Hva er overspenning?
Fikk en telefon fra en pakkeintegrator i Ohio forrige tirsdag. De hadde en 14S LFP-pakke som kom tilbake fra en solcelleinstallasjon med to celler som leste 3,91V. LFP. Skal aldri se noe over 3,65V ved normal bruk. Cellene så fine ut fra utsiden, men da vi åpnet den ene hadde katodefolien blitt brun i kantene. Klassisk overladingsskade.
Det viste seg at de brukte en bly-syrelader. Kunden byttet den inn fordi originalen døde. Bly-syre 48V lader gir ut 58,4V flottør. På en 14S LFP-pakke som fungerer til 4,17V per celle. Ikke et problem for bly{10}}. Stort problem for LFP.
Denne typen ting skjer mer enn folk innrømmer.
Overspenning betyr å skyve en celle forbi dens maksimale nominelle ladespenning. Antallet avhenger av kjemi. NMC og NCA topper med 4,20V. Noen NMC-varianter med høy-energi er vurdert til 4,35V, men de er spesialceller og du må vite hva du gjør med dem. LFP-kjemi har et 3,65V tak. LTO er rundt 2,85V. Disse tallene kommer fra celleleverandørens dataark. Ignorer dem og du vil få problemer.
Intern celledegradering
Det som skjer inne i cellen ved overspenning er ikke komplisert. Katodematerialet ønsker å gi fra seg oksygen når du tvinger for mye litium ut av det. At oksygen reagerer med elektrolytten. I mellomtiden begynner litiummetall å plettere ut på anodeoverflaten fordi grafitten ikke kan absorbere ioner raskt nok. Platingen er dårlig av to grunner. Det er irreversibelt kapasitetstap og det skaper dendritter som til slutt kan kortslutte cellen internt.
Mange tror det er innebygd margin i 4,20V-spesifikasjonen. Det er det ikke.
Celleprodusenter setter den grensen på det punktet hvor nedbrytning blir uakseptabel. Å gå til 4,25V en gang er sannsynligvis greit. Å gå dit hver syklus vil drepe cellen på noen få hundre sykluser i stedet for noen få tusen. Går du over 4,30V, får du kanskje ikke noen hundre sykluser. Jeg har sett celler svulme opp ved 4,35V etter en enkelt lading. Avhenger av cellen.
Rollen til BMS
BMS skal fange opp dette. Hver celle i flokken får sin egen sanseledning. AFE-brikken leser alle cellespenningene og sammenligner mot en terskel. Hvis en celle går over, stopper ladingen. Ganske enkelt.
Bortsett fra at BMS kan mislykkes. Jeg har sett BMS-kort med kalde loddeskjøter på sense wire-kontaktene. Én celle slutter å rapportere og fastvaren er som standard null i stedet for å flagge en feil. Jeg har sett AFE-brikker som driver ut av cal over temperatur. TIs BQ76940 er generelt solid, men den eldre BQ76925 hadde problemer med intern referanseskifting. Billigere kinesiske AFE-brikker kan være over alt.
Balansering er viktigere enn folk tror. En pakke med ti celler i serie vil ha en viss spredning i kapasitet. En celle treffer full ladning før de andre. Hvis balanseringen er for sakte, sitter den høye cellen på 4,20V mens strømmen fortsetter å strømme inn i pakken. Spenningen på den cellen kryper opp. Med passiv balansering er du begrenset av hvor mye varme du kan dumpe gjennom luftmotstandene. De fleste design kjører 50mA til 100mA balansestrøm. Hvis cellene dine ikke samsvarer med mer enn noen få prosent, er det kanskje ikke nok.
Aktiv balansering flytter ladning fra høye celler til lave celler i stedet for å brenne den av. Dyrere. Mer kompleks. Gir mening for store pakker der bortkastet energi øker eller for applikasjoner der du ikke kan tolerere kapasitetsspredning.
Laderdesign er den andre halvdelen av ligningen. En koblingsomformer med slurvete tilbakemeldingsregulering vil overskride ved lett belastning. Jeg har målt ladere som gir ut 42,5V når pakken trekker mindre enn 100mA nær slutten av ladingen. Den ekstra halvvolten fordelt på ti celler er 50mV hver. Ikke en katastrofe, men det går sammen med de andre toleransene.
Temperaturkompensasjon i laderen har også betydning. Litiumceller bør lades til en lavere spenning når de er varme. Noen ladere justerer CV settpunktet basert på en termistor. De fleste billige gjør det ikke. En pakke som sitter i solen ved 45C og lades opp til de normale 4,20V per celle, blir faktisk overladet.
To beskyttelseslag er bedre enn ett. BMS overvåker cellespenninger. En sekundær beskyttelses-IC kan se på pakkespenningen og kutte en FET hvis noe går galt. For Ohio-pakken som startet hele denne diskusjonen, eksisterte ingen av dem. De hadde en dum BMS som bare gjorde balansering. Ingen beskyttelse. Kunden antok at laderen ville håndtere det. Dårlig antagelse.
Designsjekkliste
Hvis du designer pakker, er sjekklisten ganske kort.
- Bruk en BMS med ekte celle-nivå OVP.
- Sett terskelen med litt margin, kanskje 4,18V for NMC.
- Sørg for at balansering kan holde tritt med cellespredningen din.
- Kvalifiser laderen på tvers av driftskonvolutten, ikke bare ved romtemperatur på benken.
- Legg til en sekundær beskyttelsesbane hvis applikasjonen rettferdiggjør det.
Ohio-pakken blir gjenoppbygd med en skikkelig BMS og spesifisert lader for LFP. Dyr leksjon. Kunne vært verre. Ingen ble skadet og ingenting tok fyr. Det er ikke alltid slik disse historiene ender.
