Cos'è la sovratensione?
Martedì scorso ho ricevuto una chiamata da un integratore di pacchi in Ohio. Avevano un pacco LFP 14S tornato da un'installazione solare con due celle con lettura 3,91 V. LFP. Non dovrebbe mai vedere nulla al di sopra di 3,65 V durante l'uso normale. Le celle sembravano a posto dall'esterno, ma quando ne abbiamo aperta una, la lamina catodica era diventata marrone ai bordi. Classico danno da sovraccarico.
Risulta che utilizzavano un caricabatterie al piombo-acido. Il cliente lo ha sostituito perché l'originale è morto. Il caricabatterie-al piombo acido da 48 V emette una tensione galleggiante di 58,4 V. Su un pacco LFP 14S che funziona a 4,17 V per cella. Nessun problema per il piombo-acido. Grosso problema per la LFP.
Questo genere di cose accade più di quanto la gente ammetta.
Sovratensione significa spingere una cella oltre la sua tensione di carica nominale massima. Il numero dipende dalla chimica. NMC e NCA raggiungono il massimo a 4,20 V. Alcune varianti NMC ad alta-energia hanno una tensione nominale di 4,35 V, ma si tratta di celle speciali e devi sapere cosa stai facendo con esse. La chimica LFP ha un limite massimo di 3,65 V. L'LTO è di circa 2,85 V. Questi numeri provengono dalla scheda tecnica del fornitore di celle. Ignorateli e avrete problemi.
Degradazione cellulare interna
Ciò che accade all'interno della cella in caso di sovratensione non è complicato. Il materiale del catodo tende a cedere ossigeno quando si estrae una quantità eccessiva di litio. Quell'ossigeno reagisce con l'elettrolita. Nel frattempo il litio metallico inizia a depositarsi sulla superficie dell'anodo perché la grafite non può assorbire gli ioni abbastanza velocemente. La placcatura è pessima per due motivi. Si tratta di una perdita di capacità irreversibile e crea dendriti che possono eventualmente cortocircuitare la cellula internamente.
Molte persone pensano che ci sia un margine integrato nelle specifiche 4,20 V. Non c'è.
I produttori di celle fissano tale limite nel punto in cui la degradazione diventa inaccettabile. Passare a 4,25 V una volta probabilmente va bene. Andando lì ogni ciclo ucciderà la cellula in poche centinaia di cicli invece che in poche migliaia. Se superi i 4,30 V potresti non ottenere qualche centinaio di cicli. Ho visto le celle gonfiarsi a 4,35 V dopo una singola carica. Dipende dalla cella.
Il ruolo del BMS
Il BMS dovrebbe rilevarlo. Ogni cellula del pacco ha il proprio filo di rilevamento. Il chip AFE legge tutte le tensioni delle celle e le confronta con una soglia. Se una cella si rovescia, la ricarica si interrompe. Abbastanza semplice.
Solo che il BMS può fallire. Ho visto schede BMS con giunti di saldatura a freddo sui connettori dei cavi di rilevamento. Una cella smette di segnalare e il firmware passa a zero invece di segnalare un errore. Ho visto chip AFE che si allontanavano dalla calibrazione a causa della temperatura. Il BQ76940 di TI è generalmente solido, ma il vecchio BQ76925 aveva problemi con lo spostamento del riferimento interno. I chip AFE cinesi più economici possono essere ovunque.
Il bilanciamento conta più di quanto si pensi. Un pacco con dieci celle in serie avrà una certa distribuzione della capacità. Una cella raggiunge la carica completa prima delle altre. Se il bilanciamento è troppo lento, la cella alta rimane a 4,20 V mentre la corrente continua a fluire nel pacco. La tensione su quella cella aumenta. Con il bilanciamento passivo sei limitato dalla quantità di calore che puoi scaricare attraverso le resistenze di spurgo. La maggior parte dei progetti utilizza una corrente di bilanciamento compresa tra 50 mA e 100 mA. Se le tue celle non corrispondono di più di una piccola percentuale, ciò potrebbe non essere sufficiente.
Il bilanciamento attivo sposta la carica dalle celle alte a quelle basse invece di bruciarla. Più costoso. Più complesso. È utile per pacchi di grandi dimensioni in cui l'energia sprecata si somma o per applicazioni in cui non è possibile tollerare alcuna distribuzione della capacità.
Il design del caricabatterie è l’altra metà dell’equazione. Un convertitore a commutazione con regolazione del feedback poco accurata andrà in overshoot con carico leggero. Ho misurato caricabatterie che emettono 42,5 V quando il pacco assorbe meno di 100 mA verso la fine della carica. Quel mezzo volt in più distribuito su dieci celle è di 50 mV ciascuna. Non è un disastro ma si somma alle altre tolleranze.
Anche la compensazione della temperatura nel caricabatterie è importante. Le celle al litio dovrebbero caricarsi a una tensione inferiore quando sono calde. Alcuni caricabatterie regolano il setpoint CV in base a un termistore. Quelli più economici no. Un pacco esposto al sole a 45°C e caricato ai normali 4,20 V per cella viene effettivamente sovraccaricato.
Due strati di protezione sono meglio di uno. Il BMS monitora le tensioni delle celle. Un circuito integrato di protezione secondaria può monitorare la tensione del pacco e tagliare un FET se qualcosa va storto. Per il branco dell’Ohio che ha dato inizio a tutta questa discussione, nessuno dei due esisteva. Avevano uno stupido BMS che si limitava a bilanciare. Nessuna protezione. Il cliente presumeva che il caricabatterie l'avrebbe gestito. Cattiva supposizione.
Lista di controllo della progettazione
Se stai progettando pacchetti, la lista di controllo è piuttosto breve.
- Utilizza un BMS con OVP a livello di cella reale-.
- Imposta la soglia con un certo margine, forse 4,18 V per NMC.
- Assicurati che il bilanciamento possa tenere il passo con la diffusione delle tue cellule.
- Qualificare il caricabatterie in tutto il suo involucro operativo e non solo a temperatura ambiente sul banco.
- Aggiungi un percorso di protezione secondario se l'applicazione lo giustifica.
Il gruppo dell'Ohio viene ricostruito con un BMS adeguato e un caricatore specifico per LFP. Lezione costosa. Poteva andare peggio. Nessuno si è fatto male e nulla ha preso fuoco. Non è sempre così che finiscono queste storie.
