מהו זרם יתר?

זרם יתר פירושו שהסוללה מתבקשת לספק או לקבל יותר זרם ממה שהיא נבנתה עבורו. פשוט ככה. התא מתחמם, הכימיה נלחצת, ודברים הולכים הצידה אם אף אחד לא נכנס פנימה.

אני רואה את הבעיה הזו כל הזמן בהחזרות בשטח. חבילות חוזרות עם עקבות שרופים, כרטיסיות מותכות, תאים שנראים בסדר מבחוץ אבל מודדים מת מבפנים. תשע פעמים מתוך עשר, מישהו משך יותר מדי זרם או שההגנה נכשלה.

לתאי ליתיום יש גבולות קשים. תא מדורג ל-10A רציף יסבול 10A כל היום בטמפרטורת החדר. דחוף אותו ל-15A והטמפרטורה הפנימית מטפסת. תדחף אותו ל-30A ויש לך אולי שניות לפני שמשהו ייתן.

ייצור חום בתא ליתיום עוקב אחר I²R. ההתנגדות הפנימית ב-18650 טיפוסית יושבת סביב 15-30mΩ בהתאם לתא ולגילו. הפעל את המספרים על תא של 25mΩ.

ב-10A: 10² × 0.025=2.5W ב-20A: 20² × 0.025=10W ב-40A: 40² × 0.025=40W

ל-40W הזה אין לאן ללכת בתוך פחית פלדה. טמפרטורת התא עולה. אלקטרוליט מתחיל להתפרק בסביבות 80 מעלות. מעל 130 מעלות, המפריד עלול להיכשל. לאחר מכן, בריחה תרמית הופכת לאפשרות אמיתית.

טעינת זרם יתר עוקבת אחר אותה פיזיקה אך עם בעיה נוספת. ציפוי ליתיום. דחוף את זרם הטעינה גבוה מדי ומשקע מתכת ליתיום על פני האנודה במקום להשתלב כראוי. הציפוי הזה הוא אובדן קיבולת קבוע. זה גם יוצר סיכון להיווצרות דנדריטים.

Overcurrent

מכנסיים קצרים חיצונייםקורה יותר ממה שהיצרנים אוהבים להודות. בורג רופף במארז. חוט פגום מתחכך במסגרת. חדירת מים יוצרת נתיב מוליך. עבדתי על ריקול שבו למחבר החבילה היה פגם בעיצוב שנתן לפין החיובי ליצור קשר עם הארקה של המארז במהלך ההחדרה. אלפי חפיסות יצאו לפני שמישהו תפס אותה.

תקלות עומסמופיעים ביישומי כלי עבודה כל הזמן. מנועים מוברשים נעצרים בזרם פועל של פי 6-8. ללא מברשות עם בקרת FOC מתמודד טוב יותר עם דוכנים אבל עדיין דוקרנים חזק. הסוללה רואה את הזינוק הזה בין אם בקר המנוע עושה משהו בנידון או לא.

בעיות במטעןנוטים להיות עדינים. מטען המיועד לחבילת 4S המחוברת לחבילת 3S. ייתכן שמגבלות המתח עדיין פועלות, אבל הפרופיל הנוכחי שגוי. או שקו חישת המטען נשבר והמטען פשוט דוחף את הזרם המלא עד שמשהו מתקלקל.

אי התאמה של תאיםבחבילות סדרה זה ערמומי. ארבעה תאים בסדרה, שלושה מהם 3000mAh, אחד מהם למעשה 2700mAh כי הוא ישב במחסן חם במשך שישה חודשים. התא החלש הזה פוגע קודם בטעינה מלאה. שלושת האחרים ממשיכים ללחוץ. התא החלש הזה נטען יתר על המידה, מייצר גז, מתחמם, ועכשיו יש לך מצב של זרם יתר מקומי המתרחש בתוך תא בודד בזמן שמתח החבילה נראה בסדר.

התוצאה המיידית היא חום. זרם יתר מתמשך בדירוג פי 2 ידחוף את רוב התאים מעבר ל-60 מעלות תוך מספר דקות. התא שורד, כנראה, אבל חיי המחזור חוטפים מכה.

אירועי זרם יתר חוזרים יוצרים נזק מצטבר. שכבת SEI על האנודה מתעבה. ההתנגדות הפנימית מתגנבת. הקיבולת דועכת. תא שהתחיל ב-3000mAh ו-20mΩ עשוי להיות 2400mAh ו-35mΩ לאחר 200 מחזורים פוגעניים. זה היה עושה 800 מחזורים בשימוש נכון.

זרם יתר חמור-מצבי קצר חשמלי-יכולים לסיים תא תוך שניות. הזרם מגיע לשיא בכל מה שההתנגדות הפנימית של התא מגבילה אותו אליו. ניקוז גבוה-טעון במלואו 18650 לתוך קצר קשה יכול לראות זרם מיידי של 200-300A. ריתוך הכרטיסיות הן לרוב נקודת הכשל הראשונה. אם הלשוניות מחזיקות, גליל הג'לי מתחמם כל כך מהר שהאוורור מגיע תוך שניות.

ראיתי תאים שפתחו כל כך חזק את המכסה החיובי שהושק על פני המעבדה. משקפי בטיחות אינם אופציונליים בעת בדיקת תגובת קצר חשמלי.

Overcurrent

עיצוב חבילה טוב משתמש במספר מנגנוני הגנה. אין מכשיר בודד שמטפל בכל מצב כשל.

PTCsיושבים בתוך רוב התאים הגליליים של יצרנים בעלי מוניטין. הם נעים על סמך טמפרטורה, לא זרם ישירות. PTC עשוי להיות מדורג להחזיק 7A ולפעול ב-15A, אבל מנגנון הנסיעה הוא תרמי. זמן התגובה איטי-מאות אלפיות שניות עד שניות. PTCs לא יצילו אותך מקצר קשה. הם מטפלים בזרם יתר מתון ונותנים לאריזה זמן להתקרר.

נתיכיםלנשוף פעם אחת ולהישאר מפוצץ. נתיכים ברמת-חבילה הם בגודל מעל זרם ההפעלה הרגיל עם מרווח לכניסה ומעברים. חבילה רציפה של 10A עשויה להשתמש בפתיל-מהיר של 15A. הנתיך מנקה קצר קצר יותר מהר מ-PTC, בדרך כלל מתחת ל-100ms בזרמי תקלה גבוהים. אבל זה גם הורג את החפיסה לצמיתות. תביעות אחריות בהמשך.

IC הגנהלפקח על זרם דרך נגד חישה. חלקים נפוצים מ-Seiko, TI ואחרים מספקים ספי זרם יתר הניתנים לתכנות באמצעות נגדים חיצוניים או בקידוד פנימי. עיכובי זיהוי נמשכים 8-24ms בדרך כלל. זיהוי קצר חשמלי מהיר יותר, לעתים קרובות מתחת ל-500 µs. ה-IC מניע FETs חיצוניים כדי לנתק את החבילה.

ערך נגד החישה משנה. נגד חישה של 5mΩ נותן רזולוציה טובה יותר אך מפיל יותר מתח ומפזר יותר כוח בזרמים גבוהים. נגד 2mΩ מבזבז פחות כוח אבל צריך קצה קדמי רגיש יותר. רוב החבילות לצרכן משתמשות ב-3-10mΩ בהתאם למעמד הנוכחי.

BMSבחבילות גדולות יותר מוסיף אינטליגנציה. הגבלת זרם פעילה במקום רק נסיעה/לא-נסיעה. ספי טמפרטורה-מפוצים. רישום אירועים לצורך אבחון. BMS טוב מפחית את מגבלות זרם יתר כאשר טמפרטורת התא עולה, ומשאיר את התאים בחלון ההפעלה הבטוח שלהם גם תחת עומסים דינמיים.

מזהי CIDתאים פנימיים מספקים הגנה מכנית-אחרון. התקן ההפסקה הנוכחי מופעל עם הצטברות לחץ פנימי. בזמן יציאת CID, התא כבר חווה לחץ משמעותי. הפעלת CID אומרת בדרך כלל שהתא הוא גרוטאות.

דירוגי גליון נתונים מניחים תנאים ספציפיים. Samsung 30Q מדורג ל-15A רציף מניח סביבה של 25 מעלות וקירור נאות. הדביקו את התא הזה בתוך מתחם מבודד בטמפרטורה של 35 מעלות ו-15A ידחוף אותו מעבר לטמפרטורות בטוחות.

דירוג הדופק נראה אטרקטיבי אך מגיע עם חוטים מחוברים. תא עשוי לתבוע 30A למשך 10 שניות, אבל זה מניח שהתא התחיל ב-25 מעלות ויש לו זמן להתקרר לפני הפעימה הבאה. פעימות חזרה-אל-לגב ללא זמן התאוששות צוברים חום בדיוק כמו זרם רציף.

תעריפי הטעינה הם לרוב שמרניים יותר משיעורי הפריקה. תא המטפל בפריקה של 20A עשוי לסבול טעינה של 4A בלבד. סיכון ציפוי ליתיום הוא הסיבה. כמה תאים חדשים יותר עם אנודות מסוימות-בסיליקון רגישים אפילו יותר לקצב הטעינה.

גיל התא משנה הכל. תא חדש עם התנגדות פנימית של 20mΩ מתמודד עם 20A טוב יותר מאשר תא בן שנה- ב-30mΩ. הגנת חבילה צריכה לקחת בחשבון את ההתנגדות-של-החיים, לא רק למפרטי תאים חדשים.

כל עיצוב חבילה צריך אימות זרם יתר. ציוד הבדיקה חשוב.

עומסים אלקטרוניים צריכים להטביע את הזרם מהר יותר ממה שההגנה מגיבה. IC הגנה עם עיכוב זיהוי של 10ms זקוק לעומס שמגיע לזרם היעד תוך פחות מ-1ms. רמפה של עומס איטי-מעלה מאפשרת להגנה לפעול מוקדם ומעניקה ביטחון כוזב.

מדידת זרם צריכה רוחב פס. נגד חישה של 10mΩ ב-100A נותן אות 1V. לכידת השיא בפועל דורש רוחב פס של 10kHz לפחות, רצוי יותר. בדיקות סקופ עם הארקה נכונה מונעות את בעיות הרעש שנותנות נתוני אשפה.

בדיקת טמפרטורה תופסת בעיות עיצוב שבדיקת טמפרטורת החדר מחמיצה. ספי IC הגנה נסחפים עם הטמפרטורה. FET Rds(on) עולה בטמפרטורה גבוהה, ומוסיף נפילת מתח. נגד חישה TCR חשוב כאשר הנגד מתחמם מהעברת זרם תקלה. מבחן ב-20 מעלות , +25 מעלות ו-+55 מעלות מינימום.

מטריצת הבדיקה נעשית גדולה. זרם יתר טעינה, זרם יתר של פריקה, קצר חשמלי. כל אחד בשלוש טמפרטורות. כל אחד ברמות SOC מרובות מכיוון שעכבת התא משתנה בהתאם למצב הטעינה. הכפל בגודל המדגם לביטחון סטטיסטי. אימות יסודי מריץ מאות בדיקות.

Overcurrent

UL 2054מכסה חבילות סוללות ניידות לשווקים בצפון אמריקה. בדיקת קצר חשמלי מפעילה קצר מת למשך 10 שניות. אסור שהחבילה תתלקח או תתפוצץ. הטמפרטורה מנוטרת אך לא נקראת מגבלה ספציפית. זהו רף מינימום.

IEC 62133-2חלה בינלאומית. בדיקת קצר חשמלית חיצונית משתמשת בהתנגדות כוללת של פחות מ-100mΩ של המעגל למשך שעה אחת או עד שהטמפרטורה מתייצבת. מחמיר יותר מ-UL 2054 לגבי משך הזמן.

UN 38.3שולט במשלוח. בדיקה 5 דורשת קצר דרך פחות מ-0.1Ω. אסור להתפרק או להתלקח תאים או סוללות. זה חשוב כי כשלון UN 38.3 אומר שלא ניתן להעביר את המוצר שלך באופן חוקי.

SAE J2464מכסה יישומי EV עם דרישות מחמירות יותר. התנגדות הקצר יורדת ל-5mΩ והקריטריונים התרמיים/מכניים ספציפיים יותר.

עמידה במבחנים אלו לא אומר שעיצוב ההגנה טוב. זה אומר שעיצוב ההגנה מתאים לאישור. ניצול לרעה-בעולם האמיתי עלול לחרוג מתנאי הבדיקה.

מד חוט עולה כל הזמן. חוט נמוך מוסיף התנגדות ויוצר חום בחיבורים. החוט עצמו עשוי להתמודד עם הזרם, אבל מסופים מכווצים או חיבורי הלחמה הופכים לנקודות חמות. חבילות המוחזרות בגלל "כשל בסוללה" מציגות לעתים קרובות מסופי חוטים שרופים בזמן שהתאים תקינים.

בחירת מחברים היא נקודת תורפה נוספת. מחברי XT60 מדורגים ל-60A רציף, כביכול. דירוג זה מניח כיווץ מושלם ומגעים נקיים. בפועל, ירידה של 30-40% לאמינות. לאנדרסון Powerpoles יש שיקולים דומים.

ריתוך כרטיסיות על תאים דורש תשומת לב. לריתוך טוב יש התנגדות נמוכה וחוזק מכני. ריתוך קר נראה בסדר אבל נכשל תחת רטט או רכיבה תרמית. ריתוך שרוף פגע בפחית ויצר נקודת תורפה. לוחות זמנים של ריתוך זקוקים לאימות עם בדיקת משיכה ומדידות התנגדות.

ניהול תרמי קשור ליכולת זרם יתר. חבילה עם קירור אקטיבי יכולה להחזיק זרמים גבוהים יותר מאשר חבילה אטומה ללא זרימת אוויר. עיצובים מסוימים משתמשים בתרמיסטורים על תאים כדי להפעיל הפחתת זרם לפני שהטמפרטורות הופכות קריטיות.

זרם יתר הורג את סוללות הליתיום. לפעמים מהר, לפעמים לאט, אבל תמיד מזיק. גבולות נוכחיים קיימים מסיבות הקשורות לפיזיקה ולכימיה, לא משמרנות שרירותית.

הגנה טובה דורשת מספר שכבות מכיוון שלכל סוג הגנה יש חולשות. PTCs הם איטיים. נתיכים הם-ירייה אחת. ICs תלויים בדיוק חישה. BMS מוסיף עלות ומורכבות. זיהוי CID אומר שהתא כבר פגום.

הבדיקה צריכה לשקף תנאי שימוש בפועל ותרחישי שימוש לרעה. עמידה במבחני הסמכה הכרחי אך לא מספיק.

אפשרויות עיצוב חבילה-חוטים, מחברים, תרמיות, שוליים-קובעות אם ההגנה אכן מגינה או רק נראית טוב על הנייר.

התאים שאני סומך עליהם מגיעים מיצרנים עם איכות עקבית ונתונים שפורסמו. החבילות שאני סומך עליהן משתמשות במעגלי הגנה של ספקים בעלי מוניטין עם עיצוב נכון של יישומים. כל השאר מטופלים בזהירות עד שיוכח אחרת.