CC BY
81
УДК 629.33
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ ПАРАМЕТРІВ LiFеPO4 БАТАРЕЙ
О.П. Сітовський, доцент, к.т.н., А.М. Кашуба, аспірант,
Луцький національний технічний університет
Анотація. Проведено експериментальні дослідження параметрів LіFеPO4 батарей. Виготовлено та налаштовано комплекс вимірювальної апаратури для визначення енергетичних параметрів акумуляторних батарей. Визначено залежності заряду, накопиченого в акумуляторній батареї, від напруги в режимах заряду та розряду.
Ключові слова: експериментальні дослідження, акумуляторна батарея, заряд, розряд, ємність.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ LiFеPO4
БАТАРЕЙ
О.Ф. Ситовский, доцент, к.т.н., А.Н. Кашуба, аспирант,
Луцкий национальный технический университет
Аннотация. Проведены экспериментальные исследования параметров LiFеPO4 батарей. Изготовлен и настроен комплекс измерительной аппаратуры для определения энергетических параметров аккумуляторных батарей. Определены зависимости заряда, накопленного в аккумуляторной батарее, от напряжения в режимах заряда и разряда.
Ключевые слова: экспериментальные исследования, аккумуляторная батарея, заряд, разряд, емкость.
EXPERIMENTAL RESEARCH OF LiFePO4 BATTERIES PARAMETERS
O. Sitovskyi, Associate Professor, Doctor of Technical Science,
A. Kashuba, postgraduate, Lutsk National Technical University
Abstract. The experimental researches of LiFePO4 batteries parameters are conducted. The complex test equipment for determination of energy parameters of batteries is made and configurated. The dependences of the charge accumulated in the battery on the voltage in the charge and discharge modes.
Key words: experimental research, battery, charge, discharge, capacity.
Вступ
Споживання палива з кожним роком зростає. На автомобільний транспорт припадає значна частина споживаних енергетичних ресурсів. Це зростання призводить до вичерпання покладів нафти, оскільки нафта є скінченним джерелом енергії. Разом з тим паливо на основі нафти чинить неабиякий вплив на навколишнє середовище. Вчених всього світу турбує питання збереження чистоти довкілля, оскільки екологічна обстановка у світі
значно погіршилась за останні десятиліття. Викиди шкідливих речовин двигунами внутрішнього згоряння транспортних засобів суттєво впливають на екологічне забруднення довкілля.
Аналіз публікацій
На сьогодні автомобільна промисловість велику увагу приділяє розробці транспортних засобів із гібридними силовими установками та електромобілів. Однак до недавнього часу головним недоліком таких транспортних за-
собів була низька питома ємність і низька довговічність акумуляторних батарей та інших накопичувачів електроенергії. Технічний прогрес дозволив організувати розробку і масовий випуск літій-іонних акумуляторних батарей.
Найбільш перспективними є літій-феро-фосфатні (LiFePO4) батареї [1, 2]. Вони мають високу питому ємність 145-230 Втгод/кг, великі зарядні та розрядні струми (до 10 С), тривалий термін служби (більше 6-7 років) [3, 4]. Такі батареї можуть швидко заряджатися - 85 % за півгодини зі струмом 2 С і розряджатись струмом 5 С протягом 10 с, що в 5-
10 разів швидше, ніж в інших типів акумуляторних батарей (рис. 1, 2, 3).
Час, хв
Рис. 1. Характеристика розряду LiFеPO4 батарей
Ємність, %
Рис. 2. Залежність ємності LiFePO4 батарей від температури
Час,хв
Рис. 3. Характеристика швидкого заряду LiFePO4 батарей
Число циклів заряд-розряд LiFePO4 батарей досягає понад 2000 із залишковою ємністю
80 % (рис. 4), що в 7 разів більше, ніж у свинцево-кислотних батарей, і в 2 рази більше, ніж у нікель-металгідридних батарей. Проте з підвищеними показниками ємності, потужності, строку служби до LiFePO4 батарей висуваються додаткові, більш жорсткі вимоги щодо граничних напруг, точності їх вимірювання і підтримування під час експлуатації.
І *
і * юо%
11
* S 75%
50%
25%
о ---1---1-----1-1--1--1---1--1--;---1
0 200 400 60Q 800 1000 1200 1400 1600 1600 2000
Число циклів
Рис. 4. Залежність залишкової ємності від числа циклів заряд-розряд
Мета і постановка задачі
У даній роботі за мету ставилося провести експериментальні дослідження для визначення робочих характеристик батарей, виготовлених з LiFePO4 акумуляторів ємністю 15 Агод.
Відповідно до поставленої мети необхідно було вирішити такі задачі:
1. Виконати цикл заряд-розряд батарей.
2. Під час заряду і розряду визначити співвідношення між процентом заряду батарей і напругою батарей.
3. Визначити межі спрацювання балансирів і номінальні струми для їх правильної роботи.
Результати досліджень
Для проведення експериментальних випробувань використовувались дві батареї LiFePO4 акумуляторів (по 16 акумуляторів в одній батареї) ємністю по 15 Агод, з’єднані паралельно-послідовно (2P8S). У зв’язку з підвищеними вимогами до напруги кінця заряду і напруги кінця розряду на акумулятори було встановлено 16 балансирів для контролю вказаних напруг і автоматичного вирівнювання між акумуляторами накопиченої енергії.
Заряд проводився за допомогою регульованого трансформаторного пристрою із зарядним струмом до 12 А. Розряд здійснювався навантаженням активних опорів, струмом 5-10 А.
Вимірювання проводилися за допомогою мультиметра Mastech MS 2108 А та преце-зійного ватметра й аналізатора енергії ВК320 12615. Їх технічні характеристики наведені в табл. 1.
Таблиця 1 Технічні характеристики вимірювальних приладів
№ Показник Діапазон Похибка
1 Напруга, В 4,8-60 0,01
2 Струм, A 0-130 0,01
3 Потужність, Вт 0-6554 0,1
4 Енергія, Втгод 0-6554 0,1
Mastech MS 2108 A
5 Напруга, В 40-400 ± 0,8 %
6 Струм, A 40-400 ± 2 %
У результаті проведених експериментальних досліджень було виконано цикли заряд-розряд ЬіБеР04 батарей. Під час виконання циклів заряд-розряд постійно велись спостереження і фіксувались напруга, струм, потужність, передана енергія (рис. 5).
Рис. 5. Літієві батареї під час проведення циклу
У процесі проведення експериментальних досліджень було встановлено, який процент енергії передано до батареї або отримано від неї залежно від напруги на клемах. Результати замірів наведені на графіках (рис. 6, 7).
с,=г- 07118* 11*Ufi4 + 70947* II ї3 - 1 F+Of *Ufi2+3F +07*116 3F+08
R2 = 0,99
Рис. 6. Залежність процента залишкового заряду батареї від напруги при розряді
52,0 52,5 53,0 53,5 54,0 54,5 55,0 55,5 56,0 56,5
Напруга батареї U6, В
Рис. 7. Залежність процента заряду батареї від напруги при заряді
Висновки
У результаті експериментальних досліджень:
- проведено дослідження та побудовано графіки залежності процента розряду та заряду LiFePO4 акумуляторної батареї від напруги при 80 % глибині розряду;
- визначено граничні напруги для надійної та безпечної експлуатації LiFePO4 батарей з 16 елементів (Umin=48 B, Umax=56,5 B);
- практично визначено оптимальні значення струму зарядки (1-2 A) при спрацюванні балансирів для вирівнювання ємності акумуляторів.
Література
1. Синергетичний автомобіль. Теорія і практи-
ка / О.В. Бажинов, О.П. Смирнов, СА Сєріков, В.Я. Двадненко; за ред. О.В. Бажинова. - Х.: ХHAДУ, 2011. -236 с.
2. Ломакин В.В. К вопросу выбора мощности
ДВС энергетической установки гибридного автомобиля / В.В. Ломакин, АВ. Шабанов, A.A. Шабанов. [Електронний ресурс] // http://www.aae-press. ru/f/78/26.pdf
3. Звонарёв Е. До 2000 циклов «заряд-
разряд»: литий-железофосфатные аккумуляторы ЕЕМВ. Новости электроники № 2, 2012 г.: [Електронний ресурс] / Е. Звонарёв. - http://compelj ournal.ru/ images/articles/. 2012_2_10.pdf.
4. HiPower LiFePO4 Battery test - Performance
test. [Електронний ресурс]. -http://www.hipowergroup.com/ad02.asp.
Рецензент: О.В. Бажинов, професор, д.т.н., ХHAДУ.
Стаття надійшла до редакції 23 вересня 2013 р.
