Čo je nadprúd?

Nadprúd znamená, že batéria je požiadaná, aby dodala alebo prijala väčší prúd, než na aký bola skonštruovaná. Takto jednoducho. Bunka sa zahrieva, chémia sa dostáva do stresu a veci idú bokom, ak nikto nezakročí.

Tento problém vidím neustále v poli návratnosti. Balíčky sa vracajú s vypálenými stopami, roztopenými plôškami, bunkami, ktoré vyzerajú navonok dobre, ale vo vnútri sú mŕtve. Deväťkrát z desiatich niekto vytiahol príliš veľa prúdu alebo zlyhala ochrana.

Lítiové články majú tvrdé limity. Článok dimenzovaný na nepretržitý prúd 10 A bude tolerovať 10 A celý deň pri izbovej teplote. Stlačte ho na 15A a vnútorná teplota stúpne. Zatlačte ho na 30A a máte možno niekoľko sekúnd, kým niečo povolí.

Generovanie tepla v lítiovom článku nasleduje I²R. Vnútorný odpor na typickom 18650 je okolo 15-30 mΩ v závislosti od článku a jeho veku. Spustite čísla na 25mΩ článku.

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

Tých 40W nemá kam ísť do oceľovej plechovky. Teplota bunky stúpa. Elektrolyt sa začne rozkladať okolo 80 stupňov. Nad 130 stupňov môže oddeľovač zlyhať. Potom sa tepelný únik stáva reálnou možnosťou.

Nabíjanie nadprúdom prebieha podľa rovnakej fyziky, ale s ďalším problémom. Pokovovanie lítiom. Nabíjací prúd je príliš vysoký a lítium-kov sa usadzuje na povrchu anódy namiesto správnej interkalácie. To pokovovanie je trvalá strata kapacity. Vytvára tiež riziko tvorby dendritov.

Overcurrent

Vonkajšie šortkysa stáva viac, ako výrobcovia radi pripúšťajú. Uvoľnená skrutka v kryte. Poškodený drôt odierajúci sa o rám. Vniknutie vody vytvára vodivú cestu. Pracoval som na stiahnutí, kde konektor balenia mal konštrukčnú chybu, ktorá umožnila kontaktu kladného kolíka so zemou krytu počas vkladania. Než to niekto chytil, vyšli tisíce balení.

Poruchy zaťaženiasa neustále objavujú v aplikáciách elektrického náradia. Kartáčované motory sa zastavia pri prevádzkovom prúde 6-8x. Brushless s ovládaním FOC lepšie zvláda prestoje, ale stále silnejšie hroty. Batéria vidí túto špičku bez ohľadu na to, či s tým ovládač motora niečo robí alebo nie.

Problémy s nabíjačkoumajú tendenciu byť jemné. Nabíjačka určená pre 4S balenie zasunutá do 3S balenia. Obmedzenia napätia môžu stále fungovať, ale aktuálny profil je nesprávny. Alebo sa preruší snímacia linka nabíjačky a nabíjačka jednoducho tlačí plný prúd, kým sa niečo nezapne.

Nesúlad buniekv sériových baleniach je zákerný. Štyri články v sérii, tri z nich 3000mAh, jeden z nich skutočne 2700mAh, pretože ležal v horúcom sklade šesť mesiacov. Tento slabý článok sa najskôr úplne nabije. Ďalší traja pokračujú v tlačení. Ten slabý článok sa prebije, generuje plyn, zahrieva sa a teraz máte miestny nadprúdový stav, ktorý sa deje vo vnútri jedného článku, zatiaľ čo napätie batérie vyzerá dobre.

Bezprostredným dôsledkom je teplo. Trvalý nadprúd pri hodnote 2x posunie väčšinu buniek nad 60 stupňov v priebehu niekoľkých minút. Bunka pravdepodobne prežije, ale cyklus života dostane zásah.

Opakované nadprúdové udalosti vytvárajú kumulatívne škody. Vrstva SEI na anóde sa zahusťuje. Vnútorný odpor stúpa. Kapacita mizne. Článok, ktorý začínal na 3 000 mAh a 20 mΩ, môže byť 2 400 mAh a 35 mΩ po 200 zneužívajúcich cykloch. Pri správnom používaní by to urobilo 800 cyklov.

Silný nadprúdový-skrat-môže bunku ukončiť v priebehu niekoľkých sekúnd. Prúd vrcholí pri akomkoľvek obmedzení vnútorného odporu článku. Plne nabitý vysoko-odtok 18650 do tvrdého skratu dokáže zobraziť okamžitý prúd 200-300A. Plošné zvary sú často prvým miestom zlyhania. Ak úchytky držia, rolka sa zahreje tak rýchlo, že odvzdušnenie nasleduje v priebehu niekoľkých sekúnd.

Videl som bunky, ktoré sa vyvetrali tak silno, že pozitívny uzáver vystrelil cez laboratórium. Ochranné okuliare nie sú pri testovaní odozvy na skrat voliteľné.

Overcurrent

Dobrý dizajn balenia využíva viacero ochranných mechanizmov. Žiadne jednotlivé zariadenie nezvláda každý režim zlyhania.

PTCsedí vo väčšine valcových článkov od renomovaných výrobcov. Vypínajú sa na základe teploty, nie priamo podľa prúdu. PTC môže byť dimenzovaný tak, aby udržal 7A a vypínal pri 15A, ale vypínací mechanizmus je tepelný. Čas odozvy je pomalý-v stovkách milisekúnd až sekúnd. PTC vás nezachránia pred tvrdým skratom. Zvládajú mierny nadprúd a poskytujú baleniu čas na ochladenie.

Poistkyfúknite raz a zostaňte fúkané. Poistky na úrovni balíčka sú dimenzované nad normálny prevádzkový prúd s rezervou pre náraz a prechodové javy. 10A nepretržité balenie môže používať 15A rýchlu-poistku. Poistka odstraňuje tvrdý skrat rýchlejšie ako PTC, zvyčajne pod 100 ms pri vysokých poruchových prúdoch. Ale aj to natrvalo zabije svorku. Nasledujú záručné nároky.

Ochranné integrované obvodysledovať prúd cez snímací odpor. Spoločné diely od Seiko, TI a iných poskytujú nadprúdové prahy programovateľné cez externé odpory alebo interne napevno kódované. Oneskorenie detekcie je zvyčajne 8-24 ms. Detekcia skratu je rýchlejšia, často pod 500 µs. IC poháňa externé FET, aby odpojil balík.

Hodnota snímacieho rezistora je dôležitá. Snímací odpor 5 mΩ poskytuje lepšie rozlíšenie, ale znižuje viac napätia a rozptyľuje viac energie pri vysokých prúdoch. Rezistor 2 mΩ spotrebuje menej energie, ale potrebuje citlivejší predný koniec. Väčšina spotrebiteľských balení používa 3-10 mΩ v závislosti od aktuálnej triedy.

BMSvo väčších baleniach pridáva inteligenciu. Aktívne obmedzenie prúdu, nie len vypnutie/žiadne{1}}vypnutie. Teplotne-kompenzované prahové hodnoty. Protokolovanie udalostí pre diagnostiku. Dobrý BMS znižuje nadprúdové limity pri zvyšovaní teploty článkov, čím udržuje články v ich bezpečnom prevádzkovom okne aj pri dynamickom zaťažení.

CIDvnútri buniek poskytujú-poslednú možnosť mechanickej ochrany. Zariadenie na prerušenie prúdu sa aktivuje pri zvýšení vnútorného tlaku. V čase, keď sa CID spustí, bunka už zažila značný stres. Aktivácia CID zvyčajne znamená, že bunka je šrot.

Hodnotenia údajového listu predpokladajú špecifické podmienky. Samsung 30Q dimenzovaný na nepretržitý prúd 15 A predpokladá okolitú teplotu 25 stupňov a primerané chladenie. Vložte túto bunku do izolovaného krytu pri okolitej teplote 35 stupňov a 15 A ju vytlačí za bezpečné teploty.

Hodnoty pulzu vyzerajú atraktívne, ale prichádzajú s pripojenými šnúrkami. Článok si môže nárokovať 30 A po dobu 10 sekúnd, ale to predpokladá, že článok začal pri 25 stupňoch a má čas vychladnúť pred ďalším impulzom. Impulzy-k-za sebou bez času obnovy akumulujú teplo rovnako ako nepretržitý prúd.

Rýchlosti nabíjania sú často konzervatívnejšie ako rýchlosti vybíjania. Článok, ktorý zvládne vybíjanie 20 A, môže tolerovať iba nabíjanie 4 A. Dôvodom je riziko pokovovania lítiom. Niektoré novšie články s anódami dopovanými kremíkom- sú ešte citlivejšie na rýchlosť nabíjania.

Vek buniek mení všetko. Nový článok s vnútorným odporom 20 mΩ zvláda 20 A lepšie ako rok- starý článok pri 30 mΩ. Ochrana balíka by mala zohľadňovať odolnosť na konci--životnosti, nielen nové špecifikácie buniek.

Každý dizajn balenia potrebuje overprúdovú validáciu. Dôležité je testovacie zariadenie.

Elektronické záťaže musia odoberať prúd rýchlejšie, ako zareaguje ochrana. Ochranný IC s oneskorením detekcie 10 ms potrebuje záťaž, ktorá dosiahne cieľový prúd za menej ako 1 ms. Pomalé stúpanie záťaže-umožňuje ochranu predčasne vypnúť a poskytuje falošnú istotu.

Aktuálne meranie potrebuje šírku pásma. 10mΩ snímací odpor pri 100A dáva 1V signál. Zachytenie skutočného vrcholu vyžaduje šírku pásma najmenej 10 kHz, najlepšie viac. Snímače so správnym uzemnením zabraňujú problémom so šumom, ktoré poskytujú odpadové údaje.

Testovanie teploty zachytáva konštrukčné problémy, ktoré testovanie pri izbovej teplote prehliadne. Prahové hodnoty ochranného IC sa menia s teplotou. FET Rds(on) sa zvyšuje pri vysokej teplote a pridáva pokles napätia. Snímanie rezistora TCR je dôležité, keď sa rezistor zahrieva pri prechode poruchového prúdu. Testujte pri minimálnej teplote -20 stupňov, +25 stupňov a +55 stupňov.

Testovacia matica sa zväčší. Nadprúd nabíjania, nadprúd vybíjania, skrat. Každý pri troch teplotách. Každý na viacerých úrovniach SOC, pretože impedancia bunky sa mení so stavom nabitia. Pre štatistickú spoľahlivosť vynásobte veľkosťou vzorky. Dôkladná validácia vykonáva stovky testov.

Overcurrent

UL 2054pokrýva prenosné batérie pre severoamerické trhy. Testovanie skratu aplikuje mŕtvy skrat na 10 sekúnd. Balenie sa nesmie vznietiť ani explodovať. Teplota sa monitoruje, ale neuvádza sa žiadny špecifický limit. Toto je minimálna lišta.

IEC 62133-2platí medzinárodne. Externé testovanie skratu používa celkový odpor obvodu menší ako 100 mΩ udržiavaný jednu hodinu alebo kým sa teplota nestabilizuje. Trvanie prísnejšie ako UL 2054.

OSN 38.3riadi prepravu. Test 5 vyžaduje skrat menší ako 0,1Ω. Články alebo batérie sa nesmú rozoberať alebo vznietiť. Toto je dôležité, pretože nesplnenie UN 38.3 znamená, že váš produkt nemožno prepravovať legálne.

SAE J2464pokrýva aplikácie EV s prísnejšími požiadavkami. Skratový odpor klesne na 5 mΩ a tepelné/mechanické kritériá sú špecifickejšie.

Absolvovanie týchto testov neznamená, že dizajn ochrany je dobrý. Znamená to, že dizajn ochrany je vhodný na certifikáciu. Skutočné zneužitie-môže prekročiť testovacie podmienky.

Meradlo drôtu sa neustále zobrazuje. Poddimenzovaný drôt pridáva odpor a vytvára teplo na spojoch. Samotný drôt môže zvládnuť prúd, ale zvlnené svorky alebo spájkované spoje sa stanú horúcimi miestami. Balíčky vrátené pre „zlyhanie batérie“ často vykazujú spálené svorky vodičov, zatiaľ čo články sú v poriadku.

Výber konektora je ďalšou slabou stránkou. Konektory XT60 sú údajne dimenzované na nepretržitý prúd 60 A. Toto hodnotenie predpokladá dokonalé zlisovanie a čisté kontakty. V praxi znížená o 30-40% kvôli spoľahlivosti. Anderson Powerpoles má podobné úvahy.

Zváranie štítkov na článkoch si vyžaduje pozornosť. Dobrý zvar má nízku odolnosť a mechanickú pevnosť. Studený zvar vyzerá dobre, ale zlyhá pri vibráciách alebo tepelných cykloch. Vypálený zvar poškodil plechovku a vytvoril slabé miesto. Plány zvarov vyžadujú overenie pomocou testovania ťahom a merania odporu.

Tepelný manažment nadväzuje na nadprúdovú kapacitu. Balenie s aktívnym chladením dokáže udržať vyššie prúdy ako uzavreté balenie bez prúdenia vzduchu. Niektoré konštrukcie používajú termistory na článkoch na spustenie zníženia prúdu skôr, ako sa teploty stanú kritickými.

Nadprúd zabíja lítiové batérie. Niekedy rýchlo, niekedy pomaly, ale vždy škodí. Súčasné limity existujú z dôvodov spojených s fyzikou a chémiou, nie svojvoľným konzervativizmom.

Dobrá ochrana vyžaduje viacero vrstiev, pretože každý typ ochrany má slabé stránky. PTC sú pomalé. Poistky sú-jednorazové. Integrované obvody závisia od presnosti snímania. BMS zvyšuje náklady a zložitosť. CID znamená, že bunka je už poškodená.

Testovanie musí odrážať skutočné podmienky používania a scenáre zneužitia. Absolvovanie certifikačných testov je potrebné, ale nestačí.

Výber dizajnu balenia-káblov, konektorov, tepelných prvkov, okrajov-určuje, či ochrana skutočne chráni alebo len vyzerá dobre na papieri.

Bunky, ktorým dôverujem, pochádzajú od výrobcov s konzistentnou kvalitou a publikovanými údajmi. Balíky, ktorým verím, používajú ochranné obvody od renomovaných predajcov so správnym návrhom aplikácie. So všetkým ostatným sa zaobchádza opatrne, kým sa nepreukáže opak.