Что такое сверхток?

Сверхток означает, что аккумулятору требуется подавать или принимать больший ток, чем он рассчитан. Вот так просто. Клетка нагревается, химические процессы подвергаются стрессу, и все идет наперекосяк, если никто не вмешается.

Я постоянно вижу эту проблему при возврате с полей. Упаковки возвращаются с обгоревшими следами, оплавленными язычками, ячейками, которые снаружи выглядят нормально, но внутри мертвы. В девяти случаях из десяти кто-то протянул слишком большой ток или сработала защита.

Литиевые элементы имеют жесткие ограничения. Элемент, рассчитанный на непрерывный ток 10 А, выдержит ток 10 А в течение всего дня при комнатной температуре. Поднимите его до 15 А, и внутренняя температура повысится. Поднимите его до 30 А, и у вас будут секунды, прежде чем что-то даст.

Выделение тепла в литиевом элементе соответствует I²R. Внутреннее сопротивление типичного 18650 составляет около 15–30 мОм в зависимости от элемента и его возраста. Проведите расчеты на ячейке сопротивлением 25 мОм.

При 10 А: 10² × 0.025=2.5 Вт При 20 А: 20² × 0.025=10 Вт При 40 А: 40² × 0.025=40 Вт

Этим 40 Вт некуда деваться в стальной банке. Температура ячейки резко возрастает. Электролит начинает разрушаться при температуре около 80 градусов. При температуре выше 130 градусов сепаратор может выйти из строя. После этого тепловой разгон становится реальной возможностью.

Зарядный сверхток следует той же физике, но с дополнительной проблемой. Литиевое покрытие. Поднимите зарядный ток слишком сильно, и металлический литий отложится на поверхности анода вместо того, чтобы правильно интеркалировать. Это покрытие приводит к постоянной потере емкости. Это также создает риск образования дендритов.

Overcurrent

Внешние шортыслучаются чаще, чем производители любят признавать. Ослабленный винт в корпусе. Поврежденный провод трется о раму. Попадание воды создает проводящий путь. Я работал над отзывом, в котором разъем блока имел конструктивный недостаток, из-за которого положительный контакт контактировал с заземлением корпуса во время вставки. Тысячи упаковок вылетели, прежде чем кто-нибудь их поймал.

Неисправности нагрузкипостоянно появляются в приложениях электроинструментов. Коллекторные двигатели глохнут при 6-8-кратном рабочем токе. Бесщеточный с контролем FOC лучше справляется с остановкой, но все же дает сильные шипы. Аккумулятор видит этот всплеск независимо от того, делает ли контроллер двигателя что-нибудь с этим или нет.

Проблемы с зарядным устройствомимеют тенденцию быть тонкими. Зарядное устройство, предназначенное для аккумулятора 4S, подключенного к аккумулятору 3S. Ограничения по напряжению могут еще работать, но текущий профиль неправильный. Или линия измерения зарядного устройства разрывается, и зарядное устройство просто подает полный ток, пока что-то не отключится.

Несоответствие ячеекв серийных пачках коварен. Четыре элемента последовательно, три из них по 3000 мАч, один из них на самом деле 2700 мАч, потому что он полгода простоял на жарком складе. Этот слабый элемент первым достигает полного заряда. Остальные трое продолжают давить. Этот слабый элемент перезаряжается, выделяет газ, нагревается, и теперь внутри одного элемента возникает локальное состояние перегрузки по току, в то время как напряжение батареи выглядит нормально.

Непосредственным последствием является жара. Устойчивая перегрузка по току с номинальным значением 2x за несколько минут приведет к тому, что температура большинства элементов превысит 60 градусов. Клетка, вероятно, выживет, но цикл жизни пострадает.

Повторяющиеся события сверхтока создают кумулятивный ущерб. Слой SEI на аноде утолщается. Внутреннее сопротивление нарастает. Емкость угасает. Ячейка, емкость которой изначально составляла 3000 мАч и 20 мОм, после 200 циклов неправильного использования может иметь емкость 2400 мАч и 35 мОм. При правильном использовании он сделал бы 800 циклов.

Сильная перегрузка по току-короткое замыкание-может вывести из строя элемент за считанные секунды. Ток достигает максимума там, где его ограничивает внутреннее сопротивление элемента. Полностью заряженный аккумулятор 18650 с высоким-стоком при сильном коротком замыкании может выдерживать мгновенный ток 200–300 А. Сварные швы часто являются первой точкой разрушения. Если выступы держатся, рулет с желе нагревается так быстро, что удаление воздуха происходит в течение нескольких секунд.

Я видел клетки, которые так сильно выдохнули, что по всей лаборатории разлетелся положительный колпачок. Защитные очки не являются обязательными при проверке реакции на короткое замыкание.

Overcurrent

Хороший дизайн упаковки использует несколько механизмов защиты. Ни одно устройство не может справиться с каждым режимом отказа.

ПТКсидят внутри большинства цилиндрических ячеек от известных производителей. Они срабатывают в зависимости от температуры, а не от тока напрямую. PTC может быть рассчитан на выдерживание тока 7 А и срабатывание при токе 15 А, но механизм отключения является тепловым. Время отклика составляет-от сотен миллисекунд до секунд. PTC не спасут вас от жесткой короткой позиции. Они выдерживают умеренную перегрузку по току и дают аккумулятору время остыть.

Предохранителидуй один раз и оставайся взорванным. Предохранители уровня упаковки- имеют номинал выше нормального рабочего тока с запасом на пусковые и переходные процессы. В аккумуляторе непрерывного действия на 10 А может использоваться быстродействующий-предохранитель на 15 А. Предохранитель устраняет короткое замыкание быстрее, чем PTC, обычно менее 100 мс при высоких токах повреждения. Но это также убивает стаю навсегда. Далее следуют гарантийные претензии.

Защитные микросхемыконтролировать ток через чувствительный резистор. Общие детали от Seiko, TI и других производителей обеспечивают пороговые значения перегрузки по току, программируемые через внешние резисторы или жестко запрограммированные внутри. Задержки обнаружения обычно составляют 8–24 мс. Обнаружение короткого замыкания происходит быстрее, часто менее 500 мкс. Микросхема управляет внешними полевыми транзисторами для отключения блока.

Значение сенсорного резистора имеет значение. Сенсорный резистор сопротивлением 5 мОм обеспечивает лучшее разрешение, но снижает большее напряжение и рассеивает большую мощность при больших токах. Резистор сопротивлением 2 мОм тратит меньше энергии, но требует более чувствительного входного каскада. В большинстве потребительских упаковок используется сопротивление 3–10 мОм в зависимости от класса тока.

БМСв больших стаях добавляет интеллекта. Активное ограничение тока, а не просто отключение/отключение-отключение. Пороги с температурной-компенсацией. Протоколирование событий для диагностики. Хорошая BMS снижает пределы перегрузки по току при повышении температуры элемента, сохраняя элементы в безопасном рабочем окне даже при динамических нагрузках.

CIDвнутренние ячейки обеспечивают последнюю-механическую защиту. Устройство прерывания тока активируется при повышении внутреннего давления. К моменту срабатывания CID клетка уже испытала значительный стресс. Активация CID обычно означает, что ячейка утилизирована.

Номиналы в технических характеристиках предполагают особые условия. Samsung 30Q, рассчитанный на непрерывный ток 15 А, предполагает температуру окружающей среды 25 градусов и достаточное охлаждение. Поместите этот элемент в изолированный корпус при температуре окружающей среды 35 градусов, и ток 15 А превысит безопасную температуру.

Оценка пульса выглядит привлекательно, но имеет определенные условия. Ячейка может требовать ток 30 А в течение 10 секунд, но это предполагает, что ячейка запускается при температуре 25 градусов и имеет время остыть перед следующим импульсом. Обратные--импульсы без времени восстановления накапливают тепло так же, как непрерывный ток.

Скорость зарядки часто более консервативна, чем скорость разряда. Элемент, выдерживающий разряд 20 А, может выдерживать заряд только 4 А. Причиной является риск литиевого покрытия. Некоторые новые элементы с анодами, легированными кремнием-, еще более чувствительны к скорости заряда.

Клеточный возраст меняет все. Новый элемент с внутренним сопротивлением 20 мОм выдерживает ток 20 А лучше, чем элемент годичной-старости с сопротивлением 30 мОм. Защита упаковки должна учитывать устойчивость к концу--срока службы, а не только новые характеристики ячеек.

Каждая конструкция упаковки нуждается в проверке сверхтоков. Испытательное оборудование имеет значение.

Электронные нагрузки должны потреблять ток быстрее, чем срабатывает защита. Защитная микросхема с задержкой обнаружения 10 мс требует нагрузки, которая достигает целевого тока менее чем за 1 мс. Медленное нарастание нагрузки-позволяет сработать раньше времени и дает ложную уверенность.

Для измерения тока необходима полоса пропускания. Чувствительный резистор сопротивлением 10 МОм при токе 100 А дает сигнал 1 В. Для захвата фактического пика требуется полоса пропускания не менее 10 кГц, а лучше больше. Зонды осциллографа с надлежащим заземлением позволяют избежать проблем с шумом, которые выдают ненужные данные.

Температурное тестирование выявляет конструктивные проблемы, которые не упускаются при тестировании при комнатной температуре. Пороговые значения защитной микросхемы дрейфуют в зависимости от температуры. Rds(on) полевого транзистора увеличивается при высокой температуре, увеличивая падение напряжения. TCR чувствительного резистора имеет значение, когда резистор нагревается из-за прохождения тока повреждения. Тестируйте при температуре -20 градусов, +25 градусов и +55 градусов минимум.

Тестовая матрица становится большой. Перегрузка по току заряда, перегрузка по току разряда, короткое замыкание. Каждый при трех температурах. Каждый на нескольких уровнях SOC, поскольку импеданс ячейки меняется в зависимости от состояния заряда. Умножьте на размер выборки для статистической достоверности. Тщательная проверка включает сотни тестов.

Overcurrent

УЛ 2054охватывает портативные аккумуляторные блоки для рынков Северной Америки. При тестировании на короткое замыкание происходит короткое замыкание в течение 10 секунд. Упаковка не должна загореться или взорваться. Температура контролируется, но конкретный предел не указывается. Это минимальная планка.

МЭК 62133-2применяется на международном уровне. При тестировании внешнего короткого замыкания используется общее сопротивление цепи менее 100 мОм, которое выдерживается в течение одного часа или до стабилизации температуры. Более строгий, чем UL 2054, по продолжительности.

ООН 38.3регулирует судоходство. Тест 5 требует короткого замыкания менее чем на 0,1 Ом. Элементы или батареи не должны разбираться или возгораться. Это важно, поскольку несоответствие UN 38.3 означает, что ваш продукт нельзя перевозить на законных основаниях.

САЭ Дж2464охватывает приложения электромобилей с более жесткими требованиями. Сопротивление короткого замыкания снижается до 5 мОм, а термические/механические критерии становятся более конкретными.

Прохождение этих тестов не означает, что конструкция защиты хороша. Это означает, что конструкция защиты соответствует требованиям сертификации. Злоупотребления в реальном-мире могут выходить за рамки условий тестирования.

Калибр провода постоянно поднимается. Провод меньшего размера увеличивает сопротивление и нагревает места соединений. Сам провод может выдерживать ток, но обжатые клеммы или паяные соединения становятся горячими точками. На упаковках, возвращенных из-за «неисправности аккумулятора», часто обнаруживаются сгоревшие клеммы проводов, хотя элементы в порядке.

Выбор разъема – еще одно слабое место. Предполагается, что разъемы XT60 рассчитаны на непрерывный ток 60 А. Этот рейтинг предполагает идеальные обжимы и чистые контакты. На практике дефорсируют на 30-40% для надежности. Андерсон Пауэрполс придерживается аналогичных соображений.

Сварка язычков на элементах требует внимания. Хороший сварной шов имеет низкое сопротивление и механическую прочность. Холодная сварка выглядит нормально, но выходит из строя при вибрации или термоциклировании. Обгоревший сварной шов повредил банку и создал слабое место. Графики сварки требуют проверки с помощью испытаний на растяжение и измерения сопротивления.

Управление температурой связано с возможностью перегрузки по току. Упаковка с активным охлаждением может выдерживать более высокие токи, чем герметичная упаковка без воздушного потока. В некоторых конструкциях на элементах используются термисторы для снижения тока до того, как температура станет критической.

Сверхток убивает литиевые батареи. Иногда быстро, иногда медленно, но всегда разрушительно. Текущие ограничения существуют по причинам, связанным с физикой и химией, а не из-за произвольного консерватизма.

Хорошая защита требует нескольких уровней, поскольку каждый тип защиты имеет свои слабые стороны. PTC работают медленно. Предохранители одноразовые-. ИС зависят от точности восприятия. BMS увеличивает стоимость и сложность. CID означают, что ячейка уже повреждена.

Тестирование должно отражать реальные условия использования и сценарии злоупотреблений. Прохождение сертификационных испытаний необходимо, но недостаточно.

Выбор дизайна упаковки-провода, разъемы, термоизоляция, поля-определяет, действительно ли защита защищает или просто хорошо выглядит на бумаге.

Элементы, которым я доверяю, поставляются производителями, имеющими стабильное качество и опубликованные данные. Пакеты, которым я доверяю, используют схемы защиты от надежных поставщиков с надлежащим дизайном приложений. Ко всему остальному следует относиться с осторожностью, пока не доказано обратное.