Šta je prenapon?
Dobio sam poziv od integratora paketa u Ohaju prošlog utorka. Imali su 14S LFP paket koji se vratio sa solarne instalacije s dvije ćelije koje očitaju 3.91V. LFP. Nikada ne bi trebalo vidjeti ništa iznad 3,65V pri normalnoj upotrebi. Ćelije su izvana izgledale dobro, ali kada smo jednu otvorili katodna folija je postala smeđa na rubovima. Klasična šteta od prekomjernog punjenja.
Ispostavilo se da su koristili olovni{0}}punjač. Kupac ga je zamijenio jer je original umro. Olovni{3}}punjač od 48V ispušta 58,4V float. Na 14S LFP paketu koji radi do 4,17 V po ćeliji. Nije problem za olovnu{10}kiselinu. Veliki problem za LFP.
Ovakve stvari se dešavaju više nego što ljudi priznaju.
Prenapon znači guranje ćelije preko njenog maksimalnog nazivnog napona punjenja. Broj zavisi od hemije. NMC i NCA maksimalno izlaze na 4.20V. Neke visoko{4}}energetske NMC varijante su ocijenjene na 4,35 V, ali to su specijalne ćelije i morate znati šta radite s njima. LFP chemistry ima plafon od 3,65 V. LTO je oko 2.85V. Ovi brojevi dolaze iz lista podataka dobavljača ćelija. Ignorišite ih i imaćete problema.
Unutrašnja degradacija ćelija
Ono što se događa unutar ćelije pri prenaponu nije komplikovano. Materijal katode želi da odustane od kiseonika kada iz njega izbacite previše litijuma. Taj kiseonik reaguje sa elektrolitom. U međuvremenu, litijum metal počinje da se taloži na površini anode jer grafit ne može dovoljno brzo da apsorbuje ione. Oplata je loša iz dva razloga. To je nepovratan gubitak kapaciteta i stvara dendrite koji na kraju mogu skratiti ćeliju iznutra.
Mnogi ljudi misle da postoji margina ugrađena u specifikaciju od 4,20 V. Ne postoji.
Proizvođači ćelija postavljaju tu granicu na mjestu gdje degradacija postaje neprihvatljiva. Prelazak na 4,25V jednom je vjerovatno u redu. Odlazak tamo svaki ciklus će ubiti ćeliju za nekoliko stotina ciklusa umjesto za nekoliko hiljada. Ako idete iznad 4,30 V i možda nećete dobiti nekoliko stotina ciklusa. Vidio sam kako ćelije nabubre na 4,35 V nakon jednog punjenja. Zavisi od ćelije.
Uloga BMS-a
BMS bi ovo trebao uhvatiti. Svaka ćelija u čoporu ima svoju čulnu žicu. AFE čip čita sve napone ćelije i uspoređuje s pragom. Ako neka ćelija pređe preko, punjenje se zaustavlja. Prilično jednostavno.
Osim što BMS može pokvariti. Vidio sam BMS ploče sa hladnim lemljenim spojevima na konektorima senzorske žice. Jedna ćelija prestaje da izveštava i firmver podrazumevano postavlja nulu umesto da označava grešku. Vidio sam AFE čipove koji zbog temperature odstupaju od kal. TI-jev BQ76940 je generalno solidan, ali stariji BQ76925 je imao problema sa internim pomeranjem referenci. Jeftiniji kineski AFE čipovi mogu biti posvuda.
Balansiranje je važnije nego što ljudi misle. Pakovanje sa deset ćelija u seriji imat će nešto proširenog kapaciteta. Jedna ćelija se puni prije ostalih. Ako je balansiranje presporo, visoka ćelija se nalazi na 4,20V dok struja nastavlja teći u paket. Napon na toj ćeliji raste. Kod pasivnog balansiranja ograničeni ste koliko topline možete izbaciti kroz otpornike za odzračivanje. Većina dizajna radi od 50mA do 100mA balansne struje. Ako se vaše ćelije ne podudaraju za više od nekoliko posto, to možda neće biti dovoljno.
Aktivno balansiranje pomiče naboj sa visokih ćelija na niske ćelije umjesto da ga spaljuje. Skuplje. Složenije. Ima smisla za velika pakovanja u kojima se gubi potrošnja energije ili za aplikacije u kojima ne možete tolerirati bilo kakvo širenje kapaciteta.
Dizajn punjača je druga polovina jednačine. Preklopni pretvarač sa neurednom regulacijom povratne sprege će preskočiti pri malom opterećenju. Izmjerio sam punjače koji ispuštaju 42,5V kada paket troši manje od 100mA blizu kraja punjenja. Taj dodatni pola volta raspoređen na deset ćelija je 50mV svaka. Nije katastrofa, ali se uklapa sa ostalim tolerancijama.
Bitna je i kompenzacija temperature u punjaču. Litijumske ćelije bi se trebale puniti na niži napon kada su vruće. Neki punjači prilagođavaju CV zadanu vrijednost na osnovu termistora. Većina jeftinih ne. Paket koji se nalazi na suncu na 45C i puni se na normalnih 4,20V po ćeliji je zapravo prepunjen.
Dva sloja zaštite su bolja od jednog. BMS prati napone ćelija. IC sekundarne zaštite može pratiti napon paketa i prekinuti FET ako nešto krene po zlu. Za čopor iz Ohaja koji je započeo cijelu ovu raspravu, nije postojao ni jedan ni drugi. Imali su glupi BMS koji je radio samo balansiranje. Bez zaštite. Kupac je pretpostavio da će punjač to podnijeti. Loša pretpostavka.
Kontrolna lista dizajna
Ako dizajnirate pakete, kontrolna lista je prilično kratka.
- Koristite BMS sa pravim OVP{0}}nivoom ćelije.
- Postavite prag sa određenom marginom, možda 4.18V za NMC.
- Uvjerite se da balansiranje može ići u korak sa širenjem vaših ćelija.
- Kvalificirajte punjač u njegovom radnom omotaču ne samo na sobnoj temperaturi na stolu.
- Dodajte sekundarnu zaštitnu stazu ako aplikacija to opravdava.
Ohio paket se obnavlja sa odgovarajućim BMS-om i specifikacijom punjača za LFP. Skupa lekcija. Moglo je biti i gore. Niko nije povrijeđen i ništa se nije zapalilo. Ove priče se ne završavaju uvijek tako.
