Що таке надструм?

Перевищення струму означає, що від батареї вимагається видавати або приймати більший струм, ніж він був створений. Просто так. Клітина нагрівається, хімія напружується, і все йде нанівець, якщо ніхто не втручається.

Я постійно бачу цю проблему в польових поверненнях. Пакети повертаються із спаленими слідами, розплавленими вкладками, клітинами, які виглядають добре зовні, але мертві всередині. У дев'яти випадках із десяти хтось тягнув занадто сильний струм або захист вийшов з ладу.

Літієві елементи мають жорсткі обмеження. Комірка, розрахована на безперервний струм 10 А, витримає 10 А весь день при кімнатній температурі. Підніміть його до 15 А, і внутрішня температура підніметься. Підніміть його до 30 А, і у вас є, можливо, секунди, перш ніж щось дасть.

Вироблення тепла в літієвій комірці відповідає I²R. Внутрішній опір типового 18650 становить близько 15-30 мОм залежно від елемента та його віку. Запустіть числа на комірці 25 мОм.

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

Цьому 40 Вт ніде подітися всередині сталевої банки. Підйом температури клітини. Електроліт починає руйнуватися при температурі 80 градусів. Вище 130 градусів сепаратор може вийти з ладу. Після цього теплова втеча стає реальною можливістю.

Перевищення струму заряджання відбувається за тією ж фізикою, але з додатковою проблемою. Покриття літієм. Струм імпульсного заряду занадто високий, і металевий літій відкладається на поверхні анода замість того, щоб належним чином інтеркалюватися. Це покриття є постійною втратою ємності. Це також створює ризик утворення дендритів.

Overcurrent

Зовнішні шортитрапляється більше, ніж хочуть визнавати виробники. Ослаблений гвинт у корпусі. Пошкоджений дріт треться об раму. Попадання води створює провідний шлях. Я працював над відкликанням, де роз’єм пакета мав недолік конструкції, через який позитивний контакт контактував із заземленням корпусу під час вставлення. Тисячі пачок розійшлися, перш ніж хтось це зловив.

Помилки навантаженняпостійно відображаються в додатках електроінструментів. Щіткові двигуни зупиняються при 6-8-кратному робочому струмі. Безщітковий з контролем FOC краще справляється із зупинками, але все ще сильно стрибає. Батарея бачить цей сплеск, незалежно від того, чи робить це контролер двигуна.

Проблеми із зарядним пристроєммають тенденцію бути тонкими. Зарядний пристрій, розроблений для пакета 4S, підключеного до пакета 3S. Обмеження напруги можуть працювати, але поточний профіль неправильний. Або лінія датчика зарядного пристрою розривається, і зарядний пристрій просто подає повний струм, доки щось не спрацює.

Невідповідність клітину серійних пакетах є підступним. Чотири елементи послідовно, три з них по 3000 мАг, один з них фактично 2700 мАг, тому що він пролежав у гарячому складі шість місяців. Цей слабкий елемент першим повністю заряджається. Інші троє продовжують штовхати. Цей слабкий елемент перезаряджається, генерує газ, нагрівається, і тепер у вас є локальний стан надструму, що відбувається всередині окремого елемента, тоді як напруга пакета виглядає добре.

Негайним наслідком є тепло. Стійкий перевищення струму в 2 рази підштовхне більшість елементів вище 60 градусів протягом кількох хвилин. Клітина, ймовірно, виживає, але життєвий цикл зазнає удару.

Повторювані події надструму створюють кумулятивний збиток. Шар SEI на аноді потовщується. Внутрішній опір наростає. Ємність зникає. Батарея, початкова ємність якої становила 3000 мАг і 20 мОм, може мати 2400 мАг і 35 мОм після 200 циклів зловживання. При належному використанні він міг би зробити 800 циклів.

Серйозна перевантаження по струму-коротке замикання-може припинити роботу клітини за секунди. Максимальна сила струму досягає будь-якого рівня внутрішнього опору клітини. Повністю заряджений високий-дренаж 18650 у жорстке замикання може мати миттєвий струм 200-300 А. Зварні шви часто є першою точкою відмови. Якщо вкладки тримаються, рулет желе нагрівається настільки швидко, що вентиляція відбувається за лічені секунди.

Я бачив клітини, які так сильно вентилювали позитивний ковпачок, запущений по лабораторії. Під час тестування реакції на коротке замикання захисні окуляри необов’язкові.

Overcurrent

Хороший дизайн упаковки використовує кілька механізмів захисту. Жоден окремий пристрій не впорається з кожним режимом відмови.

PTCсидять у більшості циліндричних комірок від авторитетних виробників. Вони спрацьовують залежно від температури, а не безпосередньо від струму. PTC може бути розрахований на витримку 7A і відключення при 15A, але механізм відключення є тепловим. Час відповіді повільний-від сотень мілісекунд до секунд. PTC не врятують від жорсткого короткого замикання. Вони витримують помірний перевищення струму та дають пакету час для охолодження.

Запобіжникиподуй один раз і залишайся дутим. Пакетні запобіжники мають розмір, що перевищує нормальний робочий струм із запасом на пускові та перехідні процеси. Безперервний пакет на 10 А може використовувати швидкий-запобіжник на 15 А. Запобіжник усуває сильне коротке замикання швидше, ніж PTC, зазвичай менше 100 мс при високих струмах замикання. Але це також вбиває зграю назавжди. Гарантійні претензії далі.

Мікросхеми захистуконтролювати струм через сенсорний резистор. Загальні частини від Seiko, TI та інших забезпечують порогові значення перевантаження по струму, програмовані за допомогою зовнішніх резисторів або жорстко закодовані всередині. Затримки виявлення зазвичай становлять 8-24 мс. Виявлення короткого замикання відбувається швидше, часто менше 500 мкс. IC керує зовнішніми польовими транзисторами для від’єднання блоку.

Значення чутливого резистора має значення. Чуттєвий резистор 5 мОм забезпечує кращу роздільну здатність, але падає більше напруги та розсіює більше потужності при високих струмах. Резистор 2 мОм витрачає менше енергії, але потребує більш чутливого переднього кінця. Більшість споживчих упаковок використовують 3-10 мОм залежно від класу струму.

BMSу великих упаковках додає інтелекту. Активне обмеження струму, а не просто відключення/не-відключення. Пороги-з температурною компенсацією. Журнал подій для діагностики. Хороший BMS зменшує межі перевантаження по струму, коли температура клітини підвищується, зберігаючи клітини в безпечному робочому вікні навіть за динамічних навантажень.

CIDвнутрішні клітини забезпечують -останній механічний захист. Пристрій переривання струму активується при підвищенні внутрішнього тиску. До моменту спрацьовування CID клітина вже зазнала значного стресу. Активація CID зазвичай означає, що комірку є брухтом.

Рейтинги в таблиці даних передбачають певні умови. Samsung 30Q, розрахований на безперервний струм 15 А, передбачає температуру навколишнього середовища 25 градусів і відповідне охолодження. Помістіть цю комірку в ізольований корпус при температурі навколишнього середовища 35 градусів, і 15 А перевищить безпечну температуру.

Оцінки пульсу виглядають привабливо, але постачаються з прикріпленими рядками. Осередок може вимагати 30 А протягом 10 секунд, але це припускає, що осередок почав роботу з 25 градусів і має час охолонути до наступного імпульсу. Назад--імпульси без часу відновлення накопичують тепло так само, як безперервний струм.

Швидкість зарядки часто більш консервативна, ніж швидкість розрядки. Елемент, який витримує розряд 20 А, може витримувати заряд лише 4 А. Причиною є ризик літієвого покриття. Деякі нові елементи з кремнієвими-анодами ще чутливіші до швидкості заряду.

Вік клітини змінює все. Нова ячейка з внутрішнім опором 20 мОм справляється зі струмом 20 А краще, ніж річна ячейка з 30 мОм. Захист упаковки має враховувати--захист від терміну служби, а не лише характеристики нових клітин.

Кожна конструкція упаковки потребує перевірки надструму. Тестове обладнання має значення.

Електронні навантаження мають поглинати струм швидше, ніж реагує захист. ІС захисту із затримкою виявлення 10 мс потребує навантаження, яке досягає цільового струму менш ніж за 1 мс. Повільне підвищення-навантаження дозволяє захисту спрацьовувати раніше та викликає помилкову впевненість.

Для поточного вимірювання потрібна пропускна здатність. Чутливий резистор 10 мОм на 100 А дає сигнал 1 В. Для захоплення фактичного піку потрібна смуга пропускання щонайменше 10 кГц, а краще більше. Зонди осциллографа з належним заземленням дозволяють уникнути проблем із шумом, який дає сміттєві дані.

Температурні випробування вловлюють проблеми конструкції, які пропускають випробування кімнатної температури. Пороги захисту IC змінюються з температурою. FET Rds(on) збільшується при високій температурі, додаючи падіння напруги. Відчуття резистора TCR має значення, коли резистор нагрівається від проходження струму пошкодження. Випробування при -20 градусах, +25 градусах і +55 градусах мінімум.

Тестова матриця стає великою. Надструм заряду, надструм розряду, коротке замикання. Кожен при трьох температурах. Кожен на кількох рівнях SOC, оскільки імпеданс клітини змінюється залежно від стану заряду. Для статистичної впевненості помножте на розмір вибірки. Ретельна перевірка включає сотні тестів.

Overcurrent

UL 2054охоплює портативні акумуляторні блоки для ринків Північної Америки. Тестування короткого замикання застосовує коротке замикання на 10 секунд. Пачка не повинна загорятися або вибухати. Температуру контролюють, але жодних конкретних обмежень не називають. Це мінімальна планка.

IEC 62133-2застосовується на міжнародному рівні. Для тестування зовнішнього короткого замикання використовується загальний опір ланцюга менше 100 мОм, який утримується протягом однієї години або до стабілізації температури. Більш суворий, ніж UL 2054 щодо тривалості.

ООН 38.3регулює судноплавство. Перевірка 5 вимагає короткого замикання менше ніж 0,1 Ом. Елементи або батареї не можна розбирати або займати. Це має значення, оскільки невідповідність UN 38.3 означає, що ваш продукт не можна транспортувати законно.

SAE J2464охоплює застосування електромобілів із більш жорсткими вимогами. Опір короткого замикання падає до 5 мОм, а термічні/механічні критерії є більш конкретними.

Проходження цих тестів не означає, що конструкція захисту хороша. Це означає, що проект захисту є достатнім для сертифікації. Зловживання-в реальному світі може перевищувати умови тестування.

Кабель дроту постійно зростає. Занижений провід додає опору та створює тепло в місцях з’єднань. Сам дріт може витримати струм, але обжаті клеми або паяні з’єднання стають гарячими точками. Пакети, які повертаються через «відмову від батареї», часто показують згорілі клеми проводів, тоді як елементи в порядку.

Ще одним слабким місцем є вибір роз’єму. Імовірно, роз’єми XT60 розраховані на 60 А. Цей рейтинг передбачає ідеальні обтиски та чисті контакти. На практиці знижується на 30-40% для надійності. Anderson Powerpoles мають схожі міркування.

Зварювання язичок на комірках потребує уваги. Хороший зварний шов має низький опір і механічну міцність. Холодне зварювання виглядає чудово, але виходить з ладу під впливом вібрації або термічного циклу. Обпалений зварний шов пошкодив банку та утворив слабке місце. Графіки зварювання потребують перевірки з випробуванням на розрив і вимірюванням опору.

Тепловий контроль пов’язаний із можливістю перевантаження по струму. Пакет з активним охолодженням може витримувати більш високі струми, ніж герметичний пакет без потоку повітря. Деякі конструкції використовують термістори на комірках, щоб ініціювати зниження струму до того, як температура стане критичною.

Надмірний струм вбиває літієві батареї. Іноді швидко, іноді повільно, але завжди шкідливо. Поточні обмеження існують з причин, пов’язаних з фізикою та хімією, а не з довільного консерватизму.

Хороший захист вимагає кількох рівнів, оскільки кожен тип захисту має недоліки. PTC повільні. Запобіжники одноразові-. ІС залежать від точності чуття. BMS збільшує вартість і ускладнює роботу. CID означає, що клітина вже пошкоджена.

Тестування має відображати фактичні умови використання та сценарії зловживання. Пройти сертифікаційні тести необхідно, але недостатньо.

Вибір дизайну упаковки-дрот, з’єднувачі, термічні елементи, поля-визначають, чи захищає захист насправді чи просто добре виглядає на папері.

Клітини, яким я довіряю, надходять від виробників із стабільною якістю та опублікованими даними. Пакети, яким я довіряю, використовують схеми захисту від авторитетних постачальників із належним дизайном додатків. До всього іншого ставляться з обережністю, доки не буде доведено протилежне.