[Świstak]

Temat akumulatorów LiFePO rozpoczął się na naszym forum 10 lat temu od pytania postawionego przez Kodera - "czy już nadaje się do użycia w zabudowie?". W 2019 roku postanowiłem wydzielić wątek który zawierać miał aktualne informacje https://www.camperteam.pl...pic.php?t=34002 Po sześciu latach zrobiło się tego ponad 100 stron, a informacje tam zawarte stały się częściowo nieaktualne. Postanowiłem więc założyć nowy wątek w którym będą informacje aktualne przynajmniej na chwilę obecną.
Proszę aby dyskusję prowadzić w starym wątku, a ten postaram się uzupełniać o konkretne informacje i rozwiązania aby zachować przejrzystość.

[Świstak]

O czym mowa?

Ogniwa LFP, LiFePo, LiFePO4, litowo-żelazowe to jeden czort. Są to akumulatory wykorzystujące lit do efektywnego przechowywania energii elektrycznej ale zbudowane inaczej niż typowe akumulatory litowo-jonowe stworzone przez SONY w latach 80-tych. Poza zbliżoną nazwą i zastosowaniem litu niewiele je łączy, choć patrząc z drugiej strony można by powiedzieć że niewiele je dzieli poza tym że dzieli je prawie wszystko...

Większość z nas widziała obrazy wybuchających ogniw litowo-jonowych, a mimo to każdy z nas bez wyjątku nosi takie ogniwa w kieszeni bo wciąż się je stosuje w telefonach komórkowych, laptopach, tabletach czy wkrętarkach. Dlaczego więc w kamperze chcemy stosować ogniwa litowe, ale nie litowo-jonowe a litowo-żelazowo-fosforanowe? Bo są gorsze a przez to lepsze! Logiczne.

[Świstak]

Nie ma sensu opisywać składu chemicznego elektrod czy elektrolitu bo to niewiele nas interesuje (tym bardziej że dokładne specyfikacje i technologie są tajemnicą producentów), ale warto skupić się na zaletach i wadach poszczególnych technologii. Do porównania tego włączę też akumulatory ołowiowe aby zrozumieć skąd będą pojawiać problemy w przy montażu nowego magazynu w kamperze.

1. Wszystkie opisane tu akumulatory zbudowane są z 4 głównych elementów: anody, katody, elektrolitu i separatora. Wszystkie działają też wykorzystują bardziej chemię niż fizykę czyli odwrotnie niż w kondensatorach. Chemia to polega w uproszczeniu na tym, że pod wpływem przepływającego prądu elektrycznego substancje chemiczne zawarte w elektrolicie przekształcają się na troszkę inne (jony) charakteryzujące się nierównowagą elektryczną (są "naładowane" elektrycznie), a takie naładowane cząstki są z kolei przyciągane przez anodę i katodę (zbudowanymi z kolei z takiej chemii aby przyciągać jony) i tam się fizycznie gromadzą. Przy przepływie prądu w drugą stronę następuje reakcja odwrotna - jony są odpychane od anody i katody i łączą się w elektrolicie odwracając cały proces. Separator ma za zadanie nie dopuścić do bezpośredniego zetknięcia się ze sobą anody i katody, a jednocześnie musie zapewnić swobodny przepływ jonów. Jeżeli separator zostanie uszkodzony - nastąpi zwarcie celi i przepływ ogromnego prądu elektrycznego oraz gwałtowną reakcję chemiczną, w efekcie czego w najlepszym wypadku mamy ogniwo do wyrzucenia, a w najgorszym pożar lub eksplozję. Możemy też trafić kumulację i mieć trzy w jednym....

Proces chemiczny jest odwracalny, ale niestety nie jest bezstratny - straty objawiają się na dwa sposoby: po pierwsze przy każdej takiej reakcji i przemieszczaniu się jonów wydziela się trochę ciepała, dlatego wszystkie akumulatory grzeją się zarówno w czasie ładowania jak i rozładowywania, a po drugie zużywa się zarówno elektrolit, katoda jak i anoda w każdym takim cyklu. W dużym uproszczeniu - im głębszy cykl rozładowania tym większe zużycie. Przykładowo w akumulatorach ołowiowych szczególnie głęboko rozładowywanych dochodzi do tzw zasiarczenia, czyli trwałego oblepienia elektrod kryształkami siarki i siarczanu ołowiu które podczas ładowania już nie chcą się rozpuścić w elektrolicie - niszczy się w ten sposób elektrolit (strata niewielka bo można go wylać i wlać świeży zrobiony z kwasu siarkowego), ale co gorsza niszczą się elektrody, bo kryształki te nie przewodzą prądu i uniemożliwają dostęp elektrolitu do elektrody. W akumulatorach wykorzystujących lit chemia jest oczywiście zupełnie inna, ale efekt podobny - z każdym cyklem pracy akumulator się zużywa.
I tu ujawnia się pierwsza zaleta akumulatorów litowych - zużywają się znacznie wolniej niż akumulatory kwasowe, w dużym uproszczeniu około dziesięciu razy wolniej.

[Świstak]

2. Akumulator, bateria czy bateria akumulatorów?

Potocznie akumulatorem nazywamy coś co możemy naładować i rozładować, a baterią coś co kupujemy gotowe do użycia i po rozładowaniu wyrzucamy (oddajemy do recyklingu). Prawidłowo baterią powinniśmy nazywać zespół składający się z kilku jednakowych ogniw. I takie właśnie stosujemy - baterie akumulatorów połączonych szeregowo. A dlaczego kilka mniejszych zamiast jednego dużego - znów przez chemię....

Każda kombinacja zastosowanych elektrolitów, anody i katody generuje inne różnice potencjałów (napięcie), ale zawsze są to wartości stosunkowo niewielkie: około 2V w przypadku akumulatorów kwasowo-ołowiowych, 3,2V dla LFP czy 3,6-3,8V dla Li-Ion. Tak niskie napięcia są trudne do wykorzystania na większą skalę - małą żarówkę o niewielkiej mocy zasilaną takim napięciem można bez problemu skonstruować i wyprodukować, ale już zrobienie rozrusznika pracującego przy tak niskim napięciu praktycznie zrobić się nie da jeśli ma to mieć jakikolwiek sens ekonomiczny i techniczny. Wszystko przez fizykę, a konkretnie przez wzór na moc.
Moc jest to zdolność do wykonania określonej pracy w określonym czasie - im większa moc tym większą pracę wykonamy w tym samym czasie, albo dysponując większą mocą tę samą pracę wykonamy w krótszym czasie. Logiczne. Z kolei moc elektryczna zależy zarówno od przyłożonego napięcia, jak i od wartości płynącego prądu - im większe napięcie tym większa moc, im większy prąd tym większa moc. A jeśli prądy są tak duże że brakuje już zer w kalkulatorze a my nie chcemy zmniejszać mocy? To wtedy podnosimy napięcie i potrzebujemy znacznie mniejszych prądów aby uzyskać tę samą moc. No ale czemu duży prąd jest taki straszny, a wysokie napięcie już nie? Wszystko zależy od skali - 10V nic złego nie zrobi człowiekowi, bezpieczeństwo zapewni tania izolacja z plastiku czy bawełny o grubości 0,5 mm. Z kolei prąd 10A potrafi bez problemu rozgrzać do czerwoności a nawet stopić drut miedziany o przekroju 0,2mm2 (chińskie nawet 0,5) lub stalowy 0,5mm2 (tu chińskie nie odstają bo wciąż jeszcze mają dość dużo żelaza w stali). Przy tak dużych prądach grzało się będzie wszystko - przewody, połączenia, styki, przełączniki.... Tragedia. A co jeśli będziemy potrzebować mocy powiedzmy 5 koni mechanicznych, czyli w przybliżeniu ok. 3kW? Wzór na moc to P=U*I co z przekształcenia daje nam I=P/U. Jeśli przebujemy 3kW czyli 3000W przy ogniwie 2V daje nam to I=3000/2=1500A Tak dla porównania - bardzo grubą stal spawa się prądem poniżej 200A, a spawanie to nic innego jak przepływ prądu elektrycznego przez marne połączenie na którym tworzy się łuk elektryczny.

Postanowiono więc zamiast jednej celi zastosować baterię połączonych ze sobą szeregowo cel akumulatorów kwasowo-ołowiowych aby ich napięcia się zsumowały. Z jakiegoś powodu postanowiono wykorzystać ich pół tuzina (dobrze że napięcia nie da się przeliczyć na galony, cale i funty bo dopiero byłby burdel) i tak powstał standardowy akumulator 12V dla motoryzacji. Starsi pamiętają zapewne że w małych samochodach z małymi silnikami były stosowane akumulatory 6V, ale ten standard umarł już definitywnie. Z kolei w ciężarówkach gdzie silniki są zdecydowanie większe (a co za tym idzie rozruszniki również) wciąż stosuje się dwie takie baterie akumulatorów połączone szeregowo co daje napięcie 24V i ten standard zapewne długo nie odejdzie w zapomnienie....

Złota zasada: zawsze lepiej mieć jeden duży akumulator niż kilka mniejszych.


No i zaczęły się problemy. Połączyliśmy ze sobą w łańcuch kilka ogniw które miały być identyczne, a nie są. I im dłużej je eksploatujemy tym bardziej widać że jedno ogniwo mocniejsze a drugie słabsze, a stara zasada mówi że:

Złota zasada: każdy łańcuch jest tak mocny jak jego najsłabsze ogniwo.


Do tego dochodzi jeszcze efekt "samorozładowania" którego wielkość zależy od wielu czynników, w tym również od czystości. Do samorozładowania będzie prowadzić zarówno kwaśny i mokry brud na obudowie akumulatora jak i zanieczyszczenia chemiczne elektrolitu wewnątrz cel. Nawet jeśli wszystkie cele naładujemy do pełna, po jakimś czasie okaże się że samoczynnie się rozładowały i co najgorsze - w różnym stopniu. Ładując taką baterię określonym prądem i napięciem powodujemy rozkład napięć na poszczególne cele w stopniu zależnym od poszczególnych cel (dzieje się to automatycznie/samoczynnie i jest zależne od kondycji konkretnej celi), ale prąd płynący przez te cele będzie identyczny (zgodnie z prawem prądu szeregowego). Ponieważ mają minimalnie różne pojemności i różny stopień naładowania okaże się że gdy jedne z cel będą już naładowane do pełna, inne będą naładowane dopiero w 80%. Tragedia - już straciliśmy 20% pojemności po jednym użyciu akumulatora..... Po kolejnym stracimy następne kilka %. Trzeba więc doładować tylko te cele które tego wymagają, ale mamy rok 1850 i nie ma jeszcze nawet lamp elektronowych, a co dopiero komputerowo sterowane układy nadzorcze.... Z pomocą przychodzi nam fizyka i chemia.
Gdy cela jest w pełni naładowana napięcie między anodą i katodą wzrasta. Anoda i katoda to (po naładowaniu celi) w zasadzie czysty ołów i tlenek ołowiu więc już żadne jony ich nie opuszczają w trakcie próby dalszego ładowania ale wciąż może przez nie płynąć prąd elektryczny - od anody do elektrolitu i przez elektrolit aż do katody. Ponieważ jest tam różnica potencjałów to jest też moc którą trzeba gdzieś wytracić - część tej mocy wydzieli się w postaci ciepła, ale większość energii wykonuje pracę polegającą na rozbiciu cząsteczek wody na atomy wodoru i tlenu które przez otwory wentylacyjne ulatują do otoczenia (niestety bliskiego). Owszem - tracimy tą energię i wodę z elektrolitu, ale po pewnym czasie uzyskujemy pełne naładowanie wszystkich cel. Droga impreza, ale wtedy opłacała się bardziej niż cokolwiek innego. Może nawet była to jedyna dostępna wówczas metoda. Taki proces nazywa się ładowaniem wyrównującym lub balansującym i polega na przeładowywaniu akumulatora kwasowego przez ściśle określony czas napięciem wyższym niż standardowe napięcie pracy/ładowania przy jednoczesnej precyzyjnej kontroli płynącego prądu i ze ścisłym monitorowaniem temperatury ogniw. Im starszy i bardziej zużyty akumulator kwasowy tym staranniej ten proces należy wykonywać, a efekty i tak będą coraz gorsze i krótkotrwałe.
Tak więc już wiemy że stare akumulatory kwasowo-ołowiowe miały wbudowany system wyrównywania cel ale działo się to kosztem utraty wody z elektrolitu i parowania kwasu siarkowego pod wpływem temperatury. Stąd popalone portki, przerdzewiałe podstawy akumulatorów, zgniłe i przeżarte kwasem przewody oraz zielone wykwity na klemach. Aby zachować trochę czystości z czasem zaczęto stosować rurki plastikowe odprowadzające toksyczne opary gdzieś poza auto, ale elektrolit trzeba było w dalszym ciągu kontrolować, uzupełniać wygazowaną wodę destylatem dobrej jakości (nie, nie chodzi o księżycówkę ale o wodę destylowaną), a także okresowo zagęszczać elektrolit kwasem siarkowym.
Z czasem pojawiły się różne usprawnienia zarówno w konstrukcji anody i katody (siatki wypełnione pastą, domieszki uszlachetniające) jak i samego eleltrolitu czy obudowy (ulepszone separatory, żel zamiast cieczy, chemiczne rekombinatory wodoru i tlenu w wodę, zawory bezpieczeństwa) ale zasadniczo wciąż jest to ta sama technologia generująca te same (lub zbliżone) napięcia ok 2V na celę. I pewnie jest to jeden z powodów dla którego wciąż utrzymuje się standard instalacji 12V.

[Świstak]

3. Cholerne 12V.

Mamy w aucie akumulator 12V, żarówki 12V, radio 12V i alternator 12V. Ale gdy zmierzymy napięcie jakimś prawdziwym miernikiem to okaże się że czasem jest to 11,5V, czasem 12,8V, czasem 14,4V, a czasem nawet 15V. Który wynik jest prawidłowy? Odpowiedź jest bardzo prosta i wszystko wyjaśniająca: wszystkie są prawidłowe, choć prawdą jest też że każdy z nich jest nieprawidłowy i świadczy o usterce. Serio.

Napięcie spoczynkowe naładowanego akumulatora ołowiowo-kwasowego w temperaturze 20 stopni Celcjusza wynosi 1,685+0,356=2,041V na celę, przy sześciu celach daje to 12,246V. W miarę rozładowywania jego napięcie spada prawie liniowo do wartości 1,8V na celę czyli przy idealnie zbalansowanej baterii dałoby 10,8V, ale jako że nigdy nie będzie idealnie zbalansowana - takie napięcie oznacza że na 99% któraś z cel jest już poniżej progu, a sumaryczny wynik "ratuje" inna cela w lepszej kondycji. Tak czy siak - jeśli zostawimy w takim stanie akumulator na dłuższy czas wydamy na niego wyrok.
Gdy kręcimy rozrusznikiem napięcie w instalacji może miejscami spaść nawet do 8V (zależnie od punktu pomiaru), choć na słupkach mamy 10V - to normalne choć niepożądane i szkodliwe, a jest efektem dużego prądu płynącego przez przewody (analogicznie jak spadek ciśnienia w rurze czy wężu ogrodowym gdy próbujemy przezeń przecisnąć bardzo dużą ilość wody w krótkim czasie - na wejściu mamy 4 bary, a na wyjściu może pół). Im cieńsze i starsze będą przewody, tym większy będzie spadek (można to potraktować jako stratę) napięcia, a rozrusznik będzie kręcił wolniej.
Gdy odpalimy silnik alternator będzie nam generował energię elektryczną, ale z pewnymi ograniczeniami. Stare alternatory miały jedno ograniczenie - maksymalne napięcie ok. 14,4V. Gdy napięcie na wyjściu przekraczało tę wartość włączał się ogranicznik. Powodowało to że przy bardzo niskim napięciu w instalacji (bardzo rozładowany akumulator, włączone wiele odbiorników prądu jak światła, wentylatory, ogrzewane szyby, wycieraczki) alternator był pobudzany do pracy w maksymalnym stopniu i dawał z siebie ile mógł, a jedynym ograniczeniem były straty w jego wewnętrznym okablowaniu. Problem polega na tym że te wszystkie straty zamieniały się w ciepło, a przecież jest to urządzenie które chłodzone jest wentylatorem zamontowanym na kole napędowym, co oznacza przy niskich obrotach silnika chłodzenie również było słabe i alternator potrafił zadymić i się sfajczyć. Nowsze alternatory miały drugie ograniczenie (maksymalna wartość prądu) oraz zabezpieczenia termiczne które przy przegrzewaniu uzwojeń ograniczały jego moc. Takie zabezpieczenia wymagały już troszkę elektroniki, więc dość szybko konstruktorzy dołożyli jeszcze troszkę oprogramowania i "inteligentne" alternatory potrafią teraz więcej... Namieszać. Pozwalają w sposób teoretycznie bezpieczny wykonywać ładowanie wyrównujące oraz udawać retarder obciążając się ponad miarę w czasie gdy kierowca wykonuje hamowanie silnikiem - wtedy w instalacji może się pojawić chwilami nawet 15V. Oczywiście każdy producent dodał tam kilka linijek kodu od siebie i jest bajzel bo każdy działa troszkę inaczej. Chińczycy w niektórych przypadkach przeszli samych siebie i skopiowali po kawałku kodu z różnych rozwiązań i mamy co mamy - czasem działa tak, a czasem siak.
Napisałem że odbywa się to w sposób bezpieczny (przynajmniej teoretycznie) dla akumulatora kwasowo-ołowiowego 12V. A my chcemy inny...

[Świstak]

4. Cholerne 12V, ale takie nie do końca 12V bo z czego to złożyć?

Akumulatory kwasowo-ołowiowe miały po ok 2V na celę i 6 cel dawało nam łącznie ok 12V w stanie spoczynku i wymagały ok. 14,4V do poprawnego naładowania. I dla takiego przedziału napięć konstruowane były alternatory, żarówki, radia, cewki zapłonowe czy co tam w aucie jeszcze się znajduje. Powinniśmy więc skonstruować akumulator o identycznych przedziale napięć roboczych.
W przypadku akumulatora kwasowo-ołowiowego występowała dość duża i w miarę liniowa zależność między napięciem na celi a stopniem jej naładowania - im bardziej naładowana cela tym wyższe napięcie. W akumulatorach wykorzystujących lit ta zależność jest dużo mniejsza, czego efektem jest fakt że prosty pomiar napięcia niewiele nam powie o stopniu naładowania akumulatora, a przynajmniej znacznie mniej niż w przypadku akumulatora kwasowego. To dobrze, to bardzo dobrze. Ale też i źle, a czasami nawet bardzo źle. Ale o tym za chwilę...


Spróbujmy Li-Ion:
W zależności od wersji napięcie spoczynkowe to 3,6 do 3,8V na ogniwo. Jeśli weźmiemy trzy sztuki da nam to od 10,8 do 11,4V czyli troszkę za mało. Jeśli weźmiemy 4 sztuki wyjdzie od 14,4 do 15,2 czyli troszkę za dużo. I tak źle i tak nie do końca dobrze.

A co z LiFePO?
Spoczynkowe 3,2V na ogniwo, przy czterech połączonych w szereg da nam to 12,8V. No idealnie. Prawie, bo do pełnego naładowania powinniśmy mieć 14,8V czyli więcej niż da nam alternator. Ale jak się okazuje to żadna tragedia, bo z pomocą przychodzi nam nieliniowa zależność napięcia od stopnia naładowania, szczególnie w obrębie pełnego naładowania. Okazuje się że ta różnica między 14,4 a 14,8 to parę procent o które w zasadzie nie warto kruszyć kopii. Chyba....

---

Wykresy akumulatorów.JPG

Plik ściągnięto 0 raz(y) 182 KB

[Świstak]

5. Panie, a nie wybuchnie to?

Wybuchnie, ale trzeba się postarać.
Jako stary piromanta wysadziłem w powietrze już wiele rzeczy, ale o dziwo wciąż mam wszystkie członki. Nie wszystkie w pełni sprawne, ale przynajmniej obecne.
Udało mi się wysadzić kondensatory przez podanie zbyt wysokiego napięcia, udało mi się wysadzić szczelne akumulatory ołowiowe przez przeładowanie, udało mi się zrobić niezłą zadymę przez przedziurawienie akumulatora Li-Ion, udało mi się efektownie zajarać Li-Ion przez potężne zwarcie i udało mi się utuczyć do rozmiaru balona akumulator LiFePO. Więc czy istnieje bezpieczny akumulator? Nie. Każdy z nich jest niebezpieczny, a im lepszy i wydajniejszy - tym niebezpieczeństwo większe. To jak z samochodami - zabić się można maluchem, ale Ferrari zapewni nam zabicie się na śmierć. I jeszcze potomkowie będą raty kredytu spłacać...

Wydajność może być problemem i stwarzać niebezpieczeństwo. Marna wkrętarka z marnym akumulatorem gdy napotka duży opór po prostu zatrzyma się i może zgoli zęby w przekładni, dobra wkrętarka z dobrym akumulatorem może nam połamać ręce, a co bardziej zdeterminowanym nawet wybić zęby. Tutaj podobnie - gdy bardzo duży i wydajny akumulator bez zabezpieczeń zewrzemy na wyjściu to potraktuje to jako kolejną cięższą robotę i poda ogromny prąd paląc to co spowodowało zwarcie, bo do tego został stworzony - dawać duży prąd. Jeśli będziemy mieli na wyjściu jakieś zabezpieczenie to po kilku sekundach ono zadziała i na tym problem się skończy, ale jeśli zrobimy zwarcie przed zabezpieczeniem przykładowo wbijając gwoździa w akumulator litowy - to zabezpieczenie nie zadziała i akumulator w kilka sekund odda w tego gwoździa energię potrzebną do zagotowania 20 filiżanek kawy. I to w objętości mniejszej niż filiżanka, a nie objętości kilku dzbanów.... Jaki będzie efekt - łatwo przewidzieć. No chyba że dzban, to nie przewidzi....

[Świstak]

6. To co zrobić żeby nie wybuchło?

Po pierwsze mieć świadomość że może wybuchnąć. Wszystko co szczelnie zamknięte może wybuchnąć i wybuchnie gdy zaczniemy to pompować bez umiaru. Czy będzie to szczelna opona w rowerze czy szczelny akumulator - bez różnicy. A akumulatory litowe w przeciwieństwie do standardowych akumulatorów kwasowo-ołowiowych - są szczelne. Mają podobnie jak akumulatory ołowiowe VRLA zawory bezpieczeństwa, ale gdy zawór zadziała to już mamy złom a nie akumulator i jest to prawdopodobnie nasza i tylko nasza wina.
Pisałem wcześniej że akumulatory kwasowo-ołowiowe były celowo przeładowywane aby doładować słabsze cele. Cele w pełni naładowane zamieniały nadwyżkę energii w gaz który uwalniał się na zewnątrz. Było to możliwe dzięki otwartej konstrukcji cel która jednocześnie nie pozwalała na przewracanie takiego akumulatora na bok czy nogami do góry. Akumulatory litowe mogą pracować w dowolnej pozycji, ale nie mogą odgazowywać. Dlatego potrzebujemy zabezpieczenia, elektronicznego nadzorcy który będzie pilnował wielu różnych parametrów i o ile nie rozregulujemy go klikając bezmyślnie w magicznej aplikacji - zapewni nam poprawną pracę akumulatora przez wiele, wiele lat.

[Świstak]

7. No to co kupić?

A kupuj co chcesz i na co Cię stać. Ale pamiętaj o dwóch złotych zasadach:

Złota zasada: biednego nie stać na kupowanie tanich rzeczy

Złota zasada: Lepiej mieć jeden akumulator niż kilka

Pierwsza jest tak oczywista że nie będę się nad nią rozanielał, ale druga już taka oczywista nie jest.
Pisałem wcześniej o szeregowym łączeniu ogniw w celu uzyskania wyższego napięcia. Tego nie przeskoczymy i nie ma się nad czym rozwodzić, ale co gdy chcemy mieć więcej prądu? To pytanie to tak właściwie dwa pytania bo wywodzą się z języka potocznego i dla jednego oznacza wartość aktualnego czy maksymalnego prądu płynącego w obwodzie, a dla drugiego będzie oznaczać ilość energii zgromadzonej w akumulatorze. Ale żeby to omówić i zrozumieć potrzebujemy trochę podstaw. Do mnie osobiście najlepiej przemawiają analogie między elektryką a hydrauliką i - za Waszą zgodą - nimi właśnie będę się posługiwać.

[Świstak]

8. To mówisz Pan, że tych woltów czy tam watów to ma być więcej niż tych amprów?

Napięcie elektryczne czyli ciśnienie w rurze (bar, atm, Pa).
We wzorach oznaczany jako U, a jednostką napięcia jest Wolt [V] i bardzo często zaraz po nim występuje oznaczenie AC (kierunek przemienny jak w gniazdku gdzie zmienia się 50 razy na sekundę) lub DC (kierunek stały jak w akumulatorze samochodowym gdzie + to zawsze plus, a - to zawsze minus). Ponieważ w tym wątku omawiamy tylko zagadnienia prądu stałego, nie będę się tym posługiwał.

Prąd elektryczny czyli przepływ w rurze (l/min)
We wzorach oznaczany jako I, a jednostką prądu jest Amper [A]. Wartości w tych jednostkach spotykamy na bardzo często opisane jak Imax - oznaczają wtedy maksymalny dopuszczalny prąd roboczy dla bezpiecznika czy przewodu. Przekroczenie wartości maksymalnej doprowadzi do rozłączenia lub uszkodzenia przewodu lub zabezpieczenia.

Moc elektryczna
we wzorach oznaczany jako P i w układach stałoprądowych łatwy do wyliczenia i wyrażany w Watach [W]. Nie będziemy tu mieli do czynienia z mocą czynną, bierną, pozorną, nie potrzebne nam informacje o cosinusie kąta Fi czy sławetne VAR-y. Tu będzie prosto - wat to wat. Nie volt, nie amper nie insung ani nie picyngiel.

Rozszerzenia k,m,M....
Przed jednostkami czasami pojawiają się literki służące za mnożniki,
m mili - jedna tysięczna
u mikro - jedna milionowa
k kilo - tysiąc
M mega - milion
1 kV - jeden kilowolt czy jeden tysiąc woltów
5 mA - pięć miliamperów czyli pięć tysięcznych ampera

Uwaga na literki występujące po jednostce, bo to może oznaczać już zupełnie inną jednostkę złożoną. My będziemy często używać symbolu godziny [h] w połączeniu z jednostką prądu - amperogodzina [Ah] lub mocy watogodzina, kilowatogodzina [Wh, kWh]. Ah oznacza pojemność akumulatora, natomiast kWh oznacza jednostkę energii i choć jest bliska do Ah to jednak tak zupełnie wprost nie powinno się jej przeliczać mnożąc ją przez wartość napięcia spoczynkowego akumulatora - błąd nie jest duży bo szczególnie w przypadku akumulatorów litowych różnica napięcia akumulatora w pełni naładowanego i częściowo rozładowanego nie jest duża (i prawie na pewno będziemy się takim uproszczeniem posługiwać), ale pamiętajmy że jest to obarczone pewnym błędem.

Uważnemu czytelnikowi mignęło pewnie magiczne Ah czyli pojemność akumulatora. Oznacza to jakim prądem i przez jaki czas możemy obciążyć całkowicie naładowany akumulator aż do jego całkowitego rozładowania. Jest to iloczyn wartości prądu i czasu, więc akumulator 100 Ah możemy (teoretycznie) obciążyć prądem 100A przez jedną godzinę, prądem 10A przez 10 godzin, prądem 5A przez dwadzieścia godzin lub prądem 1A przez 100 godzin. Problemem jest jednak to że to tylko teoria, nasz przykładowy maluch do kapitalnego remontu powinien wytrzymać 50,000 km (50 kkm), ale jak mu dowalimy tonową przyczepkę to po 10 tysiącach ducha wyzionie. Dlatego często podaje się tzw. pojemność 10 godzinną, czyli przy założeniu że obciążymy akumulator prądem wynikającym z 1/10 nominalnej pojemności (oznaczanej jako C) przez wspomniane 10 godzin. Szczególnie dla akumulatorów ołowiowych są duże różnice między pojemnościami jedno, dziesięcio i dwudziestogodzinnymi.
Tych co mnie chcą teraz ukrzyżować za uproszczenie tematu pojemności elektrycznej zapraszam do stworzenia osobnego wątku o wyprowadzaniu rachunku całkowego z macierzą pojemności elektrycznej.




.

---

PV43.h3.jpg

Plik ściągnięto 150 raz(y) 48,61 KB

[Świstak]

9. Panie, a czego to takie drogie?

Bez histerii, od początku tej histerii (sorki, historii) ceny ogniw spadły kilkakrotnie. Może nie dziesięć razy, ale z pewnością kosztują znacznie mniej niż 10 lat temu. Dostępność również znacznie się poprawiła a i historii o uszkodzonych ogniwach jakby mniej. Pojawia się coraz więcej oszustów którzy akumulatory wielkości portfela sprzedają jako 200Ah, ale po przeczytaniu tego wątku zapewne już się nie damy na takie cud-oferty złapać jak młode pelikany.

Są droższe niż ogniwa kwasowe, ale za to dają nam kilka atutów.

Wymiary:
Największą gęstość energii (czyli ilość ładunku na każdy kilogram wagi i litr objętości) w naszym zestawieniu wciąż mają akumulatory Li-Ion i dlatego wciąż się je stosuje w telefonach komórkowych czy laptopach, jednak technologia LFP i tak bije na głowę akumulatory ołowiowe pod tym względem. Tak lekko licząc dwukrotnie, choć to zależy od wykonania i przeznaczenia ale o tym opowiemy później.

Waga:
Tu też LFP ma się do starych kwasiaków jak Tarpan do czteroośki, bo w kwasiaku na każdy kilogram wagi możemy zgromadzić pięć razy mniej energii niż w LFP

Żywotność:
No tu wchodzimy w wielkie liczby... Dobrze traktowany LFP wytrzyma nawet dziesięć razy więcej cykli niż bardzo dobrze traktowany kwasiak. I to tym czasie nie padnie nam całkowicie, tylko straci ok. 20-30% początkowej pojemności.

Temperatura pracy:
No tu jest jedna przewaga dla kwasiaków, choć jakby się nad tym głębiej pochylić to okaże się jest to przewaga pozorna lub w naszych warunkach coraz mniej istotna: akumulatorów LFP nie wolno ładować gdy ich temperatura jest niższa niż zero stopni Celcjusza. Wynika to z zastosowanego elektrolitu który w tych warunkach gęstnieje (zwiększa się jego lepkość) i podczas ładowania buduje się na andzie coś na kształt kryształów litu które niszczą ogniwo w środku przebijając separator. Podobnie jak w przypadku zasiarczania kwasiaków - zmiany te są niestety nieodwracalne. W niskich temperaturach spada również pojemność tych akumulatorów i ich ogólna sprawność. Rynek w ostatnich latach już na to zareagował i pojawiły się zarówno układy zarządzające które nie pozwalają ładować zmarzniętych ogniw jak i wystawiające sygnał do włączenia zewnętrznego ogrzewania. Są nawek kompletne akumulatory z zamontowanymi podgrzewaczami elektrycznymi uruchamianym automatycznie gdy dostępna jest nadwyżka energii. My z naszej strony możemy tym akumulatorom zapewnić ciepłe miejsce wewnątrz kamperka, co przy dłuższych zimowych wyprawach wystarczy w zupełności (bo skoro my nie marzniemy to i akumulator nie marznie), a dobę przed wyjazdem na zimowe kanikuły zagrzać wnętrze. Można do boksu akumulatora skierować rurę z webasta, można je ustawić na kocyku elektrycznym do podgrzewania stóp, można zrobić tysiąc rzeczy żeby nie dopuścić do ładowania zmarzniętych akumulatorów. Rozładowywanie swoją drogą też lepiej realizować gdy ogniwa mają powyżej 10 stopni...

Sprawność:
Jest wyższa niż w przypadku akumulatorów kwasowych, może nie tak spektakularnie jak w przypadku pozostałych parametrów ale jednak. Sprawność oznacza ile z dostarczonej do akumulatora energii będziemy mogli później odebrać. LFP mniej się grzeją zarówno podczas ładowania jak i rozładowywania, więc już tu mamy pierwszy zysk. Ich samorozładowanie jest również znacznie mniejsze niż w przypadku kwasiaków, więc mniej energii nam wycieka. Ale to tylko wierzchołek góry lodowej...

Czas ładowania:
Jest dużo lepiej niż w przypadku kwasiaków, ale nie da się tak wprost odpowiedzieć o ile, bo to zależy od konstrukcji konkretnego typu ogniwa LFP. Za ogólnie przyjętą zasadę bezpiecznego ładowania akumulatorów kwasowych przyjmuje się że od pełnego rozładowania powinno się je ładować przez 11 godzin prądem wielkości 1/10C (jako C rozumiemy nominalną pojemność akumulatora), natomiast w przypadku akumulatorów LFP rozpiętość wynosi od 0,5C przez 2 godziny do 2C przez pół godziny zależnie od wielkości i wersji ogniw. Pomijam specjalne wersje do superszybkiego ładowania, czy baaaaardzo pojemne ogniwa do zadań specjalnych które ładuje się znacznie wolniej. Tak więc licząc pi razy drzwi LFP można bezpiecznie naładować 5...20 razy szybciej niż kwasiaka. Oczywiście jeżeli mamy czym

Czas rozładowania:
Tutaj będzie troszkę trudniej bo zarówno jedne jak i drugie można rozładowywać zarówno bardzo szybko jak i bardzo wolno, ale haczyk tkwi w tym ile nas to będzie kosztować. Akumulatory kwasowe przy szybkim rozładowywaniu rozładowują się znacznie szybciej niż przy powolnym rozładowywaniu i nie chodzi tu o prostą arytmetykę podaną przy wyliczaniu pojemności w Ah podaną kilka postów wyżej, ale w tym że przy szybkim rozładowywaniu zniknie nam sporo tych Ah. A to dopiero pierwszy akt tej tragedii, drugi akt to napięcie jakie naw wtedy akumulator dostarczy a tu szału ni ma. przy dużym prądzie napięcie spada, ilość dostępnych Ah spada, więc ilość energii (Wh) spada prawie do kwadratu. Przy wolnym rozładowywaniu (powiedzmy 10-godzinnym) na każde 100Wh wpompowanych przy ładowaniu w kwasiaka odzyskamy około 80-90 Wh. Szału ni ma, ale gdzie ta obiecana tragedia? Ano przy rozładowywaniu prądem 3C czyli 3 krotnie większym od nominalnej pojemności akumulator powinien pracować przez 1h/3 czyli 20 minut, a okazuje się że pada po sześciu minutach. No niech będzie że po siedmiu. Czyli trzy razy szybciej niż powinien. To już jest tragedia, bo wygląda że z dostarczonych 100Wh odzyskaliśmy 33Wh prawda? Prawda, prawie cała. Ale spokojnie - jest jeszcze akt trzeci: spadło nam napięcie.... A to oznacza że wspomniana wcześniej różnica między Wh a Ah teraz zaboli bardziej i z tych 33Wh realnie pozostało nam grubo poniżej 30 Wh. Może z 28.. No. Teraz to już jest tragedia w trzech aktach.

A jak to wygląda w przypadku LFP?
Lepiej, znacznie lepiej. Górny obrazek to kwasiak, a dolny to LFP



.

---

PV43.h3.jpg

Plik ściągnięto 130 raz(y) 48,61 KB

12v-lifepo4-discharge-current-curve.jpg

Plik ściągnięto 0 raz(y) 83,43 KB