Разбаланс ячеек LiFePO4: как читать напряжения в BMS и когда пора вмешиваться

Здоровье батареи LiFePO4 по напряжениям ячеек оценивают в двух точках: в конце заряда и в конце разряда. В середине диапазона разброс между ячейками почти ничего не говорит, потому что кривая напряжения у этой химии плоская. Нормальная картина — разница между самой высокой и самой низкой ячейкой в единицы милливольт в середине заряда и до десятков милливольт у верхней границы, причём она не растёт от цикла к циклу. Тревожный сигнал — не сама величина разброса, а его рост со временем и расхождение, которое не исчезает после долгого заряда. Точные пороги указаны в паспорте конкретной батареи, а в этом уроке вы научитесь снимать данные и делать по ним выводы.

В предыдущем уроке разбиралось, что такое система управления батареей BMS и какие защиты она включает. Теперь мы открываем её экран или приложение и учимся читать главную таблицу: напряжения отдельных ячеек.

Что такое разбаланс и откуда он берётся

Батарея на 51,2 В состоит из 16 последовательно соединённых ячеек номиналом 3,2 В. Через все ячейки течёт один и тот же ток, но сами ячейки не идентичны: у каждой немного своя ёмкость, свой внутренний резистор, свой саморазряд. Заводская подборка уменьшает разброс, но не убирает его полностью. Со временем различия накапливаются: ячейка с меньшей ёмкостью быстрее заряжается и быстрее разряжается, а ячейка с повышенным саморазрядом понемногу «отстаёт» по заряду.

Разбаланс — это ситуация, когда ячейки при одном и том же токе находятся в разных состояниях заряда. Последствия понятны: при заряде первой достигнет предельного напряжения самая слабая (или самая заряженная) ячейка, и BMS остановит заряд всей батареи, хотя остальные ячейки ещё не полны. При разряде первой упадёт самая слабая, и BMS отключит батарею, хотя у остальных остался запас. Так батарея теряет полезную ёмкость, причём не из-за износа, а из-за рассогласования.

Механизм борьбы у BMS — балансировка. Пассивная (самая распространённая) сжигает избыток энергии самой заряженной ячейки на резисторе, пока остальные догоняют. Ток балансировки небольшой, обычно от десятков до сотен миллиампер, и точное значение указано в паспорте BMS. Активная перекачивает энергию между ячейками. О том, чем они отличаются и когда помогает внешний прибор, рассказано в статье про активные и пассивные балансировщики.

Почему смотреть нужно в конце заряда и в конце разряда

У литий-железо-фосфатных ячеек напряжение в широком диапазоне заряда почти не меняется: от 20–30 % до 90 % оно держится вокруг 3,2–3,3 В и лишь едва поднимается. Это называют плоским плато. Следствие для измерений: когда батарея заряжена наполовину, разница в несколько десятков милливольт между ячейками может соответствовать заметной разнице в заряде, а может не соответствовать ничему, потому что на плато напряжение почти не зависит от заряда и сильно зависит от тока, температуры и погрешности измерения. По разбросу в середине судить о балансе нельзя.

В конце заряда кривая круто идёт вверх: у ячейки 3,45 В и 3,6 В — это очень разные заряды. Здесь напряжение «чувствительное»: если одна ячейка выскочила к 3,6 В, а другие на 3,45 В, различие в заряде реально и значительно. По этой же причине рост напряжения у верхней границы — главный индикатор. С нижней стороны ситуация такая же: на подходе к концу разряда напряжение резко падает, и слабая ячейка обнажает себя первой.

Поэтому ориентиры читают так (с оговоркой, что точные пороги в паспорте вашей батареи):

• в середине заряда на плато разброс небольшой, единицы милливольт; значения побольше возможны и ещё ни о чём не говорят;
• вблизи 3,45–3,6 В на ячейку разброс в десятки милливольт допустим для пассивной балансировки, особенно в начале жизни батареи;
• главный сигнал — динамика: разброс от цикла к циклу растёт или не уменьшается после выдержки на поглощении;
• отдельно стоит смотреть, одна и та же ли ячейка каждый раз самая высокая или самая низкая: если да, это приговор конкретной ячейке или её соединению, а не общему дрейфу.

Пошаговая процедура измерения

Чтобы оценить баланс корректно, нужны сопоставимые условия. Делайте так:

1. Подготовьте батарею. Убедитесь, что нет аварий и сообщений об ошибках, температура ячеек в рабочем диапазоне (заряд при отрицательной температуре запрещён, об этом в статье про работу LiFePO4 зимой). Не разряжайте ниже обычных границ специально для замеров.
2. Доведите батарею до полного заряда малым током. Малый ток уменьшает влияние внутреннего сопротивления и лучше показывает истинные напряжения. Уменьшите ток заряда в настройках инвертора или зарядного устройства до нескольких процентов от ёмкости (для батареи 100 А·ч — порядка 10–20 А, точнее смотрите в руководстве).
3. Выдержите на поглощении. Когда напряжение батареи достигло уставки поглощения, держите его там заданное время (час и больше), пока ток не упадёт. Пассивная балансировка работает как раз в этот период, и на нём она «успевает» подтянуть ячейки.
4. Запишите значения. На экране BMS или в приложении зафиксируйте напряжения всех 16 ячеек, максимальное (max), минимальное (min) и разность (delta = max − min). Отметьте номера ячеек, где max и min. Запишите дату, ток, температуру.
5. Повторите в конце разряда. Разрядите батарею обычным рабочим режимом до нижней границы (не глубже допустимой), в конце снимите те же данные.
6. Повторите через неделю. Один замер — это фотография, а нужна динамика. Сравните delta и номера крайних ячеек.

Результаты удобно вести таблицей: дата, состояние (конец заряда или разряда), delta, ячейка max, ячейка min, ток, температура. После трёх-четырёх замеров станет ясно, движется ли картина в нужную сторону.

Не забывайте о точности самого измерения. BMS измеряет напряжение ячеек с некоторой погрешностью, которая указана в её документации (обычно несколько милливольт и более). Различия на уровне погрешности ничего не значат. И не доверяйте единичному замеру на ходу под большим током: падения на внутреннем сопротивлении и разъёмах искажают картину.

Таблица: что вижу, что это значит, что делать

Что видим	Что это может значить	Что делать
Разброс небольшой в середине заряда, умеренный в конце заряда, не растёт от замера к замеру	Норма для батареи с пассивной балансировкой	Продолжать эксплуатацию, раз в 1–2 месяца повторять замер
Delta в конце заряда велика, но через час выдержки на поглощении уменьшается	Балансировка работает, но не успевает за один цикл	Давать батарее полный заряд с выдержкой регулярно; не обрывать заряд, не ограничивать время поглощения
Delta в конце заряда не уменьшается за несколько циклов, растёт	Пассивная балансировка не справляется: слишком большая разница ёмкостей или слабый ток балансировки	Принудительная долгая балансировка по инструкции производителя; при отсутствии улучшения — обращение в сервис
Одна и та же ячейка всегда самая высокая в конце заряда и самая низкая в конце разряда	Ячейка с меньшей ёмкостью: «слабое звено»	Не лечить самостоятельно; сервис, возможна замена или перебор модуля
Одна ячейка показывает резко иное напряжение, остальные в норме, при этом батарея греется в одном месте	Плохой контакт перемычки или клеммы, повышенное сопротивление соединения	Выключить батарею, осмотреть разъёмы и затяжку; при нагреве не включать и вызвать специалиста
Показания ячейки скачут или стоят на нуле, другие ячейки в норме	Ошибка датчика, обрыв измерительного провода	Проверить разъём измерительной колодки; при сохранении — сервис
Delta велика при низком напряжении в конце разряда	Слабая ячейка падает первой, BMS отключает по минимальному напряжению раньше времени	Не разряжать до отключения BMS; сервис, проверка ёмкости ячейки

Время балансировки: прикидка на пальцах

Пассивной балансировке нужно время, и его можно оценить. Допустим, ёмкость батареи 100 А·ч, а самая заряженная ячейка опережает остальные на 2 % ёмкости, то есть на 2 А·ч. Допустим также, что ток балансировки 100 мА (0,1 А; реальное значение — по паспорту BMS). Время: 2 А·ч ÷ 0,1 А = 20 часов балансировки одной ячейки. Если балансировка включается только в верхней части заряда, когда выдержка на поглощении длится час-два в день, на выравнивание уйдёт больше десятка дней при условии, что регулярно доходит полный заряд.

Отсюда два вывода. Первый: батарея, которую годами заряжают лишь до 70–80 %, никогда не балансируется, и разброс накапливается. Второй: при ошибках вроде «АКБ не набирает 100 %» (о причинах см. статью «Аккумулятор не набирает 100 %») баланс страдает в первую очередь, и лечение — именно регулярный полный заряд.

Когда процентам в приложении доверять нельзя

Разбаланс влияет на показания процентов заряда (SOC). BMS вычисляет SOC по току и корректирует его на границах заряда и разряда. Если баланс плохой, коррекции происходят «не вовремя», и проценты начинают врать: 100 % на экране при недозаряженных ячейках, внезапное падение с 20 % до 0. В таком случае помогает калибровка, она разобрана в статье «Калибровка SOC LiFePO4». Но сначала убедитесь, что проблема не в самих ячейках, иначе калибровка скроет симптом.

Когда вмешиваться самому, а когда звать сервис

Самостоятельно допустимо:

• давать регулярный полный заряд с выдержкой на поглощении;
• снизить ток заряда и повторить замеры;
• проверить внешние соединения батареи с инвертором на затяжку и нагрев (при отключённой батарее и с соблюдением мер безопасности);
• проверить версию прошивки BMS и настройки инвертора по руководству производителя.

Звать сервис следует, когда:

• одна и та же ячейка устойчиво является «слабой» от цикла к циклу;
• delta в конце заряда растёт, несмотря на регулярные полные заряды;
• есть нагрев, запах, вздутие, следы электролита;
• BMS постоянно отключает батарею по напряжению отдельной ячейки;
• батарея на гарантии: самостоятельное вскрытие обычно эту гарантию снимает.

Не следует: подзаряжать отдельные ячейки напрямую от внешнего источника, перемыкать BMS, менять ячейки на разные по партии и ёмкости, «лечить» батарею высоким током. Такая самодеятельность превращает лечение разбаланса в риск пожара. Требования пожарной безопасности собраны в статье про пожарную безопасность LiFePO4-накопителей.

Типичные ошибки

• Оценивают баланс по середине заряда. На плато вольтаж ничего не говорит.
• Меряют под током. Падение на сопротивлении искажает картину; снимайте при малом токе.
• Делают один замер. Нужна динамика: хотя бы три замера за две-три недели.
• Никогда не доводят до полного заряда. Пассивная балансировка начинается у верхней границы, и без неё баланс не вернуть.
• Принимают погрешность измерения за разбаланс. Различие в пределах паспортной погрешности BMS не значит ничего.
• Игнорируют нагрев контактов. Дефект соединения выглядит как «странная» ячейка, но лечится не балансировкой.
• Лечат неисправную батарею сами. Некоторые вещи делает только сервис.

Частые вопросы

Какой разброс напряжения ячеек считается нормальным?

Единого числа нет. Ориентир: единицы милливольт в середине заряда, до десятков милливольт у верхней границы напряжения. Точные пороги указаны в паспорте вашей батареи. Решающий признак — не величина, а динамика: рост от цикла к циклу.

Нужно ли покупать внешний балансировщик?

Не всегда. Если пассивная балансировка справляется при регулярном полном заряде, внешний прибор лишний. Он оправдан при большой исходной разнице ячеек и в самосборных батареях. Подробности в статье про балансировщики.

Как часто измерять разброс?

В первые месяцы эксплуатации — раз в 1–2 недели, чтобы увидеть динамику, потом раз в 1–2 месяца и после любых необычных событий: перегрева, глубокого разряда, ошибок BMS.

Можно ли выровнять ячейки быстрее, чем за дни?

Пассивная балансировка медленна по определению. Ускорить можно только долгой выдержкой на поглощении и более полным зарядом либо внешним балансировщиком. Резкие меры вроде высокого тока опасны.

Урок модуля «Аккумуляторы и накопители». Если батарея перестала «видеть» инвертор или процент заряда ведёт себя странно, переходите к уроку про калибровку SOC.