Hvad er overspænding?
Fik et opkald fra en pakkeintegrator i Ohio sidste tirsdag. De havde en 14S LFP-pakke, der kom tilbage fra en solcelleinstallation med to celler, der læste 3,91V. LFP. Bør aldrig se noget over 3,65V ved normal brug. Cellerne så fine ud udefra, men da vi slog en op, var katodefolien blevet brun i kanterne. Klassisk overladningsskade.
Det viste sig, at de brugte en bly-syreoplader. Kunden byttede den ind, fordi originalen døde. Bly-syre 48V oplader udsender 58,4V flyder. På en 14S LFP-pakke, der fungerer til 4,17V pr. celle. Ikke et problem for bly{10}}syre. Stort problem for LFP.
Den slags sker mere end folk indrømmer.
Overspænding betyder at skubbe en celle forbi dens maksimale nominelle ladespænding. Antallet afhænger af kemi. NMC og NCA topper ved 4,20V. Nogle NMC-varianter med høj-energi er klassificeret til 4,35V, men det er specialceller, og du skal vide, hvad du laver med dem. LFP kemi har et 3,65V loft. LTO er omkring 2,85V. Disse tal kommer fra celleleverandørens dataark. Ignorer dem, og du vil få problemer.
Intern celle nedbrydning
Hvad der sker inde i cellen ved overspænding er ikke kompliceret. Katodematerialet vil gerne afgive ilt, når du tvinger for meget lithium ud af det. At oxygen reagerer med elektrolytten. I mellemtiden begynder lithiummetal at plettere ud på anodeoverfladen, fordi grafitten ikke kan absorbere ioner hurtigt nok. Belægningen er dårlig af to grunde. Det er irreversibelt kapacitetstab, og det skaber dendritter, der i sidste ende kan kortslutte cellen internt.
Mange mennesker tror, at der er indbygget margin i 4,20V-specifikationen. Det er der ikke.
Celleproducenter sætter denne grænse på det punkt, hvor nedbrydning bliver uacceptabel. At gå til 4,25V én gang er nok fint. At gå dertil hver cyklus vil dræbe cellen i et par hundrede cyklusser i stedet for et par tusinde. Går du over 4,30V, får du måske ikke et par hundrede cyklusser. Jeg har set celler svulme op ved 4,35V efter en enkelt opladning. Afhænger af cellen.
BMS'ens rolle
BMS formodes at fange dette. Hver celle i pakken får sin egen sanseledning. AFE-chippen læser alle cellespændinger og sammenligner med en tærskel. Hvis en celle går over, stopper opladningen. Ret simpelt.
Bortset fra at BMS kan fejle. Jeg har set BMS-plader med kolde loddesamlinger på sense wire-stikkene. En celle stopper med at rapportere, og firmwaren indstiller som standard til nul i stedet for at markere en fejl. Jeg har set AFE-chips, der driver ud af cal over temperatur. TI's BQ76940 er generelt solid, men den ældre BQ76925 havde problemer med det interne referenceskift. Billigere kinesiske AFE-chips kan findes overalt.
Afbalancering betyder mere, end folk tror. En pakke med ti celler i serie vil have en vis spredning i kapacitet. En celle rammer fuld opladning før de andre. Hvis balanceringen er for langsom, sidder den høje celle på 4,20V, mens strømmen bliver ved med at strømme ind i pakken. Spændingen på den celle kryber op. Med passiv balancering er du begrænset af, hvor meget varme du kan dumpe gennem udluftningsmodstandene. De fleste designs kører 50mA til 100mA balancestrøm. Hvis dine celler ikke matcher mere end et par procent, er det måske ikke nok.
Aktiv balancering flytter ladningen fra høje celler til lave celler i stedet for at brænde den af. dyrere. Mere kompleks. Giver mening til store pakninger, hvor den spildte energi stiger, eller til applikationer, hvor du ikke kan tolerere kapacitetsspredning.
Laderdesign er den anden halvdel af ligningen. En switching-konverter med sjusket feedback-regulering vil overskride ved let belastning. Jeg har målt opladere, der udsender 42,5V, når pakken trækker mindre end 100mA nær slutningen af opladningen. Den ekstra halv volt fordelt på ti celler er 50mV hver. Ikke en katastrofe, men det hænger sammen med de andre tolerancer.
Temperaturkompensation i opladeren har også betydning. Lithiumceller bør oplades til en lavere spænding, når de er varme. Nogle opladere justerer CV-setpunktet baseret på en termistor. De fleste billige gør ikke. En pakke, der sidder i solen ved 45C og bliver opladet til de normale 4,20V pr. celle, bliver faktisk overopladet.
To beskyttelseslag er bedre end ét. BMS overvåger cellespændinger. En sekundær beskyttelses-IC kan se pakkespændingen og skære en FET, hvis noget går galt. For Ohio-pakken, der startede hele denne diskussion, eksisterede ingen af dem. De havde en dum BMS, der kun lavede balancering. Ingen beskyttelse. Kunden antog, at opladeren ville klare det. Dårlig antagelse.
Designcheckliste
Hvis du designer pakker, er tjeklisten ret kort.
- Brug en BMS med OVP på ægte celle-niveau.
- Indstil tærsklen med en vis margin, måske 4,18V for NMC.
- Sørg for, at balancering kan holde trit med din cellespredning.
- Kvalificer opladeren på tværs af dens driftskonvolut, ikke kun ved stuetemperatur på bænken.
- Tilføj en sekundær beskyttelsessti, hvis applikationen berettiger det.
Ohio-pakken er ved at blive genopbygget med en ordentlig BMS og en oplader spec'd til LFP. Dyr lektion. Kunne have været værre. Ingen kom til skade, og intet brød i brand. Sådan ender disse historier ikke altid.
