Co to jest przetężenie?

Przetężenie oznacza, że akumulator jest proszony o dostarczenie lub przyjęcie większego prądu, niż został zbudowany. Proste. Ogniwo nagrzewa się, chemia ulega naprężeniu i wszystko idzie na marne, jeśli nikt nie wkracza.

Widzę ten problem stale w zwrotach pól. Pakiety wracają ze spalonymi śladami, stopionymi zakładkami i komórkami, które wyglądają dobrze na zewnątrz, ale wewnętrznie są martwe. W dziewięciu przypadkach na dziesięć ktoś pociągnął za duży prąd lub zadziałało zabezpieczenie.

Ogniwa litowe mają twarde ograniczenia. Ogniwo przystosowane do ciągłego obciążenia 10 A będzie tolerować prąd 10 A przez cały dzień w temperaturze pokojowej. Naciśnij go na 15 A, a temperatura wewnętrzna wzrośnie. Naciśnij go na 30 A i masz może sekundy, zanim coś da.

Wytwarzanie ciepła w ogniwie litowym następuje zgodnie z I²R. Rezystancja wewnętrzna typowego 18650 wynosi około 15-30 mΩ, w zależności od ogniwa i jego wieku. Przeprowadź obliczenia na ogniwie 25 mΩ.

Przy 10 A: 10² × 0.025=2.5W Przy 20A: 20² × 0.025=10W Przy 40A: 40² × 0.025=40W

Te 40W nie ma gdzie się schować w stalowej puszce. Temperatura ogniwa wzrasta. Elektrolit zaczyna się rozkładać w temperaturze około 80 stopni. Powyżej 130 stopni separator może ulec awarii. Następnie ucieczka termiczna staje się realną możliwością.

Nadprądowe ładowanie działa zgodnie z tą samą fizyką, ale z dodatkowym problemem. Powłoka litowa. Zwiększaj prąd ładowania za wysoki i osadzaj się litowo-metaliczny na powierzchni anody zamiast prawidłowo interkalować. To poszycie oznacza trwałą utratę pojemności. Stwarza również ryzyko tworzenia się dendrytów.

Overcurrent

Zewnętrzne spodenkizdarza się częściej, niż producenci lubią przyznawać. Luźna śrubka w obudowie. Uszkodzony przewód ocierający się o ramę. Wnikanie wody tworzy ścieżkę przewodzącą. Pracowałem nad wycofaniem, gdzie złącze pakietu miało wadę konstrukcyjną, która pozwalała dodatniemu stykowi stykać się z masą obudowy podczas wkładania. Tysiące paczek wypłynęło, zanim ktokolwiek je złapał.

Błędy ładowaniastale pojawiają się w zastosowaniach elektronarzędzi. Silniki szczotkowe utykają przy prądzie roboczym 6-8x. Bezszczotkowy z kontrolą FOC lepiej radzi sobie z przestojami, ale nadal mocno skacze. Akumulator wykrywa ten skok niezależnie od tego, czy sterownik silnika coś z tym robi, czy nie.

Problemy z ładowarkąwydają się być subtelne. Ładowarka przeznaczona do pakietu 4S podłączanego do pakietu 3S. Ograniczenia napięcia mogą nadal działać, ale profil prądu jest nieprawidłowy. Lub linia wykrywania ładowarki pęka i ładowarka po prostu przepuszcza pełny prąd, aż coś się wyłączy.

Niedopasowanie komórekw paczkach seryjnych jest podstępny. Cztery ogniwa szeregowo, trzy z nich 3000mAh, jedno z nich faktycznie 2700mAh, ponieważ leżało w gorącym magazynie przez sześć miesięcy. To słabe ogniwo najpierw zostaje w pełni naładowane. Pozostała trójka naciska dalej. To słabe ogniwo zostaje przeładowane, wytwarza gaz, nagrzewa się i teraz w pojedynczym ogniwie występuje lokalne przetężenie, podczas gdy napięcie pakietu wygląda dobrze.

Bezpośrednią konsekwencją jest ciepło. Długotrwałe przetężenie przy wartości znamionowej 2x spowoduje, że większość ogniw przekroczy 60 stopni w ciągu kilku minut. Komórka prawdopodobnie przeżyje, ale życie cykliczne cierpi.

Powtarzające się zdarzenia przetężenia powodują kumulację uszkodzeń. Warstwa SEI na anodzie gęstnieje. Wewnętrzny opór rośnie. Pojemność zanika. Ogniwo, które zaczęło się od 3000 mAh i 20 mΩ, może mieć 2400 mAh i 35 mΩ po 200 niewłaściwych cyklach. Przy właściwym użytkowaniu wystarczyłoby na 800 cykli.

Poważne przetężenie-zwarcie-może spowodować uszkodzenie ogniwa w ciągu kilku sekund. Prąd osiąga szczyt przy jakimkolwiek oporze wewnętrznym ogniwa, do jakiego go ogranicza. W pełni naładowany, wysoki-dren 18650 w przypadku silnego zwarcia może powodować chwilowy prąd 200–300 A. Spoiny zakładkowe są często pierwszym punktem awarii. Jeśli wypustki się trzymają, galaretka nagrzewa się tak szybko, że odpowietrzenie następuje w ciągu kilku sekund.

Widziałem komórki, które wentylowały tak mocno, że dodatni korek wystrzelił w całe laboratorium. Okulary ochronne nie są opcjonalne podczas testowania reakcji na zwarcie.

Overcurrent

Dobry projekt opakowania wykorzystuje wiele mechanizmów ochronnych. Żadne pojedyncze urządzenie nie obsługuje każdego trybu awarii.

PTCsiedzieć wewnątrz większości cylindrycznych ogniw renomowanych producentów. Załączają się w zależności od temperatury, a nie bezpośrednio prądu. PTC może wytrzymać 7 A i zadziałać przy 15 A, ale mechanizm wyzwalający jest termiczny. Czas odpowiedzi jest długi,-od setek milisekund do sekund. PTC nie uchronią Cię przed poważnym zwarciem. Obsługują umiarkowane przetężenie i dają czas na ostygnięcie pakietu.

Bezpiecznikidmuchnij raz i pozostań dmuchany. Bezpieczniki-na poziomie pakietu mają wymiary powyżej normalnego prądu roboczego z marginesem na rozruch i stany nieustalone. Pakiet ciągły 10 A może wymagać szybkiego-bezpiecznika 15 A. Bezpiecznik usuwa twarde zwarcia szybciej niż PTC, zwykle w czasie krótszym niż 100 ms przy wysokich prądach zwarciowych. Ale to także trwale zabija stado. Następują roszczenia gwarancyjne.

Układy scalone ochronymonitorować prąd przez rezystor wykrywający. Wspólne części firm Seiko, TI i innych zapewniają progi nadprądowe programowalne za pomocą zewnętrznych rezystorów lub zakodowane wewnętrznie. Opóźnienia wykrywania wynoszą zazwyczaj 8–24 ms. Wykrywanie zwarć jest szybsze, często poniżej 500 µs. Układ scalony steruje zewnętrznymi tranzystorami FET w celu odłączenia pakietu.

Wartość rezystora wykrywającego ma znaczenie. Rezystor 5 mΩ zapewnia lepszą rozdzielczość, ale obniża więcej napięcia i rozprasza więcej mocy przy dużych prądach. Rezystor 2 mΩ marnuje mniej energii, ale wymaga bardziej czułego przedniego końca. Większość zestawów konsumenckich wykorzystuje 3-10 mΩ w zależności od aktualnej klasy.

BMSw większych opakowaniach dodaje inteligencji. Aktywne ograniczenie prądu, a nie tylko wyłączenie/brak-wyzwolenia. Progi z kompensacją temperatury-. Rejestrowanie zdarzeń w celach diagnostycznych. Dobry BMS zmniejsza limity przetężenia w miarę wzrostu temperatury ogniwa, utrzymując ogniwa w bezpiecznym oknie roboczym nawet przy obciążeniach dynamicznych.

identyfikatory CIDkomórki wewnętrzne zapewniają-ostatnią deskę ratunku przed mechaniczną ochroną. Urządzenie przerywające prąd aktywuje się w przypadku wzrostu ciśnienia wewnętrznego. Zanim zadziała CID, komórka doświadczyła już znacznego stresu. Aktywacja CID zwykle oznacza, że ogniwo jest złomem.

Oceny w arkuszach danych zakładają określone warunki. Samsung 30Q o obciążalności ciągłej 15 A zakłada temperaturę otoczenia 25 stopni i odpowiednie chłodzenie. Umieść to ogniwo w izolowanej obudowie w temperaturze otoczenia 35 stopni, a natężenie 15 A spowoduje przekroczenie bezpiecznej temperatury.

Wartości tętna wyglądają atrakcyjnie, ale są dostarczane z dołączonymi sznurkami. Ogniwo może żądać 30 A przez 10 sekund, ale zakłada to, że ogniwo rozpoczęło pracę w temperaturze 25 stopni i ma czas na ochłodzenie przed następnym impulsem. Impulsy-powrotne-bez czasu odzyskiwania akumulują ciepło tak samo jak prąd ciągły.

Szybkości ładowania są często bardziej konserwatywne niż szybkości rozładowania. Ogniwo, które wytrzymuje rozładowanie 20 A, może tolerować tylko ładowanie 4 A. Powodem jest ryzyko związane z powlekaniem litem. Niektóre nowsze ogniwa z anodami-domieszkowanymi krzemem są jeszcze bardziej wrażliwe na szybkość ładowania.

Wiek komórki zmienia wszystko. Nowe ogniwo o rezystancji wewnętrznej 20 mΩ wytrzymuje prąd o 20 A lepiej niż roczne-ogniwo o rezystancji 30 mΩ. Ochrona pakietu powinna uwzględniać-odporność na koniec-życia, a nie tylko specyfikację nowych ogniw.

Każdy projekt opakowania wymaga sprawdzenia nadprądowego. Sprzęt testowy ma znaczenie.

Obciążenia elektroniczne muszą pobierać prąd szybciej, niż reaguje zabezpieczenie. Układ zabezpieczający z opóźnieniem wykrywania 10 ms wymaga obciążenia, które osiąga docelowy prąd w czasie krótszym niż 1 ms. Powolne zwiększanie obciążenia-pozwala na wcześniejsze zadziałanie zabezpieczenia i daje fałszywą pewność.

Pomiar prądu wymaga szerokości pasma. Rezystor 10 mΩ przy 100 A daje sygnał 1 V. Uchwycenie rzeczywistego szczytu wymaga szerokości pasma co najmniej 10 kHz, a najlepiej większej. Sondy oscyloskopowe z właściwym uziemieniem pozwalają uniknąć problemów z szumami, które dają fałszywe dane.

Testowanie temperatury pozwala wykryć problemy projektowe, które pomijane są podczas badania temperatury pokojowej. Progi układu scalonego ochrony dryfują wraz z temperaturą. Wartość Rds(on) FET wzrasta w wysokiej temperaturze, powodując spadek napięcia. Wykrycie rezystora TCR ma znaczenie, gdy rezystor nagrzewa się pod wpływem przepływającego prądu zwarciowego. Testuj w temperaturze -20 stopni, +25 stopni i minimum +55 stopni.

Macierz testowa staje się duża. Przetężenie ładowania, przetężenie rozładowania, zwarcie. Każdy w trzech temperaturach. Każdy na wielu poziomach SOC, ponieważ impedancja ogniwa zmienia się w zależności od stanu naładowania. Aby uzyskać pewność statystyczną, pomnóż przez wielkość próby. Dokładna walidacja obejmuje setki testów.

Overcurrent

UL2054obejmuje przenośne akumulatory na rynki Ameryki Północnej. Testowanie zwarcia powoduje zwarcie na 10 sekund. Opakowanie nie może się zapalić ani eksplodować. Temperatura jest monitorowana, ale nie jest określany żaden konkretny limit. Jest to pasek minimalny.

IEC 62133-2ma zastosowanie międzynarodowe. Zewnętrzne badanie zwarciowe wykorzystuje całkowitą rezystancję obwodu mniejszą niż 100 mΩ, utrzymywaną przez jedną godzinę lub do czasu ustabilizowania się temperatury. Bardziej rygorystyczne niż UL 2054 w zakresie czasu trwania.

ONZ 38.3reguluje żeglugę. Test 5 wymaga zwarcia mniejszego niż 0,1 Ω. Ogniwa lub baterie nie mogą się rozbierać ani zapalić. To ma znaczenie, ponieważ brak UN 38.3 oznacza, że Twój produkt nie może być legalnie transportowany.

SAE J2464obejmuje zastosowania pojazdów elektrycznych o bardziej rygorystycznych wymaganiach. Rezystancja zwarciowa spada do 5 mΩ, a kryteria termiczne/mechaniczne są bardziej szczegółowe.

Pozytywne zdanie tych testów nie oznacza, że projekt zabezpieczenia jest dobry. Oznacza to, że projekt zabezpieczenia jest odpowiedni do certyfikacji. Rzeczywiste-przemoc w świecie może przekroczyć warunki testowe.

Wskaźnik drutu pojawia się stale. Niewymiarowy drut zwiększa opór i wytwarza ciepło na połączeniach. Sam drut może wytrzymać prąd, ale zaciskane końcówki lub połączenia lutowane stają się gorącymi punktami. Pakiety zwracane z powodu „awarii akumulatora” często wykazują spalone końcówki przewodów, podczas gdy ogniwa są w porządku.

Wybór złącza to kolejny słaby punkt. Złącza XT60 mają podobno obciążać prąd ciągły 60 A. Ocena ta zakłada doskonałe zaciskanie i czyste styki. W praktyce obniżone o 30-40% ze względu na niezawodność. Anderson Powerpoles mają podobne względy.

Zgrzewanie zakładek na ogniwach wymaga uwagi. Dobra spoina ma niską rezystancję i wytrzymałość mechaniczną. Zimna spoina wygląda dobrze, ale ulega uszkodzeniu pod wpływem wibracji lub cykli termicznych. Spalona spoina uszkodziła puszkę i utworzyła słaby punkt. Harmonogramy spawania wymagają sprawdzenia za pomocą testów rozciągania i pomiaru rezystancji.

Zarządzanie temperaturą wiąże się z możliwością przetężenia. Pakiet z aktywnym chłodzeniem może wytrzymać wyższe prądy niż pakiet szczelnie zamknięty bez przepływu powietrza. Niektóre konstrukcje wykorzystują termistory na ogniwach, aby wywołać redukcję prądu, zanim temperatura osiągnie krytyczną wartość.

Przetężenie niszczy baterie litowe. Czasem szybko, czasem wolno, ale zawsze szkodliwie. Obecne ograniczenia istnieją z powodów związanych z fizyką i chemią, a nie z arbitralnego konserwatyzmu.

Dobra ochrona wymaga wielu warstw, ponieważ każdy rodzaj ochrony ma słabe strony. PTC są powolne. Bezpieczniki to jedno-razy. Układy scalone zależą od dokładności zmysłów. BMS zwiększa koszty i złożoność. CID oznaczają, że komórka jest już uszkodzona.

Testowanie musi odzwierciedlać rzeczywiste warunki użytkowania i scenariusze nadużyć. Zdanie testów certyfikacyjnych jest konieczne, ale niewystarczające.

Wybór projektu opakowania-przewodów, złączy, elementów termicznych, marginesów-określa, czy zabezpieczenie faktycznie chroni, czy tylko dobrze wygląda na papierze.

Ogniwa, którym ufam, pochodzą od producentów o stałej jakości i opublikowanych danych. Pakiety, którym ufam, wykorzystują obwody zabezpieczające renomowanych dostawców z odpowiednim projektem aplikacji. Wszystko inne należy traktować ostrożnie, dopóki nie zostanie udowodnione, że jest inaczej.