Ce este supratensiune?
Am primit un apel de la un integrator de pachete din Ohio marțea trecută. Aveau un pachet 14S LFP care s-a întors de la o instalație solară cu două celule care citiu 3,91 V. LFP. Nu ar trebui să se vadă niciodată ceva peste 3,65 V în utilizare normală. Celulele arătau bine din exterior, dar când am deschis una, folia catodului devenise maro la margini. Daune clasice de supraîncărcare.
Se pare că foloseau un încărcător cu plumb-acid. Clientul l-a schimbat deoarece originalul a murit. Încărcătorul cu plumb-acid de 48 V stinge 58,4 V plutitor. Pe un pachet LFP 14S care funcționează la 4,17 V per celulă. Nu este o problemă pentru{10}}plumb. Problemă mare pentru LFP.
Acest gen de lucruri se întâmplă mai mult decât recunosc oamenii.
Supratensiune înseamnă împingerea unei celule peste tensiunea maximă de încărcare nominală. Numărul depinde de chimie. NMC și NCA depășesc la 4,20 V. Unele variante de-NMC de mare energie sunt evaluate la 4,35 V, dar acestea sunt celule specializate și trebuie să știți ce faceți cu ele. Chimia LFP are un plafon de 3,65 V. LTO este în jur de 2,85 V. Aceste numere provin din fișa de date a furnizorului de celule. Ignora-le si vei avea probleme.
Degradarea internă a celulelor
Ce se întâmplă în interiorul celulei la supratensiune nu este complicat. Materialul catodic vrea să renunțe la oxigen atunci când forțați prea mult litiu din el. Acel oxigen reacționează cu electrolitul. Între timp, metalul de litiu începe să se placa pe suprafața anodului, deoarece grafitul nu poate absorbi ionii suficient de repede. Placarea este proastă din două motive. Este o pierdere ireversibilă a capacității și creează dendrite care în cele din urmă pot scurtcircuita celula în interior.
Mulți oameni cred că există o marjă încorporată în specificațiile de 4,20 V. Nu există.
Producătorii de celule stabilesc această limită în punctul în care degradarea devine inacceptabilă. A merge la 4,25 V o dată este probabil bine. Mergând acolo, fiecare ciclu va ucide celula în câteva sute de cicluri în loc de câteva mii. Trecând peste 4,30 V și s-ar putea să nu obții câteva sute de cicluri. Am văzut celule umflandu-se la 4,35 V după o singură încărcare. Depinde de celula.
Rolul BMS
BMS ar trebui să prindă asta. Fiecare celulă din pachet are propriul fir de simț. Cipul AFE citește toate tensiunile celulei și compară cu un prag. Dacă vreo celulă se depășește, încărcarea se oprește. Destul de simplu.
Cu excepția faptului că BMS-ul poate eșua. Am văzut plăci BMS cu îmbinări de lipire la rece pe conectorii firelor de sens. O celulă oprește raportarea, iar firmware-ul revine implicit la zero în loc să semnaleze o eroare. Am văzut cipuri AFE care ies din cal peste temperatură. BQ76940 de la TI este în general solid, dar BQ76925 mai vechi a avut probleme cu schimbarea referințelor interne. Chipurile AFE chinezești mai ieftine pot fi peste tot.
Echilibrarea contează mai mult decât cred oamenii. Un pachet cu zece celule în serie va avea o anumită capacitate răspândită. O celulă se încarcă complet înaintea celorlalte. Dacă echilibrarea este prea lentă, celula înaltă se află la 4,20 V în timp ce curentul continuă să curgă în pachet. Tensiunea de pe acea celulă crește. Cu echilibrarea pasivă, ești limitat de cantitatea de căldură pe care o poți arunca prin rezistențele de purjare. Majoritatea modelelor rulează curent de echilibru de la 50mA la 100mA. Dacă celulele tale sunt nepotrivite cu mai mult de câteva procente, s-ar putea să nu fie suficient.
Echilibrarea activă mută sarcina de la celulele înalte la celulele scăzute, în loc să o arde. Mai scump. Mai complex. Are sens pentru pachetele mari în care energia irosită se adună sau pentru aplicații în care nu puteți tolera nicio împrăștiere a capacității.
Designul încărcătorului este cealaltă jumătate a ecuației. Un convertor de comutare cu reglare neglijentă a feedback-ului va depăși la sarcină ușoară. Am măsurat încărcătoare care scot 42,5 V atunci când pachetul consumă mai puțin de 100 mA aproape de sfârșitul încărcării. Acea jumătate de volt suplimentar distribuită pe zece celule este de 50 mV fiecare. Nu este un dezastru, dar se adună cu celelalte toleranțe.
Compensarea temperaturii în încărcător contează și ea. Celulele cu litiu ar trebui să se încarce la o tensiune mai mică atunci când sunt fierbinți. Unele încărcătoare ajustează valoarea de referință CV pe baza unui termistor. Majoritatea celor ieftine nu. Un pachet care stă la soare la 45C care se încarcă la 4,20 V per celulă este efectiv supraîncărcat.
Două straturi de protecție sunt mai bune decât unul. BMS urmărește tensiunile celulelor. Un circuit integrat de protecție secundară poate urmări tensiunea pachetului și poate tăia un FET dacă ceva nu merge bine. Pentru pachetul Ohio care a început toată această discuție, niciunul nu a existat. Aveau un BMS prost care făcea doar echilibrare. Fără protecție. Clientul a presupus că încărcătorul se va ocupa. Presupoziție proastă.
Lista de verificare a designului
Dacă proiectați pachete, lista de verificare este destul de scurtă.
- Utilizați un BMS cu OVP real la nivel de celulă{0}}.
- Setați pragul cu o anumită marjă, poate 4,18 V pentru NMC.
- Asigurați-vă că echilibrarea poate ține pasul cu răspândirea celulară.
- Calificați încărcătorul în plicul său de funcționare nu doar la temperatura camerei pe bancă.
- Adăugați o cale de protecție secundară dacă aplicația o justifică.
Pachetul Ohio este reconstruit cu un BMS adecvat și un încărcător specificat pentru LFP. Lecție scumpă. Ar fi putut fi mai rău. Nimeni nu a fost rănit și nimic nu a luat foc. Nu așa se termină întotdeauna aceste povești.
