Ce este supracurent?

Supracurent înseamnă că bateriei i se cere să furnizeze sau să accepte mai mult curent decât pentru care a fost construită. Simplu ca asta. Celula se încălzește, chimia devine stresată și lucrurile merg pe o parte, dacă nimeni nu intervine.

Văd această problemă în mod constant în returnările de câmp. Pachetele se întorc cu urme arse, file topite, celule care arată bine la exterior, dar măsoară moarte în interior. De nouă ori din zece, cineva a tras prea mult curent sau protecția a eșuat.

Celulele cu litiu au limite dure. O celulă evaluată pentru 10A continuu va tolera 10A toată ziua la temperatura camerei. Împingeți-l la 15 A și temperatura internă crește. Împingeți-l la 30A și aveți poate câteva secunde înainte ca ceva să cede.

Generarea de căldură într-o celulă cu litiu urmează I²R. Rezistența internă la un 18650 tipic este de aproximativ 15-30 mΩ, în funcție de celulă și de vârsta acesteia. Rulați numerele pe o celulă de 25 mΩ.

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

Acei 40W nu au unde să intre într-o cutie de oțel. Temperatura celulei crește. Electrolitul începe să se descompună la aproximativ 80 de grade. Peste 130 de grade, separatorul poate eșua. După aceea, fuga termică devine o posibilitate reală.

Supracurent de încărcare urmează aceeași fizică, dar cu o problemă suplimentară. Placare cu litiu. Împingeți curentul de încărcare prea mare și depunerile de litiu metalic pe suprafața anodului în loc să intercalați corect. Acea placare este o pierdere permanentă de capacitate. De asemenea, creează risc de formare de dendrite.

Overcurrent

Pantaloni scurți externise întâmplă mai mult decât le place să recunoască producătorii. Un șurub slăbit într-o carcasă. Un fir deteriorat care se freacă de un cadru. Pătrunderea apei creând o cale conductivă. Am lucrat la o rechemare în care conectorul pachetului avea un defect de design care a lăsat pinul pozitiv să intre în contact cu masa carcasei în timpul inserării. Mii de pachete au ieșit înainte ca cineva să-l prindă.

Defecțiuni de încărcareapar în mod constant în aplicațiile de scule electrice. Motoarele cu perii se blochează la curent de funcționare de 6-8x. Brushless cu control FOC se ocupă mai bine de blocajele, dar totuși crește puternic. Bateria vede acest vârf indiferent dacă controlerul motorului face ceva sau nu.

Probleme cu încărcătorultind să fie subtil. Un încărcător conceput pentru un pachet 4S conectat la un pachet 3S. Limitele de tensiune ar putea funcționa în continuare, dar profilul de curent este greșit. Sau linia de detectare a încărcătorului se întrerupe și încărcătorul pur și simplu împinge curentul complet până când ceva se declanșează.

Nepotrivire celularăîn pachete de serie este insidios. Patru celule în serie, trei dintre ele de 3000 mAh, una dintre ele de fapt 2700 mAh pentru că a stat într-un depozit fierbinte timp de șase luni. Celula aia slabă ajunge prima la încărcarea completă. Ceilalți trei continuă să împingă. Acea celulă slabă este supraîncărcată, generează gaz, se încălzește și acum aveți o stare locală de supracurent care se întâmplă în interiorul unei singure celule, în timp ce tensiunea pachetului pare bună.

Consecința imediată este căldura. Supracurent susținut la un rating de 2x va împinge majoritatea celulelor peste 60 de grade în câteva minute. Celula supraviețuiește, probabil, dar ciclul de viață este lovit.

Evenimentele repetate de supracurent creează daune cumulate. Stratul SEI de pe anod se îngroașă. Rezistența internă crește. Capacitatea se estompează. O celulă care a început la 3000mAh și 20mΩ ar putea fi de 2400mAh și 35mΩ după 200 de cicluri abuzive. Ar fi făcut 800 de cicluri cu o utilizare adecvată.

Condițiile severe de supracurent-scurtcircuit-poate termina o celulă în câteva secunde. Curentul atinge vârfuri la orice limitează rezistența internă a celulei. Un dren-înalt 18650 complet încărcat într-un scurtcircuit dur poate vedea un curent instantaneu de 200-300 A. Sudurile cu urechi sunt adesea primul punct de eroare. Dacă urechile țin, ruloul de jeleu se încălzește atât de repede încât aerisirea urmează în câteva secunde.

Am văzut celule care au aerisit atât de tare capacul pozitiv lansat în laborator. Ochelarii de protecție nu sunt opționali atunci când se testează răspunsul la scurtcircuit.

Overcurrent

Designul bun al pachetului folosește mai multe mecanisme de protecție. Niciun dispozitiv nu gestionează fiecare mod de defecțiune.

PTC-uristați în interiorul celor mai multe celule cilindrice de la producători de renume. Se declanșează în funcție de temperatură, nu direct de curent. Un PTC ar putea fi evaluat să țină 7A și să declanșeze la 15A, dar mecanismul de declanșare este termic. Timpul de răspuns este lent-de la sute de milisecunde până la secunde. PTC-urile nu vă vor salva de un scurt scurt. Aceștia se ocupă de supracurent moderat și dau timp pachetului să se răcească.

Siguranțesuflă o dată și rămâi suflat. Siguranțele de la nivel-pachet sunt dimensionate peste curentul normal de funcționare, cu o marjă pentru pornire și tranzitorii. Un pachet continuu de 10 A poate folosi o siguranță rapidă-de 15A. Siguranța elimină un scurt scurt mai repede decât un PTC, de obicei sub 100 ms la curenți mari de defecțiune. Dar, de asemenea, ucide haita definitiv. Urmează cererile de garanție.

CI de protecțiemonitorizați curentul printr-un rezistor de detectare. Piesele comune de la Seiko, TI și altele oferă praguri de supracurent programabile prin rezistențe externe sau codificate intern. Întârzierile de detectare sunt de obicei de 8-24 ms. Detectarea scurtcircuitului este mai rapidă, adesea sub 500µs. IC-ul conduce FET-uri externe pentru a deconecta pachetul.

Valoarea rezistorului de sens contează. Un rezistor de detectare de 5 mΩ oferă o rezoluție mai bună, dar scade mai multă tensiune și disipă mai multă putere la curenți mari. Un rezistor de 2 mΩ risipește mai puțină energie, dar are nevoie de un front-end mai sensibil. Majoritatea pachetelor de consum folosesc 3-10mΩ, în funcție de clasa curentă.

BMSîn pachete mai mari adaugă inteligență. Limitarea curentului activ, nu doar declanșare/fără{1}}deplasare. Pragurile-compensate cu temperatură. Înregistrarea evenimentelor pentru diagnosticare. Un BMS bun reduce limitele de supracurent pe măsură ce temperatura celulei crește, menținând celulele în fereastra de funcționare sigură chiar și sub sarcini dinamice.

CID-uricelulele din interior oferă protecție mecanică de ultimă{0}}remediu. Dispozitivul de întrerupere a curentului se activează la creșterea presiunii interne. Până la declanșarea unui CID, celula a suferit deja un stres semnificativ. Activarea CID înseamnă de obicei că celula este deșeuri.

Evaluările din fișa de date presupun condiții specifice. Un Samsung 30Q evaluat pentru 15A continuu presupune o temperatură ambientală de 25 de grade și o răcire adecvată. Puneți acea celulă într-o carcasă izolată la 35 de grade ambientale și 15 A o va împinge peste temperaturile sigure.

Evaluările pulsului arată atractiv, dar vin cu șiruri atașate. O celulă poate pretinde 30A timp de 10 secunde, dar asta presupune că celula a pornit la 25 de grade și are timp să se răcească înainte de următorul puls. Impulsurile înapoi-în-înapoi fără timp de recuperare acumulează căldură la fel ca curentul continuu.

Ratele de încărcare sunt adesea mai conservatoare decât ratele de descărcare. O celulă care se ocupă de descărcare de 20 A ar putea tolera doar încărcare de 4 A. Riscul de placare cu litiu este motivul. Unele celule mai noi cu anozi-dopați cu siliciu sunt și mai sensibile la rata de încărcare.

Vârsta celulei schimbă totul. O celulă nouă cu rezistență internă de 20 mΩ se descurcă cu 20 A mai bine decât celula de un an-la 30mΩ. Protecția pachetului ar trebui să țină cont de rezistența la sfârșitul--durată de viață, nu doar de specificațiile celulelor noi.

Fiecare design de pachet are nevoie de validare la supracurent. Echipamentul de testare contează.

Sarcinile electronice trebuie să reducă curentul mai repede decât răspunde protecția. Un circuit integrat de protecție cu întârziere de detecție de 10 ms are nevoie de o sarcină care atinge curentul țintă în mai puțin de 1 ms. Creșterea lentă a sarcinii-permite protecției să se declanșeze mai devreme și oferă o încredere falsă.

Măsurarea curentă necesită lățime de bandă. Un rezistor de detectare de 10mΩ la 100A dă semnal de 1V. Captarea vârfului real necesită o lățime de bandă de cel puțin 10 kHz, de preferință mai mult. Sondele lunete cu împământare adecvată evită problemele de zgomot care oferă date de gunoi.

Testarea temperaturii detectează probleme de proiectare pe care testarea la temperatura camerei le scapă. Pragurile IC de protecție variază cu temperatura. FET Rds(on) crește la temperatură ridicată, adăugând cădere de tensiune. Rezistorul de detectare TCR contează atunci când rezistorul se încălzește de la trecerea curentului de defect. Testați la minim -20 de grade , +25 grade și +55 grade.

Matricea de testare devine mare. Supracurent de încărcare, supracurent de descărcare, scurtcircuit. Fiecare la trei temperaturi. Fiecare la mai multe niveluri SOC, deoarece impedanța celulei variază în funcție de starea de încărcare. Înmulțiți cu dimensiunea eșantionului pentru încredere statistică. O validare amănunțită rulează sute de teste.

Overcurrent

UL 2054acoperă baterii portabile pentru piețele din America de Nord. Testarea de scurtcircuit aplică un scurtcircuit timp de 10 secunde. Pachetul nu trebuie să ia foc sau să explodeze. Temperatura este monitorizată, dar nu este stabilită nicio limită specifică. Aceasta este o bară minimă.

IEC 62133-2se aplică la nivel internațional. Testarea la scurtcircuit extern utilizează o rezistență totală a circuitului mai mică de 100 mΩ menținută timp de o oră sau până când temperatura se stabilizează. Mai strict decât UL 2054 în ceea ce privește durata.

ONU 38.3guvernează transportul maritim. Testul 5 necesită un scurtcircuit prin mai puțin de 0,1Ω. Celulele sau bateriile nu trebuie să demonteze sau să ia foc. Acesta contează deoarece nerespectarea UN 38.3 înseamnă că produsul dvs. nu poate fi transportat legal.

SAE J2464acoperă aplicații EV cu cerințe mai stricte. Rezistența la scurtcircuit scade la 5mΩ, iar criteriile termice/mecanice sunt mai specifice.

Trecerea acestor teste nu înseamnă că designul de protecție este bun. Înseamnă că designul de protecție este adecvat pentru certificare. Abuzul real-poate depăși condițiile de testare.

Ecartamentul firului apare constant. Firul subdimensionat adaugă rezistență și creează căldură la conexiuni. Firul în sine ar putea gestiona curentul, dar terminalele sertizate sau îmbinările de lipit devin puncte fierbinți. Pachetele returnate pentru „defecțiune a bateriei” arată adesea terminale de sârmă arse, în timp ce celulele sunt în regulă.

Selectarea conectorului este un alt punct slab. Conectorii XT60 sunt evaluați pentru 60A continui, se presupune. Acest rating presupune sertizare perfectă și contacte curate. În practică, redus cu 30-40% pentru fiabilitate. Anderson Powerpoles au considerații similare.

Sudarea cu tablă pe celule necesită atenție. O sudură bună are rezistență scăzută și rezistență mecanică. O sudură la rece arată bine, dar nu reușește sub vibrații sau cicluri termice. O sudură arsă a deteriorat cutia și creează un punct slab. Programele de sudură necesită validare cu testare de tracțiune și măsurare a rezistenței.

Managementul termic se leagă de capacitatea de supracurent. Un pachet cu răcire activă poate susține curenți mai mari decât un pachet sigilat fără flux de aer. Unele modele folosesc termistori pe celule pentru a declanșa reducerea curentului înainte ca temperaturile să devină critice.

Supracurent ucide bateriile cu litiu. Uneori rapid, alteori lent, dar întotdeauna dăunător. Limitele actuale există din motive legate de fizică și chimie, nu de conservatorism arbitrar.

O bună protecție necesită mai multe straturi, deoarece fiecare tip de protecție are puncte slabe. PTC-urile sunt lente. Siguranțele sunt o-o singură lovitură. Circuitele integrate depind de acuratețea sensului. BMS adaugă cost și complexitate. CID înseamnă că celula este deja deteriorată.

Testarea trebuie să reflecte condițiile reale de utilizare și scenariile de abuz. Trecerea testelor de certificare este necesară, dar nu suficientă.

Opțiunile de design ale pachetului-sârmă, conectori, termice, margini-determină dacă protecția protejează cu adevărat sau dacă arată bine pe hârtie.

Celulele în care am încredere provin de la producători cu o calitate constantă și date publicate. Pachetele în care am încredere folosesc circuite de protecție de la furnizori de renume, cu un design adecvat al aplicației. Orice altceva este tratat cu prudență până când se dovedește contrariul.