+ 40 °C). Если температура лития внутри ячейки поднимается выше или опускается ниже зарядку АКБ стоит прекратить, чтобы избежать деградации. Ввиду этого, гам необходимо две технологии:

• подогрев ячеек в холодный период
• охлаждение ячеек в жаркий период

Подогрев ячеек аккумулятора lifepo4

Изучая данный вопрос, мы пришли к выводу, что нам удобнее, проще и безопаснее организовать подгорев ячеек лития саморегулирующим кабелем 220в с характеристикой 30Вт/м.

• Саморегулирующий кабель не нагревается выше 65 °C, те уже не нужно его контролировать на предмет перегрева. Сам бронированный, экранированный, выдерживает температуру в 85°C.
• Достаточная немаленькая мощность для того, чтобы нагреть ячейки до нужной температуры за адекватное время
• Аналогичных решений на 12В, к сожалению, нами не было выявлено

Тепло идет снизу вверх, поэтому кабель уложили в отрез на дно ящика, изолировав изнутри днище, чтобы тепло не уходило в никуда.

Наша BMS имеет функцию подогрева, она замыкает минусовой провод, который соединен с твердотельным реле, которое управляется от 12В, а замыкает и размыкает 220В нагрузку (плюс управляющий 12В идет от АКБ, а минус с BMS, когда ловит низкую температуру, замыкает минус, замыкается твердотельное реле — подключается 220В теплый пол).

Выбор данного способа подогрева ячеек лития накладывает минимальные ограничения конструкции ящика дл АКБ: 50 см — это минимальный отрез кабеля для корректной его работы.

Охлаждение литиевого аккумулятора lifepo4

В данном вопросе уже все немного сложнее. Нагрев ячеек, напомню, не должен быть выше 40°C. А нагреваться они могут по причине:

• Зарядки
• Разрядки

Внутреннее сопротивление ($R$) LiFePO4 ячеек обычно составляет 0,2–0,5 мОм. Для расчёта возьмём среднее значение $R=0,35\text{мОм}$.

Мощность тепловыделения в одной ячейке:

P=I2⋅R=2102⋅0,00035=15,435 Вт.P=I2⋅R=2102⋅0,00035=15,435Вт.

Для 4 ячеек:

Pобщая=4⋅15,435=61,74 Вт.Pобщая​=4⋅15,435=61,74Вт.

При плохом охлаждении температура ячеек может достичь +60°C и выше.

В нашем прицеп даче будет использоваться солнечный контроллер с возможностью заряжать мощностью в 100А. Литиевая сборка в 340 А совершенно без всяких проблем может принять такой ток. А нам выгодно использовать максимальный ток от солнца, чтобы иметь возможность за короткий период времени зарядиться по-максимуму.

Ну и разряжаться мы можем в 200 А, тк при наличии солнца, выгоднее все использовать электрическое, бесплатное, нежели палить платный газ.

Ввиду того, что в моменте может идти разрядка и одновременно зарядка, ячейки будут избыточно разогреваться, а значит появляется необходимость в их принудительной вентиляции.

Для того, чтобы постараться справиться с температурой мы разработали следующие решения:

• Принудительная вентиляция пространства АКБ (приточные клапана с улицы, принудительная вытяжка теплого воздуха в салон)
• Ячейки и BMS плата собираются в сборку из алюминия (сборку можно дорабатывать, модернизировать, тестировать, переносить и тд)
• Сборка упаковывается в металлический ящик с принудительной вентиляцией 12В от самого же АКБ

Возможно, кому-то покажется что-то излишним, а может и не эффективным, но, на этапе планирования, на бумажке и в теории все выглядит достаточно работоспособным. Как это отработает в реальных условиях покажет лишь опыт.

Сборка из алюминия

Ячейки лития с платой соединены через алюминий листовой 1.2 мм толщиной, который удерживает сборку в едином корпусе, выполняет роль радиатора, тк имеет лучшие показатели теплоемкости.

За счет торцевых пластин происходит сдавливание ячеек, тк производитель рекомендует это делать, чтобы ячейки не раздувало со временем, есть целая армия противников данной «теории заговора». BMS тоже имеет свойство нагреваться, поэтому она, через изоляторы, крепится к алюминиевой площадке.

Многие просто крепят BMS скотчем на ячейки, но, на наш взгляд, достаточно опасное и сомнительное занятие: что-то раздует, что-то расклеится, упадет, пробьет изоляцию….

На стенках дополнительно установлены мощные радиаторы, как и на самой лицевой поверхности BMS. На радиаторы, по ходу канавок, будут дуть вентиляторы.

Не будем грузить излишними цифрами, но теплоотвод радиаторов — это тоже расчетная величина, размеры которого можно просчитать, учитывая мощность вентиляции, тепла выделяемого, тепла рассеиваемого и тд.

Металлический ящик с принудительной вентиляцией

Для ящика использовалась оцинкованная листовая сталь толщиной 0.8 мм. Ящик закрытого типа, с крышкой, чтобы в случае чего защитить аккумулятор lifepo4 12В. Ящик разборный, болтовое соединение, тк удобно работать и дорабатывать не доставая/погружая 25 кг сборку из алюминия, а достать за ручки ящик, поставить его на стол, раскрутить и работать.

После подготовки всех отверстий, перфорации и тому подобного, оцинкованный металл был обработан полимерным составом, чтобы стать диэлектрическим, защитить металл от коррозии и механических повреждений, стать эстетически более презентабельным.

По каждой разборной стенке вварено ребро жесткости, тк вес общей конструкции порядка 30 кг (ящик+литиевый АКБ), чтобы в процессе переноса ничего не крутило, не тянуло на болтах, сделали жесткость.

Днище ящика — полноценная стеллажная полка, которая выдерживает нагрузку в 100 кг. Через Пеноплэкс 50 мм, 6 мм нержавеющей шпилькой держит алюминиевую сборку, чтобы не елозила в ящике, шпильки притянуты гайками через гроверы. По стенкам, внутри, вклеен Пеноплэкс 20 мм, но не из соображений теплоизоляции, а из соображений изоляции внешнего корпуса (хоть он и в полимере, но все же где-то царапка, где-то сверлилось по полимеру), чтобы ничего не каратнуло.

Все болтовые соединения через гайка+гровер, тут уже можно использовать оцинкованный крепеж. В крышке прорезано смотровое окошко, тк на пассивных балансирах есть световая индикация.

Выбор вентиляторов для охлаждения аккумулятора lifepo4

К сожалению, в данном вопросе тоже есть нюансы: недостаточно просто купить вентиляторы 12В, нужно купить те, которые имеют достаточный CFM показатель- воздушный поток и статическое давление, чтобы вытолкнуть теплый воздух из корпуса: H2O. Конечно, не стоит забывать и про энергопотребление.

В нашем случае подошли вентиляторы со следующими характеристиками:

• размер: 60*60*25 мм
• воздушный поток: 20,2 CFM
• статическое давление: 4,12 мм H2O
• громкость: 32,9 Дб

Установили 5 штук, вентиляторы стартуют от биметаллической релюшки в 40 °C замыкание, приклеены через термопроводящий клей к алюминиевому корпусу сборки на противоположных концах:

• 1 шт — сверху дуем на пассивные балансиры (если сильный разбаланс, керамический резистор может греться до 150 °C
• 1 шт — снизу продувая мосфеты BMS
• по 1 шт (3 стороны) — на каждую сторону ячеек

Конечный результат сборки lifepo4 12v аккумулятора

В конечном итоге, получилось не только собрать работающую, удобную в транспортировке, модернизации и доработки, безопасную сборку lifeo4 АКБ для автодома, каравана или прицепа дачи, но и красивую, которую не стыдно презентовать, как готовое решение для любых проектов по солнечной энергетики.