Балансировка ячеек: почему батарея отключается на 98 % и что с этим делать
Если накопитель останавливает заряд на 97–99 % или инвертор время от времени сообщает о перенапряжении батареи, причина чаще всего не в поломке, а в разбалансе: одна из шестнадцати ячеек дошла до верхней границы раньше остальных. Лечится это не ремонтом, а режимом — регулярным полным зарядом с выдержкой, во время которой система управления выравнивает ячейки. Объясняем механизм и показываем, где проходит граница между нормой и поводом для сервиса.
Что происходит на последних процентах
У литий-железо-фосфатной ячейки очень пологая кривая напряжения. Между 20 и 90 % заряда оно меняется всего на несколько десятков милливольт и держится около 3,2–3,3 В. Зато у самого верха напряжение растёт круто: последние проценты заряда поднимают его с 3,4 до 3,6 В и выше.
Из этого следует неприятное свойство. Если одна ячейка заряжена на пару процентов больше соседних, в середине диапазона этого не видно — напряжения почти равны. А у верхней границы она первой входит в крутой участок и уходит вверх, пока остальные ещё на «полке».
Посчитаем. Система управления батареей (BMS) защищает каждую ячейку отдельно и прекращает заряд, когда любая из них достигает предела — обычно около 3,65 В. Пусть одна ячейка уже на 3,65 В, а остальные пятнадцать — на 3,45 В. Напряжение всей батареи: 3,65 + 15 × 3,45 = 55,4 В. Инвертор при этом стремится к напряжению заряда, например 16 × 3,55 = 56,8 В, и с его точки зрения батарея ещё не полна. Он продолжает подавать ток, а BMS вынуждена остановить заряд ради одной ячейки.
Дальше возможны два варианта. Если батарея связана с инвертором кабелем данных, BMS заранее снижает разрешённый ток до нуля, и заряд тихо останавливается на 97–99 %. Если связи нет, BMS размыкает цепь сама, и инвертор фиксирует ошибку батареи.
Откуда берётся разброс
- Технологический разброс ячеек. Даже в одной партии ёмкость и саморазряд ячеек немного различаются. За месяцы разница в саморазряде накапливается.
- Неравномерная температура. Ячейки в середине модуля теплее крайних, а у тёплых саморазряд выше.
- Долгая работа без полного заряда. Зимой батарея неделями ходит между 20 и 60 %, и расхождение некому исправить.
- Долгое хранение. Модуль, пролежавший год на складе, часто приходит с заметным разбросом, и первые циклы уходят на выравнивание.
Небольшой разбаланс — нормальное состояние любой батареи. Это не дефект, а свойство последовательной сборки, и BMS существует в том числе для того, чтобы его устранять.
Пассивная и активная балансировка
| Параметр | Пассивная | Активная |
|---|---|---|
| Принцип | Лишний заряд самых полных ячеек рассеивается на резисторах | Заряд переносится от полных ячеек к менее заряженным |
| Ток балансировки | Десятки или сотни миллиампер | От одного ампера и выше |
| Когда работает | Обычно у верхней границы заряда, когда разница напряжений заметна | В более широком диапазоне, в зависимости от настроек |
| Куда уходит энергия | В тепло | Большая часть остаётся в батарее |
| Где встречается | В большинстве домашних модулей | В части моделей и в крупных системах |
Пассивная балансировка проста и надёжна, поэтому распространена. Её недостаток — медлительность. Она срабатывает только там, где разницу видно по напряжению, то есть у верха, и работает малым током.
Почему нужен полный заряд с выдержкой
Оценим время. Разбаланс 2 % у батареи 100 А·ч — это 2 А·ч лишнего заряда в одной ячейке. При токе балансировки 100 мА на выравнивание нужно 2 А·ч / 0,1 А = 20 часов работы балансира. Балансир при этом включается только тогда, когда батарея находится у верхней границы.
Если батарея дошла до 100 % и через десять минут начала разряжаться, балансировка успела убрать ничтожную долю разброса. Если она простояла полной три-четыре часа — заметную. Отсюда правило: батарее нужен не просто полный заряд, а полный заряд с выдержкой, и регулярно.
Летом это получается само: к полудню батарея полна и стоит так до вечера. Проблемы начинаются с октября по февраль, когда солнца не хватает на полный заряд. На этот период стоит настроить принудительный полный заряд от сети раз в одну-две недели: разрешить заряд от сети в выбранный день, задать целевой уровень 100 % и оставить батарею полной на несколько часов. Что ещё перенастроить к зиме, описано в материале про зимний режим накопителя.
Полный заряд нужен и самой BMS. Уровень заряда она считает, суммируя входящий и выходящий ток, и ошибка со временем накапливается. Точку «100 %» система сверяет по напряжению наверху. Без этого показания расходятся с реальностью: батарея может показывать 30 % и внезапно отключиться или прыгнуть с 85 сразу на 100 %.
Противоречие, о котором стоит знать
Для срока службы ячеек полезнее не стоять на 100 % постоянно, а для балансировки нужен регулярный полный заряд. Одно другому не мешает: несколько часов наверху раз в неделю на календарное старение почти не влияют, а разбаланс убирают.
Что смотреть в приложении
Приложение батареи, а у некоторых моделей и мониторинг инвертора, показывает напряжение каждой ячейки или хотя бы максимальное, минимальное и их разницу. Эта разница в милливольтах и есть главный показатель. Ниже — ориентиры; точные пороги для своей модели смотрите в документации.
- В середине диапазона, в покое. Разница в единицы или пару десятков милливольт — норма. На пологом участке кривой даже заметный разбаланс по заряду почти не виден, поэтому малая разница здесь ещё ничего не гарантирует.
- У верхней границы, в конце заряда. Разница вырастает до 50–100 мВ и за время выдержки уменьшается — балансировка работает, всё в порядке.
- У верхней границы разница 200–300 мВ и больше, заряд обрывается. Выраженный разбаланс. Нужна серия полных зарядов с выдержкой.
- Одна и та же ячейка отстаёт под нагрузкой и первой проседает внизу. Это уже не разбаланс, а слабая ячейка.
Полезно раз в месяц записывать разницу в конце полного заряда. Если от раза к разу она уменьшается или держится на месте, батарея в порядке. Какие ещё параметры видны в мониторинге, рассказано в статье про Solarman и Deye Cloud.
Когда это уже не режим, а сервис
Балансировка исправляет разницу в заряде, но не в ёмкости. Если одна ячейка потеряла ёмкость, она будет первой доходить до верха при заряде и первой до низа при разряде, сколько бы её ни выравнивали. Признаки такие:
- после пяти-шести полных зарядов с выдержкой разница наверху не уменьшается;
- отстаёт всегда одна и та же ячейка;
- доступная ёмкость батареи заметно упала, хотя батарея не старая.
В этом случае нужно обращаться к поставщику с выгрузкой данных из приложения: неисправность ячейки — гарантийный случай, порядок описан в статье про гарантию и сервис. Чего делать не надо: вскрывать модуль и подзаряжать ячейки по отдельности, поднимать напряжение заряда выше паспортного, отключать защиту. Первое лишает гарантии, второе и третье опасны.
Частый разбаланс у новой батареи — повод задуматься о качестве ячеек. В сборках из несортированных или бывших в употреблении ячеек разброс велик изначально; об этом — в материале про серые ячейки.
Частые вопросы
Остановка заряда на 98 % опасна?
Нет. Это штатная работа защиты: BMS не дала перезарядить одну ячейку. Опасным было бы обратное — если бы заряд продолжался. Но оставлять ситуацию без внимания не стоит: разбаланс уменьшает доступную ёмкость.
Как часто нужен полный заряд?
Ориентир — раз в одну-две недели с выдержкой в несколько часов, если производитель не указывает иное. Летом при солнечной станции это происходит само собой, зимой нужно настроить заряд от сети.
Стоит ли покупать внешний активный балансир?
Для заводского модуля на гарантии — нет: установка требует вскрытия корпуса и гарантию снимает. Исправная батарея с штатной пассивной балансировкой при правильном режиме в нём не нуждается.
Почему уровень заряда прыгает с 85 на 100 % или с 20 на 5 %?
Счётчик заряда накопил ошибку, и BMS поправила показания, когда увидела по напряжению, что батарея у границы. Несколько полных циклов с выдержкой возвращают показаниям точность.
Короткий вывод
Отключение на 98 % означает, что одна ячейка опередила остальные и защита сработала правильно. В большинстве случаев это исправляется режимом: полный заряд с выдержкой в несколько часов раз в одну-две недели, зимой — от сети. Следить достаточно за одним числом — разницей напряжений ячеек в конце заряда. Если после нескольких выдержек она не уменьшается и отстаёт одна и та же ячейка, дело не в балансировке, и батарею нужно показывать сервису.