Що таке перенапруга?
Минулого вівторка мені зателефонував інтегратор пакетів із Огайо. У них був пакет LFP 14S, який повернувся з сонячної установки з двома елементами, що показували 3,91 В. LFP. За нормального використання ніколи не повинно спостерігатися нічого вище 3,65 В. Ззовні комірки виглядали чудово, але коли ми відкрили одну, катодна фольга стала коричневою по краях. Класична шкода від перезарядки.
Виявилося, що вони використовували свинцево-{0}}кислотний зарядний пристрій. Клієнт замінив його, оскільки оригінал помер. Свинцево-кислотний зарядний пристрій 48 В видає плаваючу напругу 58,4 В. На пакеті 14S LFP, який працює до 4,17 В на комірку. Це не проблема для свинцевої{10}}кислоти. Велика проблема для LFP.
Таке трапляється частіше, ніж люди визнають.
Перевищення напруги означає перевищення максимальної номінальної напруги заряду елемента. Кількість залежить від хімії. Максимальна напруга NMC і NCA становить 4,20 В. Деякі високоенергетичні-варіанти NMC розраховані на 4,35 В, але це спеціальні елементи, і вам потрібно знати, що ви з ними робите. Хімія LFP має стелю 3,65 В. LTO становить близько 2,85 В. Ці цифри взяті з таблиці даних постачальника клітин. Ігноруйте їх, і у вас будуть проблеми.
Внутрішня деградація клітин
Те, що відбувається всередині клітини при перенапрузі, не є складним. Матеріал катода хоче відмовитися від кисню, коли ви витісняєте з нього занадто багато літію. Цей кисень реагує з електролітом. Тим часом металевий літій починає покриватися поверхнею анода, оскільки графіт не може поглинати іони досить швидко. Покриття погане з двох причин. Це незворотна втрата ємності, і вона створює дендрити, які згодом можуть закоротити клітину всередині.
Багато людей думають, що специфікація 4,20 В має запас. Не існує.
Виробники клітин встановлюють цю межу в точці, де деградація стає неприйнятною. Перехід до 4,25 В один раз, мабуть, добре. Перехід туди кожного циклу вб’є клітину за кілька сотень циклів замість кількох тисяч. Перевищуючи 4,30 В, ви можете не отримати кілька сотень циклів. Я бачив, як клітини розбухають при 4,35 В після одного заряду. Залежить від клітини.
Роль BMS
BMS має вловити це. Кожна клітина в зграї отримує свій власний сенсорний дріт. Мікросхема AFE зчитує всі напруги комірки та порівнює їх із порогом. Якщо будь-який елемент перевищить, зарядка припиняється. Досить просто.
За винятком BMS може вийти з ладу. Я бачив плати BMS із з’єднаннями холодного паяння на з’єднувачах проводів. Одна комірка припиняє звітувати, а вбудоване програмне забезпечення за замовчуванням встановлюється на нуль замість позначення помилки. Я бачив мікросхеми AFE, які виходять за межі калорії через температуру. BQ76940 від TI загалом надійний, але у старішого BQ76925 були проблеми з внутрішнім зсувом еталонного сигналу. Дешевші китайські мікросхеми AFE можуть бути скрізь.
Балансування важливіше, ніж люди думають. Пакет із десятьма осередками в серії матиме певну ємність. Один елемент повністю заряджається раніше інших. Якщо балансування надто повільне, високий елемент сидить на рівні 4,20 В, а струм продовжує надходити в блок. Напруга на цій комірці повзе вгору. З пасивним балансуванням ви обмежені тим, скільки тепла ви можете скинути через резистори випуску. Більшість конструкцій мають балансовий струм від 50 мА до 100 мА. Якщо клітинки не збігаються більш ніж на кілька відсотків, цього може бути недостатньо.
Активне балансування переміщує заряд від високих елементів до низьких, а не спалює його. Дорожче. Більш складний. Це має сенс для великих пакетів, де витрачається енергія, або для застосувань, де ви не можете терпіти будь-якого розкиду потужності.
Конструкція зарядного пристрою — друга половина рівняння. Імпульсний перетворювач з неакуратним регулюванням зворотного зв'язку буде перерегулювати при невеликому навантаженні. Я вимірював зарядні пристрої, які видають 42,5 В, коли пакет споживає менше 100 мА наприкінці заряду. Ця додаткова половина вольта, розподілена на десять комірок, становить 50 мВ кожна. Не катастрофа, але це додається до інших допусків.
Температурна компенсація в зарядному пристрої також має значення. У гарячому стані літієві елементи повинні заряджатися до нижчої напруги. Деякі зарядні пристрої регулюють задане значення CV на основі термістора. Більшість дешевих – ні. Пакет, який стоїть на сонці при 45C і заряджається до нормальних 4,20 В на комірку, фактично перезаряджається.
Два шари захисту краще одного. BMS стежить за напругою клітинки. IC вторинного захисту може стежити за напругою пакета та відключати польовий транзистор, якщо щось піде не так. Для зграї Огайо, яка розпочала всю цю дискусію, не існувало жодного. У них була тупа BMS, яка тільки балансувала. Без захисту. Клієнт припускав, що зарядний пристрій впорається з цим. Погане припущення.
Контрольний список дизайну
Якщо ви розробляєте пакети, контрольний список досить короткий.
- Використовуйте BMS із OVP-на реальному рівні клітини.
- Встановіть поріг із деяким запасом, можливо, 4,18 В для NMC.
- Переконайтеся, що балансування може йти в ногу з розповсюдженістю вашої клітини.
- Атестуйте зарядний пристрій у всьому робочому діапазоні, а не лише при кімнатній температурі на столі.
- Додайте вторинний шлях захисту, якщо програма це виправдовує.
Пакет Ohio перебудовується з належним BMS і зарядним пристроєм, специфікованим для LFP. Дорогий урок. Могло бути й гірше. Ніхто не постраждав і нічого не загорілося. Ці історії не завжди закінчуються так.
