Engifar LiFePo4 litiumakut

Tältä sivustolta löydät olennaiset ja ajantasaiset tiedot Engifar LiFePo4-litiumakuista.

Bluetooth-sovellukset

Akun BMS-yksikköön on kytketty Bluetooth, jonka avulla on mahdollista seurata akun parametrejä, kuten akun reaaliaikaista varaustilaa. Bluetooth-valmistajaksi valikoitui XiaoXiang, sillä se tarjoaa mielestämme monipuolisimmat tiedot akusta ja useat matkapuhelimille tehdyt BMS-applikaatiot tukevat sitä.

Suosittelemme Little Elephant-sovellusta: Android (Google Play-kauppa) ja iOS (App Store)

Jännitetasot ja suojausrajat

Valituilla jännite- ja lämpötilarajoilla suojataan akkua väärinkäytöltä ja pidennetään akun käyttöikää. Akuissa käytetään seuraavia suojausrajoja:

12,8 V akuissa:

BMS:n alijännitekatkaisu: 10,0 V
BMS:n ylijännitekatkaisu: 14,6 V
Suositeltu korkein latausjännite: 14,2 - 14,4V
Balansoinnin aloitusjännite: 13,3 V
Latauksen minimilämpötila: 0°C
Purkauksen minimilämpötila: -20°C
Latauksen maksimilämpötila: 55°C
Purkauksen maksimilämpötila: 65°C

25,6 V akuissa:

BMS:n alijännitekatkaisu: 20,0 V
BMS:n ylijännitekatkaisu: 29,2 V
Suositeltu korkein latausjännite: 28,4 - 28,8 V
Balansoinnin aloitusjännite: 26,6 V
Latauksen minimilämpötila: 0°C
Purkauksen minimilämpötila: -20°C
Latauksen maksimilämpötila: 55°C
Purkauksen maksimilämpötila: 65°C

Tausta

Lähdimme kehittämään ajatusta omasta litiumakusta heti yrityksemme perustamisen jälkeen, sillä meillä oli myös omakohtaista tarvetta luotettaville, helppokäyttöisille ja riittävän edullisille akuille kesämökeille ja veneeseen. Lisäksi olimme turhautuneita syväpurkauslyijyakkujen ominaisuuksiin - akuston koko oli pakko ylimitoittaa reilusti, kun lyijyakun virranantokyky heikkenee radikaalisti akun tyhjentyessä, ja koko kapasiteetti ei ole käytettävissä. Lyijyakut olivat mielestämme suurin heikkous aurinkosähköjärjestelmissä.

Akun jännitetasojen tuli olla lähellä nykyisiä syväpurkausakkuja, jotta lyijyakkujen korvaaminen olisi mahdollisimman yksinkertaista. Lisäksi akun tulisi pystyä kestämään varsin haastavia olosuhteita mitä normaalistikin akut joutuvat esimerkiksi veneissä kestämään. Ja luonnollisesti, ei vähäisimpänä tekijänä, akun syklinkesto ja eliniän tulisi olla huomattavasti lyijyakkuja pidempi.

Yksi suurimmista haasteista oli kuitenkin löytää akkuvalmistaja, joka täyttää laatukriteerimme ja joka pystyy toimittamaan tarvittavan turvallisuus- ja standardidokumentaation. Lopulta kennotoimittajaksi valikoitui Gotion.

Akuston kennot

Edellämainituista syistä akkuteknologiaksi valikoitui LiFePo4, eli litiumrautafosfaatti. Litiumrautafosfaattiakut ovat parhaimmillaan nimenomaan energian varastointisovelluksissa, ja viime aikoina myös osa sähköautovalmistajista on siirtynyt tähän teknologiaan. Akut ovat IP65-luokiteltuja ja kennotyypiksi valikoituivat prismaattiset kennot. Kennot ovat tyypiltään prismaattisia, eli ne ovat muodoltaan kantikkaita ja yksittäisen kennon kapasiteetti on huomattavan suuri. Litiumakkuja tehdään myös pienemmistä sylinterimallisista kennoista, mutta mielestämme prismaattiset kennot ovat käyttötarkoitukseemme parempia. Prismaattiset kennot vievät vähemmän tilaa, niistä kootussa akussa on huomattavasti vähemmän liitoksia ja näiden kennojen virranantokyky on parempi. Akun kennot asennetaan usein vain yhteen sarjaan ja Engifar 100 Ah akku onkin muotoa 4S1P (12,8V) ja 8S1P (25,6V), eli neljä tai kahdeksan kennoa sarjassa (S=series, P=parallel).

Koko kennopaketti on suljettu tiukasti kestävään ABS-muovista valmistettuun koteloon, joka suojaa kennoja mm. mekaanisilta vaurioilta ja kosteudelta.

Esimerkkejä kennotyypeistä. Kuvassa sylinterikennoista muodostettuun akkuun on kytketty akun BMS-yksikkö.

BMS eli Battery Management System

Laadukkaissa litiumakuissa on aina kennojen lisäksi myös BMS-yksikkö, eli eräänlainen tietokone, joka seuraa akun tilaa ja sen käyttöä. BMS on ohjelmoitu suojaamaan kennoja esimerkiksi liian suurilta lataus-/purkuvirroilta, yli- tai alijännitteeltä, keskeyttämään latauksen tai purkauksen liian matalassa tai korkeassa lämpötilassa jne. Näillä suojauksilla parannetaan akun eliniänodotetta estämällä akun väärinkäyttö. Lisäksi suojaukset varmistavat akun turvallisuuden suojellen sitä esimerkiksi yläkuumenemisen aiheuttamalta vaurioitumiselta.

Engifar 100 Ah akussa on BMS, jonka suurin jatkuva virranantokyky on 100A, eli se mahdollistaa akun purkamisen 1C purkausvirralla, eli yhden tunnin aikana. Hetkellisesti BMS sallii jopa 260A purkausvirran (2,6C), eli akun kanssa voidaan käyttää esimerkiksi melko suurta invertteriä. Esimerkiksi 12,8V akussa jatkuva tehonantokyky on 1280 W, ja hetkellinen 3300 W. Akun kanssa voi siis helposti käyttää 12V 1000W invertteriä jonka hetkellinen tehonantokyky on 2000W.

Litiumakkujen asentaminen ja käyttökohteet

Engifar 100 Ah litiumakku soveltuu useimmissa tapauksissa suoraan korvaamaan syväpurkauslyijyakut. Näitä käyttökohteita ovat esimerkiksi veneiden hupiakut, kesämökkien aurinkosähköjärjestelmät, tai monet muut energianvarastointisovellukset. Litiumakua ei ole tarkoitettu korvaamaan kuitenkaan käynnistysakkua käynnistysakuilta vaadittavan suuren hetkellisen virranantokyvyn takia.

Engifar 100 Ah 12,8V litiumakkuja on mahdollista kytkeä sarjaan neljä kappaletta, jolloin järjestelmän nimellisjännite on 51,2 V. Akkuja voi asentaa rinnakkain korkeintaan neljä kappaletta, jolloin suurin mahdollinen akustokoko olisi 4x4=16 kpl 12,8V 100 Ah akkuja, jonka uskomme kattavan hyvin laajatkin järjestelmätarpeet.

Litiumakkujen jännitetaso on hieman korkeampi kuin lyijyakkujen, joten lyijyakkuja ja litiumakkuja ei koskaan tule käyttää samassa akustossa keskenään.
Varmista että laturin korkein latausjännite on yhteensopiva litiumakkujen kanssa. Suosittelemme 12,8V LiFePo4 akulle 14,2 -14,4 V latausjännitettä. Yleisin syy BMS:n suojauksen kytkeytymiselle on ylijännite, joten älä lataa akkua laturilla, jonka jännite on 14,6 V tai enemmän. Jotkin lataussäätimet voivat hetkellisesti syöttää akustolle korkeaa paneelijännitettä, mikäli akku yhtäkkiä kytkeytyy irti järjestelmästä. Tämän takia on noudatettava akun käyttöohjekirjan ohjeita latausjännitteestä.
Älä sijoita litiumakkuja kuumaan paikkaan esimerkiksi kesämökin vintille, jossa kesähelteillä voivat lämpötilat nousta korkeiksi (yli 35°C). Tämä lyhentää akkujen käyttöikää merkittävästi. Mikäli akkua on tarve käyttää myös talvella, on akku sijoitettava tilaan, jonka lämpötila on lämpöasteiden puolella, esimerkiksi maavaraiseen tilaan, ja akkujen ympärille on syytä asentaa lämpöeristeitä.

Litiumakun suurimmat virrat

Litiumakkujen suurimmat suositellut purku- ja latausvirrat ovat 1 C ja 0,5 C. Tämä tarkoittaa käytännössä sitä, että 100 Ah akkua voidaan purkaa enintään 100 A virralla (noin 1300 W) ja ladata enintään 50 A virralla (noin 650 W). Näitä suuremmat virrat voivat olla haitaksi kennoille ja lyhentää niiden käyttöikää. Lisäksi suuret virrat rasittavat BMS:n osia ja aiheuttavat sen kuumenemista, joten ennenpitkää siinä oleva lämpösuojaus kytkeytyy liian suurella kuormituksella päälle ja keskeyttää akun käytön.

Litiumakuista on kuitenkin mahdollista saada hetkellisesti huomattavasti suurempiakin virtoja ulos, jota tarvitaan esimerkiksi sähkömoottoreille toimivien koneiden käynnistämiseen, kuten jääkaapit, vesipumput jne. Tätä piikkitehoa on kuitenkin mahdollista käyttää vain muutaman sekunnin ajan ja Engifar 100 Ah akussa se on rajattu 260 A maksimivirtaan noin viiden sekunnin ajaksi. Tämä riittää mainiosti esimerkiksi useimpien invertterien vaatimalle virralle. Useampia akkuja rinnakkainkytkettäessä akuston virranantokyky tietenkin kasvaa.

Litiumakun jännite ja käytettävissä oleva kapasiteetti

Litiumakun suurin sallittu latausjännite on 14,6 V. On kuitenkin suositeltavaa, että latauksen loppuvaiheessa (~95 % SoC) siirrytään matalampaan alle 14 V jännitetasoon. Sopivat jännitteet lataamiselle ovat Absorptio/Bulk-latausvaiheelle 14,2 V ja Float/Ylläpito-vaiheelle 13,5 V. Matalampi jännitetaso pidentää akuston käyttöikää, sillä toisinkuin lyijyakuilla, litiumakkua ei ole tarpeellista ladata 100% varaustilaan, vaan akusto toimii parhaimmillaan noin 15 % ja 95 % varaustilan välillä.

Jos latausjännitteenä käytetään 14,6V:ia tai suurempia arvoja on todennäköistä, että latauksen loppuvaiheessa kennojen jännitesuojaus kytkeytyy päälle, kun yksittäisen kennon jännite ylittää 3,65 V jännitteen ennen muita. BMS:n ylijännitesuojatila on aina epätoivottu, sillä laturi ja sähköjärjestelmässä olevat laitteet voivat pahimmassa tapauksessa viottua mahdollisen jännitepiikin seurauksena, kun akku yhtäkkiä kytkeytyy irti järjestelmästä ja lopettaa varauksen vastaanottamisen. Lisäksi kennojen balansointi ei ehdi toimimaan kunnolla, jos jännitesuojaus kytkeytyy päälle latauksen aikana.

Matalampi jännite rasittaa kennoja vähemmän ja loppujen lopuksi akun lataamisella aivan täyteen ei saavuteta juurikaan suurempaa akkuun varastoituvaa energiamäärää. Tämä on nähtävissä alla olevassa kennojen jännitettä latauksen aikana kuvaavassa käyrästössä. Yli 14 voltin latausjännitteillä saavutettava lisäkapasiteetti on siis vain muutamia ampeeritunteja.

Akkua purettaessa litiumkennojen jännite pysyy pitkälti vakaammalla tasolla verrattuna lyijyakkuihin, ja käyttöjännite vaihtelee enintään välillä 13,6-10 V, keskijännitteen ollessa 12,8 V. Suositeltu käytettävä kapasiteettialue on noin 15-95 %, joten akkua ei kannata purkaa ihan tyhjäksi eikä ladata ihan täyteen. Sopiva minimijännite onkin noin 12 - 12,6 V, riippuen käyttötarkoituksesta. BMS:n alijännitesuojaus kytkeytyy päälle 10,0 V jännitteessä, tai kun yksittäisen kennon jännite on 2,5 V. Säädä siis sähköjärjestelmäsi alijännitesuojaukset tätä korkeammalle tasolle, jotta vältät BMS:n aiheuttaman äkillisen akun irtikytkeytymisen sähköjärjestelmästä.

Litiumakun syklinkesto

Oikein käytettynä litiumrautafosfaattiakku kestää tuhansia lataus- ja purkusyklejä ilman merkittävää kapasiteetin heikkenemistä. Alla olevasta kuvasta nähdään erään litiumakun testituloksia eri purkuasteilla. Suurin kapasiteetin pienentyminen tapahtuu luonnollisesti tilanteessa, jossa akkua puretaan ja ladataan eniten, eli 100-25 % SoC tilanteessa. Tilanne ei merkittävästi parane vaikka väliä pienentää olemaan 100-40 % SoC ja tästä havaitaan, että litiumakun lataaminen korkeimpaan sallittuun jännitteeseen on sille jokseenkin haitallista. Kennovalmistajamme suositteleekin käyttämään akkua 95-15 % SoC välillä, joka on kompromissi pitkän toimintaiän ja suuren käytettävissä olevan energian välillä.

Toimintaikäodotetta voi entisestään parantaa muuttamalla laturin/lataussäätimen latausjännitettä matalammalle tasolle. Suosittelemme tavanomaiseen käyttöön latausjännitteitä välillä 14,2V - 14,4V. Joissakin laitteissa latausjännite on litiumakuille oletusarvoisesti 14,6 V, jolloin akku ladataan aivan täyteen. Mikäli haluat käyttää suositustamme matalampia latausjännitteitä, huomioi kuitenkin että akku pitää silloin tällöin ladata korkealle jännitetasolle joka mahdollistaa kennojen balansoinnin.

Liian korkeat säilytys- ja käyttölämpötilat voivat myös aiheuttaa ennenaikaista kapasiteetin heikkenemistä. Tämän vuoksi on kiinnitettävä huomiota akuston sijoituspaikkaan. Esimerkiksi ullakkotilan käyttäminen akuston asennuspaikaksi ei ole suositeltavaa.

Lähde: Battery University

Kennojen balansointi eli tasapainotus

Litiumakut kuten lyijyakutkin koostuvat useista sarjaankytketyistä kennoista. Jokainen kenno on yksilö, ja kennoissa on pieniä eroja, jotka johtavat siihen että kennojen varaustilat alkavat ennen pitkää poikkeamaan toisistaan. Lyijyakuissa eri kennojen balansointi on ratkaistu tekemällä ajoittain ylilatausta, eli ns. tasapainotuslatausta. Turvallisuuden ja kennojen vahingoittumisen riskin vuoksi samaa tekniikkaa ei voida käyttää litiumakuille. Sen sijaan litiumakkujen kennojen tasapainotus on toteutettu BMS:n avulla.

Jos kennot eivät ole kunnolla tasapainotettu, niin muita korkeamman jännitteen omaava kenno voi laukaista ylijännitesuojauksen turhan aikaisin akkua ladattaessa. Vastaavasti muita matalajännitteisempi kenno akkua purettaessa laukaisee alijännitesuojauksen, vaikka muissa kennoissa olisikin vielä käyttökelpoista varausta jäljellä. Huono tasapainotus pienentää siis akun kapasiteettia, sekä lyhentää akun käyttöikää, kun jotkut kennot kuluvat muita nopeammin.

BMS:ssä on jokaista kennoa varten vastus jota käyttämällä voidaan toteuttaa tasapainotus. Käyttämämme BMS tekee akun balansoinnin ns. "top balance" menetelmällä, eli akku tasapainotetaan lataussyklin loppuvaiheessa. Balansointi tapahtuu niin, että muita kennoja korkeammassa varaustilassa olevaa kennoa puretaan vastuksen kautta automaattisesti, jolloin varaustilat saadaan tasoitettua.

Käyttämässämme BMS:ssä on vastusten suurin balansointivirta 80 mA, joka on huomattavasti perusmalleja korkeampi. Suuremman virran ansiosta kennojen tasapainotus latauksen aikana on huomattavasti tehokkaampaa ja nopeampaa.

Litiumakku pakkasessa ja varastointi

Litiumakkujen suorituskyvyt heikkenevät lämpötilan laskiessa, kuten myös lyijyakulla tapahtuu. Tämä johtuu siitä, että kemialliset reaktiot, joihin akkujen toiminta perustuu, hidastuvat lämpötilan laskiessa. Litiumakkuja on mahdollista purkaa vielä -20 °C lämpötilassa, mutta lataamisen minimilämpötila on asetettu olemaan 0 °C, jolla varmistutaan siitä, etteivät kennot vaurioidu.

Litiumakkujen talvisäilytys eroaa myös jonkin verran lyijyakuista, eli niitä ei tule laittaa talveksi ylläpitolataukseen vaan ladata ne noin 50% varaukseen ja ottaa irti sähkölaitteista. Lyijyakkujen tapaan ne kannattaa ottaa säilytykseen viileään ja kuivaan paikkaan. Litiumakun huonoin säilytystapa on ladata akku täyteen ja varastoida se kuumassa paikassa esimerkiksi pannuhuoneessa. Tämä voi lyhentää niiden käyttöaikaa huomattavasti.

Litiumakun käyttö starttiakkuna

Lähtökohtaisesti litiumakkuja ei suositella käytettäväksi polttomoottorin starttiakkuna. Kennojen suurin suositeltu purkuvirta on 1C, eli 100 Ah akussa 100A. Hetkellinen virranantokyky yhdelle 100Ah akulle on 260 A, joka ei välttämättä riitä starttimoottorille ja näin suuri virta rasittaa niin kennoja kuin BMS-yksikköä. Mikäli aiot käyttää litiumakkua käynnistysakkuna, varmista siis ensin että starttimoottorin vaatima hetkellinen virta on litiumakun suorituskyvyn rajoissa.