Cos'è la sovracorrente?

Sovracorrente significa che alla batteria viene chiesto di fornire o accettare più corrente di quella per cui è stata costruita. Semplice proprio così. La cella si surriscalda, la chimica viene stressata e le cose vanno male se nessuno interviene.

Vedo questo problema costantemente nei resi sul campo. Gli pacchi tornano con tracce bruciate, linguette sciolte, cellule che sembrano belle all'esterno ma che internamente sembrano morte. Nove volte su dieci qualcuno ha assorbito troppa corrente oppure la protezione è venuta meno.

Le celle al litio hanno limiti rigidi. Una cella classificata per 10 A continui tollererà 10 A tutto il giorno a temperatura ambiente. Spingetelo a 15A e la temperatura interna salirà. Spingilo a 30A e avrai forse pochi secondi prima che qualcosa ceda.

La matematica dietro

La generazione di calore in una cella al litio segue I²R. La resistenza interna su un tipico 18650 è di circa 15-30 mΩ a seconda della cella e della sua età. Esegui i numeri su una cella da 25 mΩ.

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

Quei 40 W non possono andare da nessuna parte all'interno di una lattina d'acciaio. La temperatura della cella aumenta. L'elettrolito inizia a rompersi intorno agli 80 gradi. Al di sopra di 130 gradi, il separatore può guastarsi. Successivamente, la fuga termica diventa una possibilità reale.

La sovracorrente di carica segue la stessa fisica ma con un problema aggiuntivo. Placcatura al litio. Spingere la corrente di carica troppo in alto e depositare litio metallico sulla superficie dell'anodo invece di intercalarsi correttamente. Quella placcatura è una perdita permanente di capacità. Crea anche il rischio di formazione di dendriti.

Da dove viene la sovracorrente

Pantaloncini esterniaccadere più di quanto i produttori vogliano ammettere. Una vite allentata in una custodia. Un filo danneggiato che sfrega contro un telaio. Ingresso di acqua creando un percorso conduttivo. Ho lavorato su un richiamo in cui il connettore del pacco aveva un difetto di progettazione che faceva sì che il pin positivo entrasse in contatto con la terra dell'involucro durante l'inserimento. Migliaia di pacchi sono partiti prima che qualcuno li prendesse.

Caricare i guasticompaiono costantemente nelle applicazioni degli utensili elettrici. I motori con spazzole si bloccano con una corrente di funzionamento 6-8x. Il brushless con controllo FOC gestisce meglio gli stalli ma continua a picchiare forte. La batteria rileva quel picco indipendentemente dal fatto che il controller del motore faccia qualcosa o meno.

Problemi con il caricabatterietendono ad essere sottili. Un caricabatterie progettato per un pacco 4S collegato a un pacco 3S. I limiti di tensione potrebbero ancora funzionare, ma il profilo corrente è sbagliato. Oppure la linea di rilevamento del caricabatterie si interrompe e il caricabatterie eroga tutta la corrente finché non scatta qualcosa.

Mancata corrispondenza delle cellenei pacchi in serie è insidioso. Quattro celle in serie, tre delle quali da 3000 mAh, una in realtà da 2700 mAh perché è rimasta in un magazzino caldo per sei mesi. Quella cella debole raggiunge per prima la carica completa. Gli altri tre continuano a spingere. Quella cella debole si sovraccarica, genera gas, si riscalda e ora si verifica una condizione di sovracorrente locale all'interno di una singola cella mentre la tensione del pacco sembra a posto.

Conseguenze reali

La conseguenza immediata è il caldo. Una sovracorrente prolungata con rating 2x spingerà la maggior parte delle celle oltre i 60 gradi in pochi minuti. La cellula sopravvive, probabilmente, ma il ciclo vitale subisce un duro colpo.

Eventi di sovracorrente ripetuti creano danni cumulativi. Lo strato SEI sull'anodo si ispessisce. La resistenza interna si insinua. La capacità diminuisce. Una cella che iniziava a 3000 mAh e 20 mΩ potrebbe diventare 2400 mAh e 35 mΩ dopo 200 cicli abusivi. Avrebbe fatto 800 cicli se usato correttamente.

Forti condizioni di sovracorrente-cortocircuito-possono provocare la rottura di una cella in pochi secondi. La corrente raggiunge il picco a qualunque limite la resistenza interna della cella. Un 18650 ad alto-assorbimento completamente carico in un cortocircuito può vedere una corrente istantanea di 200-300 A. Le saldature a linguetta sono spesso il primo punto di rottura. Se le linguette reggono, il rotolo di gelatina si riscalda così velocemente che lo sfiato avviene in pochi secondi.

Ho visto cellule che si sono sfogate così forte che il tappo positivo è stato lanciato in tutto il laboratorio. Gli occhiali di sicurezza non sono opzionali quando si testa la risposta al cortocircuito.

Strati di protezione

Una buona progettazione della confezione utilizza molteplici meccanismi di protezione. Nessun singolo dispositivo gestisce ogni modalità di errore.

PTCsi trovano all'interno della maggior parte delle celle cilindriche di produttori rinomati. Intervengono in base alla temperatura, non direttamente alla corrente. Un PTC potrebbe essere classificato per contenere 7 A e scattare a 15 A, ma il meccanismo di sgancio è termico. Il tempo di risposta è lento-da centinaia di millisecondi a secondi. Le PTC non ti salveranno da un duro cortocircuito. Gestiscono la sovracorrente moderata e danno al pacco il tempo di raffreddarsi.

Fusibilisoffia una volta e rimani soffiato. I fusibili a livello di pacchetto- hanno dimensioni superiori alla normale corrente operativa con un margine per spunto e transitori. Un pacco continuo da 10 A potrebbe utilizzare un fusibile-ad azione rapida da 15 A. Il fusibile ripristina un cortocircuito più velocemente di un PTC, in genere inferiore a 100 ms con correnti di guasto elevate. Ma uccide anche il branco in modo permanente. Seguono le richieste di garanzia.

Circuiti integrati di protezionemonitorare la corrente attraverso un resistore di rilevamento. Parti comuni di Seiko, TI e altri forniscono soglie di sovracorrente programmabili tramite resistori esterni o codificati internamente. I ritardi di rilevamento sono generalmente di 8-24 ms. Il rilevamento dei cortocircuiti è più rapido, spesso inferiore a 500 µs. L'IC guida i FET esterni per disconnettere il pacco.

Il valore del resistore di rilevamento è importante. Un resistore di rilevamento da 5 mΩ fornisce una risoluzione migliore ma riduce più tensione e dissipa più potenza a correnti elevate. Un resistore da 2 mΩ spreca meno energia ma necessita di un front-end più sensibile. La maggior parte dei pacchetti consumer utilizza 3-10 mΩ a seconda della classe corrente.

BMSnelle confezioni più grandi aggiunge intelligenza. Limitazione di corrente attiva anziché solo sgancio/nessun-sgancio. Soglie di compensazione della temperatura-. Registrazione di eventi per la diagnostica. Un buon BMS riduce i limiti di sovracorrente all’aumentare della temperatura delle celle, mantenendo le celle nella loro finestra operativa sicura anche in condizioni di carichi dinamici.

CIDle celle interne forniscono l'ultima-protezione meccanica. Il dispositivo di interruzione corrente si attiva all'aumento della pressione interna. Quando un CID scatta, la cellula ha già subito uno stress significativo. L'attivazione del CID di solito significa che la cella è rottamazione.

Schede tecniche e realtà

Le valutazioni della scheda tecnica presuppongono condizioni specifiche. Un Samsung 30Q valutato per 15 A continui presuppone una temperatura ambiente di 25 gradi e un raffreddamento adeguato. Attacca quella cella all'interno di un involucro isolato a una temperatura ambiente di 35 gradi e 15 A la spingerà oltre le temperature sicure.

Le valutazioni del polso sembrano attraenti ma vengono fornite con dei vincoli. Una cella potrebbe richiedere 30 A per 10 secondi, ma ciò presuppone che la cella abbia iniziato a 25 gradi e abbia il tempo di raffreddarsi prima dell'impulso successivo. Gli impulsi consecutivi-a-senza tempo di recupero accumulano calore proprio come la corrente continua.

I tassi di carica sono spesso più conservativi rispetto ai tassi di scarico. Una cella che gestisce una scarica di 20 A potrebbe tollerare solo una carica di 4 A. Il rischio legato alla placcatura al litio è il motivo. Alcune celle più recenti con anodi drogati al silicio-sono ancora più sensibili alla velocità di carica.

L’età cellulare cambia tutto. Una nuova cella con resistenza interna da 20 mΩ gestisce 20 A meglio di una cella-vecchia di un anno a 30 mΩ. La protezione del pacco dovrebbe tenere conto della resistenza alla fine-del-vita utile, non solo delle nuove specifiche delle celle.

Test della protezione da sovracorrente

Ogni progetto di pacco necessita di convalida di sovracorrente. L'attrezzatura di prova è importante.

I carichi elettronici devono assorbire la corrente più velocemente della risposta della protezione. Un circuito integrato di protezione con ritardo di rilevamento di 10 ms necessita di un carico che raggiunga la corrente target in meno di 1 ms. L'aumento lento del carico-fa sì che la protezione intervenga in anticipo e dia una falsa sicurezza.

La misurazione corrente richiede larghezza di banda. Un resistore di rilevamento da 10 mΩ a 100 A fornisce un segnale di 1 V. Catturare il picco effettivo richiede una larghezza di banda di almeno 10kHz, preferibilmente di più. Le sonde oscilloscopio con una messa a terra adeguata evitano i problemi di rumore che forniscono dati spazzatura.

I test della temperatura rilevano i problemi di progettazione che i test della temperatura ambiente non riescono a cogliere. Le soglie del circuito integrato di protezione variano con la temperatura. FET Rds(on) aumenta ad alta temperatura, aggiungendo caduta di tensione. Il TCR del resistore di rilevamento è importante quando il resistore si riscalda a causa del passaggio della corrente di guasto. Test a -20 gradi, +25 gradi e +55 gradi minimo.

La matrice del test diventa grande. Sovracorrente di carica, sovracorrente di scarica, cortocircuito. Ciascuno a tre temperature. Ciascuno a più livelli SOC perché l'impedenza della cella varia con lo stato di carica. Moltiplicare per la dimensione del campione per ottenere confidenza statistica. Una convalida approfondita esegue centinaia di test.

Standard che contano

UL2054copre i pacchi batteria portatili per i mercati nordamericani. Il test di cortocircuito applica un cortocircuito morto per 10 secondi. Il pacco non deve prendere fuoco o esplodere. La temperatura viene monitorata ma non viene stabilito alcun limite specifico. Questa è una barra minima.

CEI EN 62133-2si applica a livello internazionale. Il test di cortocircuito esterno utilizza una resistenza totale del circuito inferiore a 100 mΩ mantenuta per un'ora o finché la temperatura non si stabilizza. Più severo di UL 2054 sulla durata.

ONU 38.3regola la spedizione. Il test 5 richiede un cortocircuito inferiore a 0,1 Ω. Le celle o le batterie non devono smontarsi o prendere fuoco. Questo è importante perché la mancata conformità alla norma UN 38.3 significa che il tuo prodotto non può essere trasportato legalmente.

SAE J2464copre le applicazioni per veicoli elettrici con requisiti più severi. La resistenza al cortocircuito scende a 5 mΩ e i criteri termico/meccanici sono più specifici.

Il superamento di questi test non significa che il design della protezione sia buono. Ciò significa che il progetto di protezione è adeguato per la certificazione. Gli abusi nel mondo reale-possono superare le condizioni di prova.

Scelte di progettazione del pacchetto

Il calibro del filo aumenta costantemente. Il filo sottodimensionato aggiunge resistenza e crea calore alle connessioni. Il filo stesso potrebbe gestire la corrente, ma i terminali crimpati o i giunti di saldatura diventano punti caldi. I pacchi restituiti per "guasto della batteria" spesso mostrano terminali dei cavi bruciati mentre le celle sono a posto.

La selezione del connettore è un altro punto debole. Si suppone che i connettori XT60 abbiano una potenza nominale di 60 A continua. Questa valutazione presuppone crimpature perfette e contatti puliti. In pratica, declassato del 30-40% per l'affidabilità. Anderson Powerpoles ha considerazioni simili.

La saldatura delle linguette sulle celle richiede attenzione. Una buona saldatura ha bassa resistenza e resistenza meccanica. Una saldatura a freddo sembra a posto ma fallisce sotto vibrazioni o cicli termici. Una saldatura bruciata ha danneggiato la lattina e crea un punto debole. I programmi di saldatura necessitano di convalida con test di trazione e misurazione della resistenza.

La gestione termica è legata alla capacità di sovracorrente. Un pacco con raffreddamento attivo può sostenere correnti più elevate rispetto a un pacco sigillato senza flusso d'aria. Alcuni progetti utilizzano termistori sulle celle per attivare la riduzione della corrente prima che le temperature diventino critiche.

Il cibo da asporto

La sovracorrente uccide le batterie al litio. A volte veloce, a volte lento, ma sempre dannoso. I limiti attuali esistono per ragioni legate alla fisica e alla chimica, non per conservatorismo arbitrario.

Una buona protezione richiede più livelli perché ogni tipo di protezione presenta punti deboli. I PTC sono lenti. I fusibili sono one-a colpo singolo. I circuiti integrati dipendono dalla precisione del rilevamento. Il BMS aggiunge costi e complessità. I CID significano che la cella è già danneggiata.

I test devono riflettere le condizioni di utilizzo reali e gli scenari di abuso. Il superamento dei test di certificazione è necessario ma non sufficiente.

Le scelte di progettazione dell'imballaggio-cavi, connettori, componenti termici, margini-determinano se la protezione protegge effettivamente o semplicemente ha un bell'aspetto sulla carta.

Le celle di cui mi fido provengono da produttori con qualità costante e dati pubblicati. I pacchetti di cui mi fido utilizzano circuiti di protezione di fornitori affidabili con una progettazione applicativa adeguata. Tutto il resto viene trattato con cautela fino a prova contraria.