Što je prekostrujni?

Prekomjerna struja znači da se od baterije traži da isporuči ili prihvati više struje od one za koju je napravljena. Jednostavno kao to. Ćelija se zagrijava, kemija postaje pod stresom i stvari idu u stranu ako nitko ne uskoči.

Vidim ovaj problem stalno u terenskim povratima. Paketi se vraćaju sa spaljenim tragovima, otopljenim pločicama, stanicama koje izvana izgledaju dobro, ali iznutra mrtve. Devet puta od deset, netko je vukao previše struje ili je zaštita otkazala.

Litijeve ćelije imaju stroga ograničenja. Ćelija ocijenjena za 10 A neprekidno će tolerirati 10 A cijeli dan na sobnoj temperaturi. Pritisni ga na 15 A i unutarnja temperatura raste. Pritisni ga na 30 A i imaš možda nekoliko sekundi prije nego nešto popusti.

Stvaranje topline u litijevoj ćeliji slijedi I²R. Unutarnji otpor na tipičnom 18650 iznosi oko 15-30 mΩ, ovisno o ćeliji i njezinoj starosti. Izmjerite brojeve na ćeliji od 25 mΩ.

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

Taj 40W nema kamo u čeličnu limenku. Temperatura ćelije raste. Elektrolit se počinje raspadati oko 80 stupnjeva. Iznad 130 stupnjeva, separator može pokvariti. Nakon toga, toplinski bijeg postaje stvarna mogućnost.

Prekostruja punjenja slijedi istu fiziku, ali s dodatnim problemom. Pokrivanje litijem. Struja potisnog punjenja je previsoka i metalni litij taloži se na površini anode umjesto da se pravilno interkalira. To oplata je trajni gubitak kapaciteta. Također stvara rizik od stvaranja dendrita.

Overcurrent

Vanjske kratke hlačedogoditi više nego što proizvođači žele priznati. Labavi vijak u kućištu. Oštećena žica trlja o okvir. Ulaz vode stvara vodljivi put. Radio sam na opozivu gdje je konektor paketa imao grešku u dizajnu koja je dopuštala pozitivnom klinu da dođe u kontakt s uzemljenjem kućišta tijekom umetanja. Tisuće paketa je ispalo prije nego što ih je itko uhvatio.

Greške opterećenjastalno se pojavljuju u aplikacijama električnih alata. Brušeni motori zastaju na 6-8x radnoj struji. Bez četkica s FOC kontrolom bolje se nosi sa zastojima, ali i dalje snažno šilja. Baterija vidi taj skok neovisno o tome radi li kontroler motora nešto u vezi s tim ili ne.

Problemi s punjačemimaju tendenciju da budu suptilni. Punjač dizajniran za 4S paket priključen u 3S paket. Ograničenja napona možda i dalje rade, ali trenutni profil je pogrešan. Ili pukne linija senzora punjača i punjač samo gura punu struju dok se nešto ne aktivira.

Neslaganje stanicau serijskim pakiranjima je podmukao. Četiri ćelije u nizu, tri od njih 3000mAh, jedna od njih zapravo 2700mAh jer je stajala u vrućem skladištu šest mjeseci. Ta slaba ćelija se prva puni. Ostala trojica nastavljaju gurati. Ta se slaba ćelija prepuni, stvara plin, zagrijava se i sada imate lokalno prekostrujno stanje koje se događa unutar jedne ćelije dok napon paketa izgleda dobro.

Neposredna posljedica je vrućina. Održana prekomjerna struja pri nazivnoj vrijednosti 2x gurnut će većinu ćelija iznad 60 stupnjeva unutar nekoliko minuta. Stanica vjerojatno preživi, ali život ciklusa trpi udarac.

Ponovljeni događaji prekomjerne struje stvaraju kumulativnu štetu. SEI sloj na anodi se zadeblja. Unutarnji otpor raste. Kapacitet blijedi. Ćelija koja je počela s 3000 mAh i 20 mΩ mogla bi biti 2400 mAh i 35 mΩ nakon 200 ciklusa zloupotrebe. Napravio bi 800 ciklusa uz pravilnu upotrebu.

Teški uvjeti prekomjerne struje-kratkog spoja-mogu prekinuti ćeliju za nekoliko sekundi. Struja dostiže vrhunac na bilo kojem unutarnjem otporu ćelije koji je ograničava. Potpuno napunjen high-drain 18650 u tvrdi kratki spoj može vidjeti 200-300A trenutne struje. Zavareni spojevi često su prva točka kvara. Ako jezičci izdrže, želatinasta rolada se zagrijava tako brzo da prozračivanje slijedi za nekoliko sekundi.

Vidio sam stanice koje su tako jako ispuštale pozitivnu kapu lansiranu po laboratoriju. Zaštitne naočale nisu izborne prilikom testiranja reakcije na kratki spoj.

Overcurrent

Dobar dizajn pakiranja koristi više zaštitnih mehanizama. Niti jedan uređaj ne rješava svaki način kvara.

PTC-ovinalaze se unutar većine cilindričnih ćelija renomiranih proizvođača. Isključuju se na temelju temperature, a ne izravno na struji. PTC može biti ocijenjen da drži 7A i okida na 15A, ali mehanizam okidanja je toplinski. Vrijeme odziva je sporo-stotine milisekundi do sekundi. PTC-ovi vas neće spasiti od teškog kratkog spoja. Podnose umjerenu prekomjernu struju i daju paketu vremena da se ohladi.

Osiguračipuhni jednom i ostani puhan. Osigurači na razini paketa imaju veličinu veću od normalne radne struje s rezervom za udarne udare i prijelazne pojave. Kontinuirani paket od 10 A može koristiti brzo{5}}pregorjeli osigurač od 15 A. Osigurač prekida jaki kratki spoj brže od PTC-a, obično ispod 100 ms pri visokim strujama kvara. Ali također trajno ubija čopor. Slijede jamstveni zahtjevi.

Zaštitni IC-ovipratiti struju kroz senzorski otpornik. Zajednički dijelovi Seika, TI-ja i drugih osiguravaju prekostrujne pragove koji se mogu programirati putem vanjskih otpornika ili interno kodirati. Odgode otkrivanja obično iznose 8-24 ms. Detekcija kratkog spoja je brža, često ispod 500µs. IC pokreće vanjske FET-ove za odspajanje paketa.

Vrijednost otpornika osjetila je važna. Senzorni otpornik od 5 mΩ daje bolju rezoluciju, ali pada više napona i troši više snage pri velikim strujama. Otpornik od 2 mΩ gubi manje energije, ali treba osjetljiviji prednji kraj. Većina potrošačkih pakiranja koristi 3-10 mΩ ovisno o trenutnoj klasi.

BMSu većim pakiranjima dodaje inteligenciju. Aktivno ograničenje struje umjesto samo okidanja/ne-okidanja. Temperaturno-kompenzirani pragovi. Zapisivanje događaja za dijagnostiku. Dobar BMS smanjuje prekostrujne granice kako temperatura ćelije raste, održavajući ćelije u njihovom sigurnom radnom prozoru čak i pod dinamičkim opterećenjima.

CID-oviunutarnje ćelije pružaju-posljednju mehaničku zaštitu. Uređaj za prekid struje aktivira se pri povećanju unutarnjeg tlaka. Do trenutka kada se CID aktivira, stanica je već doživjela značajan stres. CID aktivacija obično znači da je ćelija otpad.

Ocjene podatkovne tablice pretpostavljaju specifične uvjete. Samsung 30Q ocijenjen za 15 A kontinuirano pretpostavlja temperaturu okoline od 25 stupnjeva i odgovarajuće hlađenje. Stavite tu ćeliju unutar izoliranog kućišta na 35 stupnjeva okoline i 15 A će je gurnuti iznad sigurne temperature.

Ocjene pulsa izgledaju privlačno, ali dolaze s priloženim žicama. Ćelija može zahtijevati 30 A tijekom 10 sekundi, ali to pretpostavlja da je ćelija započela na 25 stupnjeva i ima vremena da se ohladi prije sljedećeg pulsa. Natrag-na-nazad impulsi bez vremena oporavka akumuliraju toplinu baš kao i kontinuirana struja.

Stope punjenja često su konzervativnije od stopa pražnjenja. Ćelija koja podnosi pražnjenje od 20 A može tolerirati samo punjenje od 4 A. Razlog je rizik od litijske presvlake. Neke novije ćelije s anodama-dopiranim silicijem još su osjetljivije na brzinu punjenja.

Starost stanice mijenja sve. Nova ćelija s unutarnjim otporom od 20 mΩ podnosi 20 A bolje od godinu dana stare ćelije od 30 mΩ. Zaštita paketa trebala bi biti odgovorna za-otpornost-života, a ne samo nove specifikacije ćelija.

Svaki dizajn paketa zahtijeva nadstrujnu validaciju. Oprema za testiranje je važna.

Elektronička opterećenja moraju trošiti struju brže nego što zaštita reagira. Zaštitni IC s odgodom detekcije od 10 ms treba opterećenje koje postiže ciljnu struju za manje od 1 ms. Sporo povećanje opterećenja-dopušta rano aktiviranje zaštite i daje lažno povjerenje.

Trenutno mjerenje zahtijeva propusnost. Senzorski otpornik od 10 mΩ na 100 A daje signal od 1 V. Hvatanje stvarnog vrha zahtijeva najmanje 10 kHz propusnosti, po mogućnosti više. Scope sonde s pravilnim uzemljenjem izbjegavaju probleme sa šumom koji daje podatke o smeću.

Ispitivanje temperature otkriva probleme dizajna koje propušta ispitivanje sobne temperature. Zaštitni IC pragovi mijenjaju se s temperaturom. FET Rds(on) raste na visokoj temperaturi, dodajući pad napona. Sense otpornik TCR je bitan kada se otpornik zagrijava od prolazne struje kvara. Testirajte na -20 stupnjeva, +25 stupnjeva i +55 stupnjeva najmanje.

Testna matrica postaje velika. Prekostruja punjenja, prekostruja pražnjenja, kratki spoj. Svaki na tri temperature. Svaki na više SOC razina jer impedancija ćelije varira sa stanjem napunjenosti. Pomnožite s veličinom uzorka za statističku pouzdanost. Temeljita provjera valjanosti provodi stotine testova.

Overcurrent

UL 2054pokriva prijenosne baterije za tržišta Sjeverne Amerike. Ispitivanje kratkog spoja primjenjuje mrtvi kratki spoj na 10 sekundi. Pakiranje se ne smije zapaliti ili eksplodirati. Temperatura se nadzire, ali se ne proziva nikakvo specifično ograničenje. Ovo je minimalna traka.

IEC 62133-2primjenjuje se međunarodno. Eksterno ispitivanje kratkog spoja koristi manje od 100 mΩ ukupnog otpora kruga koji se drži jedan sat ili dok se temperatura ne stabilizira. Stroži od UL 2054 u pogledu trajanja.

UN 38.3uređuje pomorstvo. Test 5 zahtijeva kratki spoj manji od 0,1 Ω. Ćelije ili baterije ne smiju se rastavljati ili zapaliti. Ovo je važno jer nepoštivanje UN 38.3 znači da se vaš proizvod ne može legalno transportirati.

SAE J2464pokriva EV aplikacije sa strožim zahtjevima. Otpor kratkog spoja pada na 5 mΩ, a toplinski/mehanički kriteriji su specifičniji.

Prolazak ovih testova ne znači da je dizajn zaštite dobar. To znači da je dizajn zaštite prikladan za certifikaciju. Zlostavljanje-u stvarnom svijetu može premašiti uvjete testiranja.

Promjer žice stalno se povećava. Premala žica dodaje otpor i stvara toplinu na spojevima. Sama žica može podnijeti struju, ali naborani terminali ili lemljeni spojevi postaju vruće točke. Paketi vraćeni zbog "kvar baterije" često pokazuju spaljene terminale žica dok su ćelije u redu.

Izbor konektora još je jedna slaba točka. XT60 konektori su ocijenjeni za 60A kontinuirano, navodno. Ta ocjena pretpostavlja savršene spojeve i čiste kontakte. U praksi, smanjena za 30-40% radi pouzdanosti. Anderson Powerpoles imaju slična razmatranja.

Treba obratiti pozornost na zavarivanje jezičaka na ćelijama. Dobar zavar ima malu otpornost i mehaničku čvrstoću. Hladni zavar izgleda dobro, ali ne uspijeva pod utjecajem vibracija ili toplinskih ciklusa. Spaljeni zavar oštetio je limenku i stvorio slabu točku. Rasporedi zavarivanja trebaju validaciju s ispitivanjem povlačenja i mjerenjem otpora.

Upravljanje toplinom povezano je s prekostrujnom sposobnošću. Paket s aktivnim hlađenjem može izdržati veće struje od zapečaćenog paketa bez protoka zraka. Neki dizajni koriste termistore na ćelijama za pokretanje smanjenja struje prije nego što temperature postanu kritične.

Prekomjerna struja ubija litijeve baterije. Ponekad brzo, ponekad sporo, ali uvijek štetno. Trenutna ograničenja postoje iz razloga povezanih s fizikom i kemijom, a ne proizvoljnim konzervativizmom.

Dobra zaštita zahtijeva više slojeva jer svaka vrsta zaštite ima slabosti. PTC-ovi su spori. Osigurači su jedan-pogodak. IC ovise o točnosti osjetila. BMS povećava troškove i složenost. CID znače da je stanica već oštećena.

Testiranje treba odražavati stvarne uvjete upotrebe i scenarije zlouporabe. Polaganje certifikacijskih testova je neophodno, ali nije dovoljno.

Odabir dizajna paketa-žica, konektori, toplinski elementi, margine-određuju hoće li zaštita stvarno štiti ili samo izgleda dobro na papiru.

Ćelije kojima vjerujem dolaze od proizvođača s dosljednom kvalitetom i objavljenim podacima. Paketi kojima vjerujem koriste zaštitne sklopove renomiranih dobavljača s odgovarajućim dizajnom aplikacija. Sve ostalo se tretira s oprezom dok se ne dokaže suprotno.