Какво е пренапрежение?
Получих обаждане от интегратор на пакети в Охайо миналия вторник. Те имаха пакет 14S LFP, който се върна от слънчева инсталация с две клетки, отчитащи 3,91 V. LFP. Никога не трябва да виждате нещо над 3,65 V при нормална употреба. Клетките изглеждаха добре отвън, но когато отворихме една, катодното фолио беше станало кафяво по краищата. Класически щети от надценка.
Оказа се, че са използвали зарядно с оловна{0}}киселина. Клиентът го смени, защото оригиналът умря. Оловно{3}}киселинно 48V зарядно издава 58,4V плаващо напрежение. На 14S LFP пакет, който работи до 4,17 V на клетка. Не е проблем за оловната{10}}киселина. Голям проблем за LFP.
Такива неща се случват повече, отколкото хората признават.
Свръхнапрежение означава изтласкване на клетка над нейното максимално номинално напрежение на зареждане. Броят зависи от химията. NMC и NCA достигат максимума при 4,20 V. Някои високо{4}}енергийни NMC варианти са оценени на 4,35 V, но това са специални клетки и трябва да знаете какво правите с тях. LFP химията има таван 3.65V. LTO е около 2.85V. Тези числа идват от листа с данни на доставчика на клетки. Игнорирайте ги и ще имате проблеми.
Вътрешна клетъчна деградация
Това, което се случва вътре в клетката при пренапрежение, не е сложно. Катодният материал иска да се откаже от кислорода, когато изтласкате прекалено много литий от него. Този кислород реагира с електролита. Междувременно литиевият метал започва да се покрива върху повърхността на анода, тъй като графитът не може да абсорбира йони достатъчно бързо. Покритието е лошо по две причини. Това е необратима загуба на капацитет и създава дендрити, които в крайна сметка могат да окъсят клетката вътрешно.
Много хора смятат, че има запас, вграден в спецификацията 4.20V. Няма.
Производителите на клетки определят тази граница в точката, където разграждането става неприемливо. Преминаването на 4,25 V веднъж вероятно е добре. Отиването там на всеки цикъл ще убие клетката за няколкостотин цикъла вместо за няколко хиляди. Ако надхвърлите 4,30 V, може да не получите няколкостотин цикъла. Виждал съм клетки да набъбват при 4,35 V след едно зареждане. Зависи от клетката.
Ролята на BMS
BMS трябва да улови това. Всяка клетка в пакета получава своя собствена сензорна жица. AFE чипът чете всички напрежения на клетката и ги сравнява с праг. Ако някоя клетка премине, зареждането спира. Доста просто.
Освен че BMS може да се провали. Виждал съм BMS платки със студени спойки на съединителите на сензорния проводник. Една клетка спира да отчита и фърмуерът по подразбиране е нула, вместо да маркира грешка. Виждал съм AFE чипове, които се отклоняват от cal поради температурата. BQ76940 на TI като цяло е солиден, но по-старият BQ76925 имаше проблеми с вътрешното изместване на референтните данни. По-евтините китайски AFE чипове могат да бъдат навсякъде.
Балансирането е по-важно, отколкото хората си мислят. Пакет с десет клетки в серия ще има известно разпределение в капацитета. Една клетка се зарежда напълно преди останалите. Ако балансирането е твърде бавно, високата клетка остава на 4,20 V, докато токът продължава да тече в пакета. Напрежението на тази клетка се повишава. С пасивното балансиране сте ограничени от това колко топлина можете да изхвърлите през резисторите за обезвъздушаване. Повечето дизайни работят от 50mA до 100mA балансиращ ток. Ако вашите клетки не съвпадат с повече от няколко процента, това може да не е достатъчно.
Активното балансиране премества заряда от високи клетки към ниски клетки, вместо да го изгаря. По-скъпи. По-сложни. Има смисъл за големи опаковки, където загубата на енергия се натрупва, или за приложения, при които не можете да толерирате разпределение на капацитета.
Дизайнът на зарядното устройство е другата половина на уравнението. Превключващ преобразувател с небрежно регулиране на обратната връзка ще прескочи при слабо натоварване. Измерих зарядни устройства, които издават 42,5 V, когато пакетът черпи по-малко от 100 mA близо до края на зареждането. Този допълнителен половин волт, разпределен в десет клетки, е 50mV всяка. Не е бедствие, но се добавя към другите допустими отклонения.
Температурната компенсация в зарядното устройство също има значение. Литиевите клетки трябва да се зареждат до по-ниско напрежение, когато са горещи. Някои зарядни устройства регулират зададената стойност на CV въз основа на термистор. Повечето евтини не го правят. Пакет, който стои на слънце при 45C и се зарежда до нормалните 4,20 V на клетка, на практика се презарежда.
Два защитни слоя са по-добри от един. BMS наблюдава напрежението на клетката. IC за вторична защита може да наблюдава напрежението на пакета и да прекъсва FET, ако нещо се обърка. За глутницата в Охайо, която започна цялата тази дискусия, нито едното не съществуваше. Имаха тъп BMS, който правеше само балансиране. Без защита. Клиентът предположи, че зарядното ще се справи. Лошо предположение.
Списък за проверка на дизайна
Ако проектирате пакети, контролният списък е доста кратък.
- Използвайте BMS с реално OVP-ниво на клетка.
- Задайте прага с известна граница, може би 4,18 V за NMC.
- Уверете се, че балансирането може да се справи с разпространението на вашите клетки.
- Квалифицирайте зарядното устройство в работния му диапазон, а не само при стайна температура на стенда.
- Добавете път за вторична защита, ако приложението го оправдава.
Пакетът Ohio се преустройва с подходящ BMS и зарядно устройство, спецификирано за LFP. Скъп урок. Можеше да бъде и по-лошо. Няма пострадали и нищо не се е запалило. Тези истории не винаги завършват така.
