Hvad er overstrøm?

Overstrøm betyder, at batteriet bliver bedt om at levere eller acceptere mere strøm, end det er bygget til. Simpelt som det. Cellen varmes op, kemien bliver stresset, og tingene går sidelæns, hvis ingen træder ind.

Jeg ser dette problem konstant i feltafkast. Pakninger kommer tilbage med brændte spor, smeltede faner, celler, der ser fine ud på ydersiden, men som måler døde indvendigt. Ni ud af ti gange trak nogen for meget strøm, eller beskyttelsen svigtede.

Lithiumceller har hårde grænser. En celle vurderet til 10A kontinuerligt vil tolerere 10A hele dagen ved stuetemperatur. Skub den til 15A, og den indre temperatur stiger. Skub den til 30A, og du har måske sekunder, før noget giver.

Varmeudvikling i en lithiumcelle følger I²R. Intern modstand på en typisk 18650 sidder på omkring 15-30mΩ afhængigt af cellen og dens alder. Kør tallene på en 25mΩ celle.

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

Den 40W har ingen steder at tage hen i en ståldåse. Celletemperaturen stiger. Elektrolytten begynder at nedbrydes omkring 80 grader. Over 130 grader kan separatoren svigte. Derefter bliver termisk løbsk en reel mulighed.

Opladning af overstrøm følger samme fysik, men med et ekstra problem. Lithiumbelægning. Skub ladestrømmen for høj, og lithiummetal aflejres på anodeoverfladen i stedet for at interkalere korrekt. Den plettering er permanent kapacitetstab. Det skaber også risiko for dendritdannelse.

Overcurrent

Udvendige shortsske mere, end producenterne kan lide at indrømme. En løs skrue i et kabinet. En beskadiget ledning gnider mod en ramme. Vandindtrængen skaber en ledende bane. Jeg arbejdede på en tilbagekaldelse, hvor pakkestikket havde en designfejl, der lod den positive stift komme i kontakt med kabinettets jord under indsættelse. Tusindvis af pakker gik ud, før nogen fangede den.

Belastningsfejldukker konstant op i elværktøjsapplikationer. Børstede motorer går i stå ved 6-8x kørestrøm. Børsteløs med FOC-kontrol håndterer stall bedre, men stadig spikes hårdt. Batteriet ser den spids, uanset om motorstyringen gør noget ved det eller ej.

Oplader problemertendens til at være subtil. En oplader designet til en 4S-pakke tilsluttet en 3S-pakke. Spændingsgrænserne fungerer muligvis stadig, men den aktuelle profil er forkert. Eller opladerens sensorlinje går i stykker, og opladeren skubber bare fuld strøm, indtil noget falder.

Cellemismatchi seriepakker er lumsk. Fire celler i serie, tre af dem 3000mAh, en af dem faktisk 2700mAh, fordi den sad i et varmt lager i seks måneder. Den svage celle rammer fuld opladning først. De tre andre bliver ved med at presse på. Den svage celle bliver overopladet, genererer gas, opvarmes, og nu har du en lokal overstrømstilstand, der sker inde i en enkelt celle, mens pakkespændingen ser fin ud.

Den umiddelbare konsekvens er varme. Vedvarende overstrøm ved 2x rating vil skubbe de fleste celler forbi 60 grader inden for få minutter. Cellen overlever sandsynligvis, men cykluslivet får et hit.

Gentagne overstrømshændelser skaber kumulativ skade. SEI-laget på anoden bliver tykkere. Den indre modstand kommer snigende. Kapaciteten falmer. En celle, der startede ved 3000mAh og 20mΩ, kan være 2400mAh og 35mΩ efter 200 misbrugscyklusser. Det ville have lavet 800 cyklusser under korrekt brug.

Alvorlig overstrøm-kortslutningsforhold-kan afslutte en celle på få sekunder. Strømmen topper uanset hvad cellens indre modstand begrænser den til. En fuldt opladet høj-dræning 18650 til en hård kortslutning kan se 200-300A øjeblikkelig strøm. Tabsvejsningerne er ofte det første fejlpunkt. Hvis tappene holder, opvarmes gelérullen så hurtigt, at udluftningen følger inden for få sekunder.

Jeg har set celler, der udluftede så hårdt, at den positive hætte blev skudt hen over laboratoriet. Sikkerhedsbriller er ikke valgfrie ved test af kortslutningsreaktion.

Overcurrent

Godt pakkedesign bruger flere beskyttelsesmekanismer. Ingen enkelt enhed håndterer hver fejltilstand.

PTC'ersidde inde i de fleste cylindriske celler fra anerkendte producenter. De tripper baseret på temperatur, ikke strøm direkte. En PTC kan være klassificeret til at holde 7A og udløse ved 15A, men udløsningsmekanismen er termisk. Svartiden er langsom-hundrede af millisekunder til sekunder. PTC'er vil ikke redde dig fra en hård kortslutning. De håndterer moderat overstrøm og giver pakken tid til at køle af.

Sikringerblæs en gang og bliv blæst. Pakke-sikringer er dimensioneret over normal driftsstrøm med margen for indkobling og transienter. En 10A kontinuerlig pakke kan bruge en 15A hurtig-sikring. Sikringen fjerner en hård kortslutning hurtigere end en PTC, typisk under 100ms ved høje fejlstrømme. Men det dræber også flokken permanent. Garantikrav følger.

Beskyttelse IC'erovervåge strøm gennem en sensormodstand. Fælles dele fra Seiko, TI og andre giver overstrømstærskler, der kan programmeres gennem eksterne modstande eller hardkodes internt. Detektionsforsinkelser løber typisk 8-24ms. Kortslutningsdetektion er hurtigere, ofte under 500µs. IC'en driver eksterne FET'er for at frakoble pakken.

Sansemodstandsværdien har betydning. En 5mΩ sensormodstand giver bedre opløsning, men falder mere spænding og spreder mere strøm ved høje strømme. En 2mΩ modstand spilder mindre strøm, men har brug for en mere følsom frontend. De fleste forbrugerpakker bruger 3-10mΩ afhængigt af den aktuelle klasse.

BMSi større pakker tilføjer intelligens. Aktiv strømbegrænsning i stedet for blot tur/ingen-tur. Temperatur-kompenserede tærskler. Logning af hændelser til diagnostik. Et godt BMS reducerer overstrømsgrænser, når celletemperaturen stiger, og holder cellerne i deres sikre driftsvindue selv under dynamiske belastninger.

CID'erindvendige celler giver sidste-mekanisk beskyttelse. Current Interrupt Device aktiveres ved intern trykopbygning. På det tidspunkt, hvor en CID udbryder, har cellen allerede oplevet betydelig stress. CID-aktivering betyder normalt, at cellen er skrot.

Databladvurderinger forudsætter specifikke forhold. En Samsung 30Q, der er klassificeret til 15A kontinuerligt, forudsætter 25 graders omgivende atmosfære og tilstrækkelig køling. Sæt den celle ind i et isoleret kabinet ved 35 graders omgivelsestemperatur og 15A vil skubbe den forbi sikre temperaturer.

Pulsvurderinger ser attraktive ud, men kommer med strenge knyttet. En celle kan hævde 30A i 10 sekunder, men det forudsætter, at cellen startede ved 25 grader og har tid til at køle af før den næste puls. Tilbage-til-impulser uden restitutionstid akkumulerer varme ligesom kontinuerlig strøm.

Opladningshastigheder er ofte mere konservative end afladningshastigheder. En celle, der håndterer 20A afladning, tåler muligvis kun 4A opladning. Risikoen for lithiumplettering er årsagen. Nogle nyere celler med silicium-doterede anoder er endnu mere følsomme over for opladningshastigheden.

Cellealderen ændrer alt. En ny celle med 20mΩ intern modstand håndterer 20A bedre end en år-gammel celle ved 30mΩ. Pakkebeskyttelse bør tage højde for-afslutnings-modstand, ikke kun nye cellespecifikationer.

Hvert pakkedesign har brug for overstrømsvalidering. Testudstyret har betydning.

Elektroniske belastninger skal synke strømmen hurtigere, end beskyttelsen reagerer. En beskyttelses-IC med 10ms detektionsforsinkelse har brug for en belastning, der når målstrømmen på under 1ms. Langsom belastningsrampe-op lader beskyttelsen udløse tidligt og giver falsk selvtillid.

Nuværende måling kræver båndbredde. En 10mΩ sensormodstand ved 100A giver 1V signal. At fange den faktiske peak kræver mindst 10 kHz båndbredde, helst mere. Scope-sonder med korrekt jordforbindelse undgår de støjproblemer, der giver affaldsdata.

Temperaturtest fanger designproblemer, som testning af rumtemperatur overser. Beskyttelse IC-tærskler afviger med temperaturen. FET Rds(on) stiger ved høj temperatur, hvilket tilføjer spændingsfald. Sense modstand TCR betyder noget, når modstanden opvarmes fra passerende fejlstrøm. Test ved -20 grader , +25 grader og +55 grader minimum.

Testmatrixen bliver stor. Opladning overstrøm, afladning overstrøm, kortslutning. Hver ved tre temperaturer. Hver på flere SOC-niveauer, fordi celleimpedans varierer med ladetilstand. Multiplicer med stikprøvestørrelse for statistisk sikkerhed. En grundig validering kører hundredvis af tests.

Overcurrent

UL 2054dækker bærbare batteripakker til nordamerikanske markeder. Kortslutningstest anvender en død kortslutning i 10 sekunder. Pakken må ikke gå i brand eller eksplodere. Temperaturen overvåges, men der er ingen specifik grænse. Dette er en minimumsbar.

IEC 62133-2gælder internationalt. Ekstern kortslutningstest bruger mindre end 100 mΩ total kredsløbsmodstand holdt i en time, eller indtil temperaturen stabiliserer sig. Strengere end UL 2054 med hensyn til varighed.

FN 38.3regulerer skibsfarten. Test 5 kræver en kortslutning på mindre end 0,1Ω. Celler eller batterier må ikke skilles ad eller antændes. Dette betyder noget, fordi manglende UN 38.3 betyder, at dit produkt ikke kan transporteres lovligt.

SAE J2464dækker EV-applikationer med skærpede krav. Kortslutningsmodstanden falder til 5mΩ, og termiske/mekaniske kriterier er mere specifikke.

At bestå disse test betyder ikke, at beskyttelsesdesignet er godt. Det betyder, at beskyttelsesdesignet er tilstrækkeligt til certificering. Misbrug i den virkelige-verden kan overstige testbetingelserne.

Trådmåleren kommer konstant op. Underdimensioneret ledning tilføjer modstand og skaber varme ved forbindelser. Selve ledningen kan håndtere strømmen, men krympede terminaler eller loddeforbindelser bliver hot spots. Pakker, der returneres for "batterifejl", viser ofte brændte ledningsterminaler, mens cellerne er i orden.

Valg af stik er et andet svagt punkt. XT60-stik er angiveligt normeret til 60A kontinuerligt. Denne vurdering forudsætter perfekte krympninger og rene kontakter. I praksis dereret med 30-40% for pålidelighed. Anderson Powerpoles har lignende overvejelser.

Tabsvejsning på celler kræver opmærksomhed. En god svejsning har lav modstand og mekanisk styrke. En kold svejsning ser fin ud, men fejler under vibrationer eller termisk cykling. En brændt svejsning beskadigede dåsen og skaber et svagt punkt. Svejseskemaer skal valideres med pull-test og modstandsmåling.

Termisk styring hænger sammen med overstrømskapacitet. En pakke med aktiv køling kan tåle højere strømme end en forseglet pakke uden luftstrøm. Nogle designs bruger termistorer på celler til at udløse strømreduktion, før temperaturerne bliver kritiske.

Overstrøm dræber lithiumbatterier. Nogle gange hurtigt, nogle gange langsomt, men altid skadeligt. Nuværende grænser eksisterer af årsager knyttet til fysik og kemi, ikke vilkårlig konservatisme.

God beskyttelse kræver flere lag, fordi hver beskyttelsestype har svagheder. PTC'er er langsomme. Sikringer er et-skud. IC'er afhænger af fornemmelsesnøjagtighed. BMS tilføjer omkostninger og kompleksitet. CID'er betyder, at cellen allerede er beskadiget.

Test skal afspejle faktiske brugsforhold og misbrugsscenarier. Det er nødvendigt at bestå certificeringsprøver, men ikke tilstrækkeligt.

Valg af pakkedesign-ledning, stik, termik, marginer-afgør, om beskyttelsen faktisk beskytter eller bare ser godt ud på papiret.

De celler, jeg stoler på, kommer fra producenter med ensartet kvalitet og offentliggjorte data. De pakker, jeg stoler på, bruger beskyttelseskredsløb fra velrenommerede leverandører med korrekt applikationsdesign. Alt andet bliver behandlet med forsigtighed, indtil det modsatte er bevist.