Co to jest przepięcie?
W zeszły wtorek zadzwoniłem do integratora pakietów w Ohio. Mieli pakiet 14S LFP, który wrócił z instalacji słonecznej z dwoma ogniwami o napięciu 3,91 V. LFP. Podczas normalnego użytkowania nigdy nie powinno być widać napięcia powyżej 3,65 V. Ogniwa wyglądały dobrze z zewnątrz, ale kiedy je rozbiliśmy, folia katodowa zrobiła się brązowa na krawędziach. Klasyczne obrażenia spowodowane przeładowaniem.
Okazało się, że używali ładowarki kwasowo-ołowiowej. Klient wymienił, bo oryginał padł. Ładowarka kwasowo-ołowiowa 48 V zapewnia napięcie 58,4 V. Na pakiecie 14S LFP, który osiąga 4,17 V na ogniwo. W przypadku kwasu ołowiowego-nie stanowi to problemu. Duży problem dla LFP.
Takie rzeczy zdarzają się częściej, niż ludzie przyznają.
Przepięcie oznacza przekroczenie przez ogniwo maksymalnego znamionowego napięcia ładowania. Liczba zależy od chemii. NMC i NCA osiągają maksymalne napięcie 4,20 V. Niektóre wysokoenergetyczne-warianty NMC mają napięcie znamionowe 4,35 V, ale są to ogniwa specjalne i trzeba wiedzieć, co z nimi robić. Chemia LFP ma pułap 3,65 V. LTO wynosi około 2,85 V. Liczby te pochodzą z arkusza danych dostawcy ogniw. Ignoruj je, a będziesz miał problemy.
Wewnętrzna degradacja komórek
To, co dzieje się wewnątrz ogniwa pod wpływem przepięcia, nie jest skomplikowane. Materiał katody chce oddać tlen, gdy wyciśnie się z niego zbyt dużo litu. Ten tlen reaguje z elektrolitem. W międzyczasie lit metaliczny zaczyna osadzać się na powierzchni anody, ponieważ grafit nie jest w stanie wystarczająco szybko absorbować jonów. Poszycie jest złe z dwóch powodów. Jest to nieodwracalna utrata pojemności, w wyniku której powstają dendryty, które mogą ostatecznie spowodować wewnętrzne zwarcie komórki.
Wiele osób uważa, że w specyfikacji 4,20 V jest margines. nie ma.
Producenci ogniw ustalają tę granicę w punkcie, w którym degradacja staje się niedopuszczalna. Jednorazowe przejście na napięcie 4,25 V prawdopodobnie będzie w porządku. Udawanie się tam w każdym cyklu zabije komórkę w ciągu kilkuset cykli zamiast kilku tysięcy. Jeśli przekroczysz 4,30 V, możesz nie uzyskać kilkuset cykli. Widziałem, jak ogniwa puchły przy napięciu 4,35 V po jednym ładowaniu. Zależy od komórki.
Rola BMS-u
BMS ma to wyłapać. Każda komórka w stadzie ma swój własny przewód zmysłowy. Układ AFE odczytuje wszystkie napięcia ogniw i porównuje je z wartością progową. Jeśli którakolwiek komórka zostanie przekroczona, ładowanie zostanie zatrzymane. Całkiem proste.
Chyba, że BMS może zawieść. Widziałem płyty BMS z zimnymi lutami na złączach przewodów Sense. Jedna komórka przestaje raportować, a oprogramowanie sprzętowe domyślnie przyjmuje wartość zerową, zamiast sygnalizować usterkę. Widziałem chipy AFE, które odpływały od kalifornii pod wpływem temperatury. BQ76940 firmy TI jest ogólnie solidny, ale starszy BQ76925 miał problemy z wewnętrznym przesunięciem odniesienia. Tańsze chińskie chipy AFE mogą być wszędzie.
Równowaga ma większe znaczenie, niż się ludziom wydaje. Pakiet składający się z dziesięciu ogniw połączonych szeregowo będzie miał pewną rozpiętość pojemności. Jedno ogniwo osiąga pełne naładowanie przed pozostałymi. Jeśli równoważenie jest zbyt wolne, wysokie ogniwo ma napięcie 4,20 V, podczas gdy prąd nadal wpływa do pakietu. Napięcie na tym ogniwie rośnie. W przypadku równoważenia pasywnego jesteś ograniczony ilością ciepła, które możesz przepuścić przez rezystory upływowe. Większość projektów wykorzystuje prąd równoważący od 50 mA do 100 mA. Jeśli Twoje komórki są niedopasowane o więcej niż kilka procent, może to nie wystarczyć.
Aktywne równoważenie przenosi ładunek z wysokich ogniw do niskich ogniw, zamiast go spalać. Droższe. Bardziej złożone. Ma to sens w przypadku dużych pakietów, w których marnowana energia się kumuluje, lub w zastosowaniach, w których nie można tolerować żadnego rozrzutu pojemności.
Konstrukcja ładowarki to druga połowa równania. Przetwornica przełączająca z niewłaściwą regulacją ze sprzężeniem zwrotnym będzie przeregulować przy niewielkim obciążeniu. Zmierzyłem ładowarki, które wytwarzają 42,5 V, gdy pakiet pobiera mniej niż 100 mA pod koniec ładowania. To dodatkowe pół wolta rozłożone na dziesięć ogniw wynosi 50 mV każde. Nie jest to katastrofa, ale sumuje się z innymi tolerancjami.
Kompensacja temperatury w ładowarce też ma znaczenie. Ogniwa litowe powinny ładować się do niższego napięcia, gdy są gorące. Niektóre ładowarki regulują wartość zadaną CV w oparciu o termistor. Większość tanich tego nie robi. Pakiet wystawiony na słońce w temperaturze 45°C i ładowany do normalnego napięcia 4,20 V na ogniwo jest w rzeczywistości przeładowany.
Dwie warstwy ochronne są lepsze niż jedna. BMS monitoruje napięcia ogniw. Układ scalony dodatkowego zabezpieczenia może monitorować napięcie pakietu i odciąć FET, jeśli coś pójdzie nie tak. W przypadku stada z Ohio, od którego rozpoczęła się cała dyskusja, żadne z nich nie istniało. Mieli głupi BMS, który tylko równoważył. Brak ochrony. Klient zakładał, że ładowarka sobie z tym poradzi. Złe założenie.
Lista kontrolna projektu
Jeśli projektujesz pakiety, lista kontrolna jest dość krótka.
- Użyj BMS z OVP na poziomie rzeczywistej komórki.
- Ustaw próg z pewnym marginesem, może 4,18 V dla NMC.
- Upewnij się, że balansowanie nadąża za rozprzestrzenianiem się komórek.
- Dokonuj oceny ładowarki w zakresie jej zakresu roboczego, a nie tylko w temperaturze pokojowej na stole warsztatowym.
- Dodaj dodatkową ścieżkę ochrony, jeśli aplikacja to uzasadnia.
Pakiet Ohio jest przebudowywany z odpowiednim BMS i ładowarką przystosowaną do LFP. Drogie lekcje. Mogło być gorzej. Nikt nie odniósł obrażeń i nic się nie zapaliło. Nie zawsze tak kończą się te historie.
