Замена свинцовых аккумуляторов на LiFePO4 в старой станции

Свинцовую батарею в старой станции можно заменить на LiFePO4, не меняя инвертор, если в нём задаются пользовательские напряжения: заряд 55,2–56,0 В, поддержание 53,5–54,0 В, отключение 46–48 В — и если выключаются выравнивающий заряд и температурная компенсация. Вместо 400 А·ч свинца на 48 В достаточно примерно 200 А·ч лития на 51,2 В: полезная энергия получается почти та же. Если же инвертор знает только заводские свинцовые профили и ничего не даёт изменить, литий к нему подключать нельзя — его BMS будет раз за разом отключаться по перенапряжению. Ниже — расчёт и проверка по пунктам.

48 В и 51,2 В — не одно и то же

Свинцовая батарея на 48 В — это 24 элемента по 2 В. Литий-железо-фосфатная — 16 ячеек по 3,2 В, то есть 51,2 В. Обе работают на одной шине, но рабочие напряжения у них разные, и главное — по-разному расположены опасные границы.

Режим	Свинец, В на элемент	Свинец 24 элемента, В	LiFePO4 16 ячеек, В	Что будет с литием на свинцовой настройке
Основной заряд	2,35–2,45	56,4–58,8	55,2–56,0	57,6 В — это 3,6 В на ячейку, вплотную к защите BMS (обычно 3,65 В); при малейшем перекосе ячеек батарея отключится
Поддержание	2,25–2,30	54,0–55,2	53,5–54,0	Батарея постоянно стоит почти под полным напряжением заряда
Выравнивающий заряд	2,5–2,6	60–62,4	не применяется	BMS отключит батарею, инвертор останется без неё под зарядом
Отключение при разряде	1,75–1,85	42–44,4	46–48	42 В — это 2,6 В на ячейку: BMS сработает раньше инвертора

Значения для свинца зависят от типа (AGM, гель, жидкий электролит) и указаны в паспорте аккумулятора; для лития — в паспорте батареи. Расчёт строки: 57,6 ÷ 16 = 3,6 В на ячейку; 42 ÷ 16 = 2,625 В.

Отдельная история — температурная компенсация. Свинцу на холоде нужно более высокое напряжение заряда, и контроллер с выносным датчиком добавляет его сам: типично 3–5 мВ на градус на элемент. При 0 °C, то есть на 25 градусов ниже опорных 25 °C, прибавка составит 4 мВ × 24 × 25 = 2,4 В. К 57,6 В это даёт 60 В. Литию такая поправка не нужна и вредна.

Что проверить в старом инверторе и контроллере

Пройдите по списку с руководством в руках. Если хотя бы один из первых четырёх пунктов невыполним — литий с этим устройством работать не должен.

1. Есть ли литиевый профиль или пользовательский тип батареи. В меню он может называться User, Custom или обозначаться буквами лития. Нужна возможность задать напряжения вручную.
2. Задаётся ли напряжение основного заряда 55,2–56,0 В. Если минимум в меню — 56,4 В «гелевого» профиля, это допустимо только тогда, когда паспорт батареи прямо разрешает такое напряжение.
3. Отключается ли выравнивающий заряд. Либо выключателем в меню, либо установкой его напряжения равным напряжению заряда, либо нулевым интервалом.
4. Отключается ли температурная компенсация. Установить коэффициент в ноль или снять выносной датчик, если без него компенсация не работает.
5. Задаётся ли поддержание 53,5–54,0 В.
6. Поднимается ли порог отключения до 46–48 В и порог повторного включения — до 51–52 В.
7. Ограничивается ли ток заряда. Он не должен превышать ни рекомендованный для батареи, ни ток её BMS.
8. Как инвертор переносит включение батареи. На входе инвертора стоят конденсаторы большой ёмкости. При подключении они заряжаются броском тока, и BMS литиевой батареи может принять его за короткое замыкание и отключиться. Свинцу такой бросок безразличен. Решение — батарея с функцией предварительного заряда либо порядок включения из её руководства.

То же самое относится к отдельному контроллеру заряда от панелей, если он есть: у него свои напряжения и своя компенсация. Простые ШИМ-контроллеры часто имеют только свинцовые профили; в современных MPPT пользовательский режим обычно есть. Разница между ними — в статье про MPPT и PWM.

Связи с BMS у старого инвертора, как правило, нет, поэтому батарея будет работать в открытом контуре. Все особенности этого режима — в уроке про батарею без связи с инвертором.

Сколько лития нужно вместо 400 А·ч свинца

Сравнивать ампер-часы напрямую нельзя: у батарей разное напряжение и разная допустимая глубина разряда. Считаем в киловатт-часах полезной энергии.

1. Свинец: 48 В × 400 А·ч = 19,2 кВт·ч по номиналу.
2. Чтобы свинцовая батарея прожила свой срок, её разряжают не глубже половины: 19,2 × 0,5 = 9,6 кВт·ч полезных.
3. Литий работает на 90 % ёмкости: нужно 9,6 ÷ 0,9 ≈ 10,7 кВт·ч по номиналу.
4. В ампер-часах на 51,2 В: 10 700 ÷ 51,2 ≈ 208 А·ч.

Два модуля по 100 А·ч дают 2 × 5,12 = 10,24 кВт·ч номинальных и 10,24 × 0,9 ≈ 9,2 кВт·ч полезных — на 4 % меньше расчётных 9,6. На практике это равноценная замена, и вот почему. Паспортная ёмкость свинца указана для медленного разряда за 10 или 20 часов; при токах, которыми инвертор питает дом, свинец отдаёт заметно меньше номинала, а литий — почти весь. К тому же старая батарея, которую меняют, давно не держит свои 400 А·ч. Почему у аккумулятора нет одной ёмкости — в статье про C10, C20 и токи разряда.

Вторая проверка — по току. Инвертор 5 кВт при полной нагрузке берёт от батареи 5 000 ÷ 0,93 ÷ 51,2 ≈ 105 А (0,93 — примерный КПД преобразования), а при напряжении 46 В — уже 117 А. Если BMS одного модуля рассчитана на 100 А, одного модуля мало не только по энергии, но и по току: при полной нагрузке он отключится по защите. Два модуля в параллель делят ток пополам — по 53–58 А, с запасом. Ток BMS смотрите в паспорте; у разных моделей он разный.

Третья — по заряду. Свинец принимает большой ток только в начале, а последние 20 % добирает часами. Литий принимает полный ток почти до конца. В короткий зимний день это означает, что та же мощность панелей зарядит литиевую батарею полнее. И потери на цикл у лития ниже: свинец возвращает порядка 80–85 % вложенной энергии, литий — около 95 %.

Порядок замены

1. Записать текущие настройки инвертора и контроллера — на случай, если придётся вернуться.
2. Отключить нагрузку, панели, затем старую батарею. Демонтировать её; свинцовые аккумуляторы тяжёлые, по несколько десятков килограммов каждый, — работать вдвоём.
3. Осмотреть батарейный кабель, наконечники, предохранитель и выключатель. Сечение, рассчитанное на ток инвертора, остаётся пригодным. Предохранитель должен быть рассчитан на постоянный ток и на отключение тока короткого замыкания литиевой батареи — он выше, чем у свинцовой.
4. Не подключая батарею, ввести новые настройки, если инвертор позволяет сделать это от сети или панелей. Если нет — подключить батарею и первым делом изменить настройки, не давая зарядного тока.
5. Снять или отключить датчик температуры старой батареи.
6. Установить литиевые модули, соединить в параллель симметрично, затянуть клеммы моментом из паспорта.
7. Включить батарею в порядке, указанном в её руководстве, затем инвертор.
8. Провести первый полный заряд под наблюдением: напряжение должно остановиться на заданных 55,2–56,0 В, ток — плавно упасть, BMS не должна отключаться.
9. Через неделю проверить разброс ячеек в приложении BMS и температуру клемм под нагрузкой.

Старые аккумуляторы содержат свинец и кислоту. Их сдают в пункты приёма отработанных аккумуляторов, а не выбрасывают и не оставляют в сарае.

Типичные ошибки

• Поставить литий «как есть», не меняя настроек. Работает до первого выравнивающего заряда или до первых холодов.
• Соединить литий параллельно с остатками свинца «для ёмкости». У них разные напряжения покоя и заряда; свинец будет постоянно недозаряжен, а литий — разряжаться на него.
• Сравнивать по ампер-часам и покупать 400 А·ч лития взамен 400 А·ч свинца. Это вдвое больше нужного — если только цель не в увеличении автономии.
• Забыть про ток. Один модуль с BMS на 100 А под инвертором 5 кВт.
• Оставить индикацию заряда инвертора без внимания. Старый инвертор считает проценты по свинцовой кривой, и для лития его шкала бессмысленна: большую часть времени он будет показывать «почти полный». Ориентируйтесь на BMS.
• Поставить батарею туда, где стоял свинец, не думая о температуре. Свинец заряжался в неотапливаемом сарае; литий при отрицательной температуре ячеек заряжать нельзя. Подробнее — в статье о LiFePO4 на морозе.

Когда проще заменить и инвертор

Если инвертор не даёт задать напряжения, если ему больше десяти лет, если станция всё равно расширяется — замена одной только батареи превращается в полумеру. Современный гибридный инвертор работает с батареей по связи, сам управляет зарядом от панелей и сети и снимает все вопросы открытого контура. Варианты модернизации по частям сравниваются в статье об апгрейде старой станции, а сами технологии — в обзоре LiFePO4 против AGM и геля.

Частые вопросы

У инвертора есть только профили AGM и Gel. Можно выбрать Gel?

Только если напряжение основного заряда этого профиля не превышает допустимого для батареи, выравнивание в нём отсутствует, а компенсацию можно отключить. Эти три условия проверяются по руководству инвертора и паспорту батареи; «примерно подходит» здесь не годится.

Нужна ли литиевой батарее та же вентиляция, что и свинцовой?

Жидкостные свинцовые аккумуляторы выделяют водород при заряде, отсюда требования к вентиляции. LiFePO4 в штатной работе газов не выделяет. Но свои требования к месту установки у неё есть: температура, расстояния, негорючее основание — см. статью о пожарной безопасности накопителей.

Можно ли оставить старый контроллер заряда от панелей?

Можно, если в нём задаются те же напряжения и отключается компенсация. Проверьте его отдельно от инвертора: настройки у них независимые, и ошибка в любом из двух приведёт к отключению BMS.

Сколько проживёт литий после свинца?

Ресурс в циклах указан в паспорте батареи и зависит от глубины разряда и температуры. При ежедневном цикле он обычно в разы больше, чем у свинца, — именно поэтому замена окупается, несмотря на цену.

Урок модуля «Аккумуляторы и накопители». Подобрать модули под свой инвертор можно в разделе аккумуляторов, а проверить расчёт ёмкости — в калькуляторе накопителя.