СмартПульс - держите руку на пульсе высоких технологий! Новости, статьи, обзоры мобильных устройств, компьютеров, комплектующих, радиолюбительских конструкций

   Главная - Сделай сам! (DIY) - Обзор литий-железо-фосфатного аккумулятора в ИБП

Литиевый аккумулятор для ИБП: тест, обзор, доработка, тонкости использования. Бонус: почти полное вскрытие

Предисловие

Я думаю, уже как многих IT-шников, так и простых пользователей "достали" свинцовые аккумуляторы для бесперебойников (ИБП): тяжелые и с коротким сроком службы (это - главное). Да ещё и к концу срока службы время работы под нагрузкой катастрофически сокращается.

В общем, хочется вместо них чего-то разумного, доброго, вечного!

Есть ли в природе такие аккумуляторы?! Есть - это современные литиевые аккумуляторы!

Эта  статья посвящена замене свинцового аккумулятора в ИБП (источнике бесперебойного питания) на литиевый, а ещё точнее - на литий-железо-фосфатный (LiFePO4).

(Изображение с Алиэкспресс, кликнуть для увеличения)

Оглавление

1. Выбор литиевого аккумулятора для ИБП
 

2. Внешний вид, характеристики и комплектация литиевого (LiFePo4) аккумулятора для ИБП
 

3. Тест аккумулятора Kanavano LiFePO4
 

4. Окончательный диагноз

Выбор литиевого аккумулятора для ИБП

Наиболее популярные сейчас типы литиевых аккумуляторов - "обычные" литий-ионные (как в смартфонах и т.п.) и литий-железо-фосфатные (LiFePO4).

Главное их отличие - разное напряжение одиночного элемента: 3.7 В для обычного литий-ионного аккумулятора и 3.2 В - для литий-железо-фосфатного.

Из этого проистекает, что, при прочих равных условиях энергетическая плотность обычных аккумуляторов будет выше; но в итоге всё-таки был выбран аккумулятор на элементах LiFePO4.

Почему?

Дело в том, что при соединении аккумуляторов в 4 последовательные секции напряжение для литий-железо-фосфатных аккумуляторов составит 12.8 В, что очень близко к номиналу свинцовых аккумуляторов (12 В ровно).

В тоже время для обычных литий-ионных аккумуляторов соединение в 4 секции даст слишком большое напряжение (14.8  В); а соединение в 3 секции - слишком маленькое (11.1 В).

Ещё одно преимущество литий-железо-фосфатных аккумуляторов - более высокая расчетная величина циклов заряда-разряда. Они, действительно, могут стать "вечными"! Хотя проверить это будет сложно. :)

Кроме того, было принято решение купить готовый аккумулятор на 12 В, а не собирать из отдельных компонентов (можно купить отдельно элементы аккумуляторов "россыпью", плату защиты, корпус). Хотя, как показали дальнейшие события, может, и зря.

В итоге поисков был куплен литий-железо-фосфатный аккумулятор Kanavano для ИБП на напряжение 12 В с номинальной ёмкостью 10.5 А*ч.

В народе литий-железо-фосфатный аккумулятор называют также "лифер" или кратко - LFP.

Внешний вид, характеристики и комплектация литиевого (LiFePo4) аккумулятора для ИБП

Основные характеристики тестируемого аккумулятора таковы:

Номинальное напряжение: 12 В (должно быть 12.8 В исходя из номинального напряжения элемента 3.2 В);

Ёмкость: 10.5 А*ч (реально окажется выше);

Структура: 4S3P;

Ток заряда: 2 А; допускается "быстрая зарядка" током 5 А;

Максимальный длительный ток нагрузки: 10 А;

Рабочая температура разряда: -20...+60°С;

Рабочая температура зарядки: 0...+45°С;

Масса: 1.3 кг;

Габариты: 150 x 64 x 98 мм (ДШВ).
 

Аккумулятор изготовлен в стандартном типоразмере свинцовых аккумуляторов 12 В / 7 А*ч:

Несмотря на равенство габаритов, литиевый аккумулятор для ИБП значительно легче свинцового; его вес 1.3 кг против 2.4 кг у свинцового. Зато цена литиевого аккумулятора в несколько раз выше свинцового. "Чем мех лучше, тем он дороже" (C)

Купленный аккумулятор имеет номинальную ёмкость 10.5 А*ч (реальная оказалась выше); но существует в этом же типоразмере аккумулятор с ёмкостью 7 А*ч (он дешевле, естественно).

Аккумулятор продаётся не "голым", а с целым комплектом принадлежностей:

Весь представленный комплект, по существу, предназначен для работы аккумулятора за пределами бесперебойников (ИБП).

В комплекте аккумулятора есть зарядное устройство с номинальным напряжением 14.6 В и током выхода 2 А. Ток выхода - стабилизирован (проверено), превысить его не получится (но так и должно быть по правилам зарядки аккумуляторов CC-CV, "constant current - constant voltage").

Зарядное устройство в комплекте предусмотрено для тех случаев, когда аккумулятор будет использоваться не в ИБП, а в других устройствах. А при использовании в ИБП сам бесперебойник и должен будет заряжать аккумулятор в его свободное от основной работы время.

Тест аккумулятора Kanavano LiFePO4

Первый тест был самым простым: проверка реальной ёмкости аккумулятора при зарядке штатным зарядным устройством и "медленной" разрядке небольшим током около 1 А на мощный резистор 12 Ом. Ёмкость оказалась почти точно равна 12 А*ч. Почему она оказалась выше заявленной 10.5 А*ч, разберёмся далее при разборке аккумулятора.

Затем аккумулятор был подключен к бесперебойнику APC Smart-UPS, но установлен был не внутрь бесперебойника, а поставлен рядышком для контроля происходящих процессов при заряде и разряде аккумулятора.

Первый тест - с нагрузкой 70 Ватт (простой компьютер офисного типа под Windows 10 в состоянии бездействия).

Тепловой снимок аккумулятора показал странные узоры в районе верхней крышки аккумулятора:

Затем эксперимент был усилен по мощности нагрузки.

При увеличении нагрузки до 140 Ватт (лампа накаливания 150 Вт с реальной мощностью 140 Вт) в некоторых местах крышки аккумулятора температура повысилась свыше 100 градусов:

Тепловой снимок был сделан тепловизором InfiRay T2S Plus, обзор есть на стороннем ресурсе.

Ситуация требовала детального изучения, для чего было произведено вскрытие аккумулятора снятием верхней крышки. Крышка оказалась приклеена "на совесть", и лишь чудом при этом не был разломан весь аккумулятор целиком.

Под крышкой аппаратная часть оказалась прикрытой толстой защитной бумагой пергаментного типа зелёного цвета. Чтобы добраться до собственно аппаратной начинки, пришлось бумагу надорвать. И вот что открылось пытливому взору испытателя:

Под пергаментной бумагой обнаружилась плата BMS (балансировки аккумуляторной батареи), совмещённая с платой защиты.

На следующем фото - плата BMS крупным планом:

В качестве ключей защиты на плате BMS установлены 4 мощных транзистора 80N03T4 (MOSFET, 80 A, 30 V), соединённых, видимо, встречно в две параллельные цепочки. Под ними расположен резистор номиналом 6 миллиОм, служащий датчиком тока.

Наличие платы защиты - одно из коренных отличий литиевых аккумуляторов от свинцовых (у которых этой платы нет). Дело в том, что свинцовые аккумуляторы имеют гораздо более высокую стойкость к превышению тока разряда, и им плата защиты не требуется (они не могут даже при наихудших условиях взорваться и загореться).

Но, самое главное, при вскрытии тестируемого аккумулятора обнаружились слишком тонкие проводники, идущие от собственно аккумуляторной батареи к внешним контактам! Вот они-то и разогревали верхнюю часть аккумулятора при большом токе отдачи.

Для проверки аккумулятор был подключен к бесперебойнику со снятой крышкой, после чего был сделан тепловой снимок при нагрузке 140 Вт:

Провода раскалились до 135 градусов! Хорошо, что изоляция у них - теплостойкая, силиконовая; а то бы расплавилась.

Кстати, благодаря резистору 6 миллиОм удалось измерить ток в этом режиме, он составил почти 15 А (при напряжении на аккумуляторе 11.85 В).

Такой нагрев проводов не только ухудшает температурный режим аккумулятора, но и заодно снижает его КПД и длительность автономной работы (на каждом проводе в тепло уходит 1-2 Вт мощности в зависимости от тока нагрузки).

Доработка.

В результате было принято решение заменить каждый из этих тонких проводников на пару параллельных примерно такого же сечения.

И вот что получилось:

Здесь надо обратить внимание на то, что положительный контакт на крышке и подходящие к нему провода дополнительно защищёны термоусадочной трубкой. Это связано с тем, что при сборке положительный контакт на крышке будет находиться точно над отрицательным контактом на плате; и при надавливании на крышку они могут соприкоснуться с последующим коротким замыканием. Теоретически можно было бы крышку развернуть на 180 градусов, но практически этому могут мешать зазубрины, оставшиеся на корпусе и крышке после их силового разделения (при повороте крышки они могут не совпасть друг и с другом и мешать установке крышки точно на своё место).

Проверка аккумулятора с новыми проводниками показала, что они нагреваются под нагрузкой 140 Вт только до 66 градусов, что вполне приемлемо.

Насколько нужна эта доработка?!

Во-первых, от момента покупки аккумулятора до его тестирования и вскрытия прошло довольно много времени. Возможно, что производитель уже в курсе проблемы и исправил её самостоятельно. Проверить можно по силе нагрева крышки аккумулятора вдали от контактов для подключения к бесперебойнику. Если там есть сильный нагрев "пятнистого" характера (можно проверить просто пальцем), то, скорее всего, проводники там тонкие и доработка желательна.

Во-вторых, если потребление Вашей нагрузки не будет превышать 100 Вт, то доработка совсем не обязательна. Лучше не портить изящное изделие грубым вскрытием.

Завершающие тесты.

Теперь, после решения проблемы, можно довести до конца стандартные тесты.

Первый тест не будет собственно электрическим тестом, а будет продолжением осмотра "начинки", который даст важную информацию о ёмкости аккумулятора:

Каждая "банка" в этой аккумуляторной батарее имеет ёмкость 4000 мА*ч. Всего, таким образом, учитывая параллельное соединение трёх цепочек аккумуляторов, получаем ёмкость 12000 мА*ч (12 А*ч). Так что аномальный с виду результат теста ёмкости (12 А*ч при номинале 10.5 А*ч) на самом деле - не аномальный, а реальный, никакого чуда здесь нет.

Кстати, в аккумуляторе применены элементы стандарта 26700 (диам. 26 мм, дл. - 70 мм), всего - 12 "банок".

Длительность автономной работы компьютера офисного типа от ИБП с этим аккумулятором с запуском программ, не сильно повышающих потребление энергии (браузер, текстовый редактор и т.п.), составила 1 час 10 минут. В этом тесте монитор с диагональю 27 дюймов тоже был подключен к ИБП, его собственное потребление составило 21 Вт. Для мониторов с меньшей диагональю потребление должно быть меньше, а длительность автономной работы - выше.

Почему нельзя использовать бесперебойник с таким аккумулятором для мощных (игровых) компьютеров, будет изложено в заключительной главе.

И, наконец, тест, который получился случайно, - на устойчивость к короткому замыкаю. Этот тест прошел положительно, аккумулятор не выходит из строя; и после ликвидации КЗ напряжение на нём восстанавливается.
 

Тонкости работы аккумуляторной батарейки Kanavano LiFePO4 12 В

Все тонкости работы этого аккумулятора происходят из его главного отличия от свинцовых аккумуляторов - наличия платы защиты (совмещённой в данном случае с платой балансировки, но она уже не будет иметь значение с точки зрения рассмотренных далее особенностей).

Из наличия этой платы (а без неё литию нельзя) проистекает ограничение предельного тока, отдаваемого аккумулятором. У разных литиевых аккумуляторов он может быть разным, но он какой-то предел есть у всех. А у свинцового аккумулятора этого предела нет: сколько хотите, столько и забирайте! Другой вопрос, что чрезмерные нагрузки вредны и для свинцового аккумулятора; но, если речь идёт о кратковременном пусковом токе, то никакого вредного эффекта это не даст.

Для литиевого аккумулятора с платой защиты большой пусковой ток может стать проблемой: плата защиты отключит аккумулятор, и питаемое устройство не включится.

Для проверки изложенных теоретических соображений были сделаны попытки "холодного старта" (т.е. с отключенным сетевым питанием) бесперебойника с тестируемым аккумулятором с различными устройствами в качестве нагрузки. И вот результаты:

Компьютер - не включился;

Лампа накаливания 150 Вт - не включилась;

Лампа накаливания 40 Вт - не включилась;

Светодиодная лампа 40 Вт - не включилась;

Светодиодная лампа 11 Вт - не включилась.

Отдельно было опробовано включение 12-вольтового автомобильного компрессора с питанием напрямую от аккумулятора - не включился.

Как можете видеть, ни одной удачной попытки "холодного старта" не получилось; хотя причины высокого пускового тока при подключении разных нагрузок - разные.

В случае компьютера и светодиодных ламп высокий пусковой ток создают конденсаторы на входе этих устройств, для ламп накаливания - малое сопротивление нити в холодном состоянии, для мотора компрессора - малое сопротивление обмотки ротора при отсутствии вращения.

Окончательный диагноз

В целом протестированный литий-железо-фосфатный аккумулятор Kanavano 12 В показал себя с положительной стороны. С ним источник бесперебойного питания работает надёжно и долго, так как ёмкость этого аккумулятора выше ёмкости стандартного свинцового аккумулятора такого же типоразмера.

Благодаря большому допустимому числу циклов заряда-разряда (2000 - 7000 в зависимости от режима) и хорошему сохранению свойств при длительном хранении (до 15 лет) аккумулятор становится практически "вечным": он сможет прослужить долгие годы, а то и десятилетия.

Очень серьёзный "плюс" аккумуляторов LiFePO4 в ИБП - полная замена свинцовых аккумуляторов без переделки и перенастройки самих ИБП. Просто вставил аккумулятор, и всё работает!

Тем не менее, надо учитывать и обнаруженные практические ограничения при применении аккумуляторов этого типа (LFP, "лифер").

Во-первых, становится почти невозможной работа аккумулятора в бесперебойнике при "холодном старте": высокие пусковые токи вызывают срабатывание защиты. А для снятия защиты надо разбирать бесперебойник и на несколько секунд полностью отключить аккумулятор от схемы. Не лучшая перспектива!

Теоретически, можно бесперебойник "обмануть": в момент "холодного старта" подать напряжение от бесперебойника на питаемое устройство через мощный резистор для зарядки конденсаторов питаемого устройства, а уже потом закоротить резистор. В результате старт получится не совсем "холодным", и есть шанс, что всё заработает, как надо. Резистор надо будет подбирать экспериментально. Одним словом - геморрой. :)

Во-вторых, нельзя питать от бесперебойника с таким аккумулятором мощные игровые компьютеры. Они имеют свойство резкого изменения потребления в зависимости от игрового действия; и при скачках потребления аккумулятор тоже может уйти в защиту.

Удел протестированного аккумулятора - не слишком мощные компьютеры офисного типа; в идеале - мини-ПК, основанные на мобильных процессорах (у которых в принципе не может возникнуть высокого потребления мощности).

Дополнительная информация: производитель разрешает параллельное соединение аккумуляторов (после выравнивания напряжения на них), но запрещает последовательное.

Купить протестированный аккумулятор Kanavano 12 В LFP можно на Алиэкспресс в официальном магазине производителя. Цена на дату обзора - около $52, на распродажах - на несколько процентов ниже.

В том же магазине есть аккумуляторы на другие ёмкости и типоразмеры (больше и меньше).

Реклама. ООО "АЛИБАБА.КОМ (РУ)" ИНН 7703380158

  Ваш Доктор.
 19 апреля 2024 г.

Вступайте в группу SmartPuls.Ru  Контакте! Анонсы статей и обзоров, актуальные события и мысли о них.

  Комментарии вКонтакте:

    Доктора! (Администрация сайта - контакты и информация)
  Группа SmartPuls.Ru  Контакте - анонсы обзоров, актуальные события и мысли о них