O que é proteção de segurança da bateria?

Deixe-me ser honesto: a maioria dos incêndios em baterias que vimos nesta indústria não eram misteriosos. Eles eram previsíveis. Alguém pulou uma camada de proteção para economizar US$ 50, ou um gerente de compras escolheu o BMS mais barato no Alibaba, ou-e isso acontece mais do que você imagina-um operador de empilhadeira deixou a coisa carregando durante a noite em um galpão sem ventilação durante o verão.

A proteção de segurança da bateria não é um conceito abstrato de engenharia. É a coleção de opções de hardware, software e design que evita que sua bateria de US$ 15.000 se transforme em um sinistro de seguro de US$ 150.000. Ou pior.

Há mais de uma década que construímos embalagens LiFePO4 para movimentação de materiais e veículos industriais. Este artigo é basicamente tudo o que gostaríamos que alguém tivesse nos contado quando começamos-além de algumas lições caras que aprendemos da maneira mais difícil.

Células prismáticas de nível industrial requerem sistemas de monitoramento robustos.

Por que o LiFePO4 e por que ele ainda precisa de proteção

Aqui está uma pergunta que recebemos constantemente dos clientes: "Achei que o fosfato de ferro-lítio fosse o produto químico seguro. Por que preciso de todo esse material de proteção?"

Ponto justo. LiFePO4 é genuinamente mais seguro que NCM ou NCA. A estrutura cristalina da olivina não libera oxigênio quando fica quente, o que significa que não alimentará seu próprio fogo como acontece com a química ternária. Fizemos testes de penetração de unhas em células de cinco fornecedores diferentes-As células LiFePO4 normalmente atingem talvez 150 graus e ficam ali, fumando. Células NCM no mesmo teste? Vimos chamas de mais de 600 graus e reais.

Mas “mais seguro” não significa “seguro”. Tivemos um cliente em 2021, uma-empresa de logística em Guangdong-que percebeu que LiFePO4 significava que não precisava de monitoramento de temperatura. Economizei talvez 800 RMB por pacote. Então chegou agosto, o armazém atingiu 45 graus ambientais, o sistema de carregamento não teve redução térmica e eles acabaram com três pacotes inchados e um que realmente vazou. Ninguém se machucou, felizmente. Mas agora eles são nossos clientes mais entusiasmados com BMS completos.

As coisas que realmente causam incêndios

Depois de ver dezenas de falhas de campo (nossas e dos concorrentes), eis o que realmente dá errado:

O carregamento é onde acontecem 70% dos problemas.Sem descarregamento, sem cobrança-de armazenamento. Especificamente:

• Carregar abaixo de 0 grau sem proteção-de baixa temperatura. Placas de lítio no ânodo em vez de se intercalarem adequadamente. Você não pode ver isso acontecendo. Seis meses depois, curto-circuito interno, fuga térmica. Um cliente em Harbin aprendeu isso de maneira cara.
• Sobrecarga porque a medição de tensão do BMS desviou e ninguém percebeu. Células classificadas para 3,65 V sendo aumentadas para 3,8 V a cada ciclo. Funciona bem por três meses e um dia não funciona.
• Carregador-Falha na comunicação do BMS. O carregador acha que a bateria está com 50% do SOC, a bateria está na verdade com 95%. Corrente total em um pacote quase-completo. Tempos ruins.

Desequilíbrio celular que ninguém monitora.Em um pacote 16S, se uma célula tiver capacidade 50mAh menor que as outras, ela atingirá 100% SOC antes do pacote. Continue pedalando sem equilibrar, essa célula fica sobrecarregada todas as vezes. Vimos pacotes voltando para garantia onde uma célula estava em 3,9V enquanto o restante estava em 3,5V. Isso é um incêndio esperando para acontecer.

Danos mecânicos que comprometam o separador.Empilhadeiras batem nas coisas. Isso é apenas realidade. Se o impacto danificar as células internamente,-mesmo que a inspeção externa pareça boa,-você poderá ter atrasos nos shorts internos. É por isso que especificamos carcaças de aço para aplicações em empilhadeiras, e não de alumínio. Sim, é mais pesado. Sim, vale a pena.

Proteção Ativa: Evitando o Início dos Problemas

A indústria divide isso em proteção “ativa” e “passiva”. Ativo significa evitar que coisas ruins aconteçam. Passivo significa controle de danos quando eles acontecem de qualquer maneira.

Comece com as próprias células

Parece óbvio, mas: compre células boas. Testamos células de talvez 20 fornecedores diferentes ao longo dos anos. A propagação da qualidade é genuinamente chocante. Mesmas especificações nominais, comportamento completamente diferente em testes de abuso.

O que procurar se você estiver avaliando umfornecedor de bateria de lítio industrial:

• Peça vídeos de teste de penetração de unhas. Não são folhas de dados-vídeos reais. Células boas fumegam e sibilam. Chama de jato de células ruins.
• Verifique as especificações do separador. Separadores com revestimento-de cerâmica lidam melhor com o estresse térmico. Mudamos para revestimento-de cerâmica exclusivamente em 2019, depois que um lote ruim de separadores convencionais causou três falhas de campo em um trimestre.
• Os aditivos eletrolíticos são importantes. Aditivos retardadores de chama, aditivos de proteção contra sobrecarga-isso não é marketing, é a diferença entre uma célula que falha normalmente e outra que falha violentamente.

Passamos dois anos qualificando nosso atual fornecedor de células. Visitei a fábrica quatro vezes. Assisti ao processo de controle de qualidade. É um trabalho chato, mas é por isso que dormimos à noite.

O BMS é o cérebro da bateria, monitorando tensão, corrente e temperatura.

BMS: o cérebro que mantém tudo vivo

Sejamos realistas,-um BMS pode ser qualquer coisa, desde uma solução de-chip único de US$ 15 até um sistema de múltiplas-placas com redundância, de US$ 500. Você recebe o que você paga.

Problemas baratos de BMS que vimos:

• Precisão de medição de tensão de ±30mV. Em uma célula com 100mV entre “cheia” e “perigosamente sobrecarregada”, isso não é suficiente.
• Sem balanceamento celular ou apenas balanceamento passivo. O balanceamento passivo a 50mA leva literalmente semanas para corrigir um desequilíbrio significativo.
• Projetos de-ponto-único-de falha. Um MOSFET morre, o pacote inteiro fica desprotegido.
• Nenhum sensor de temperatura ou um sensor para todo o pacote. Gradientes térmicos dentro de um pacote de 20 kWh podem facilmente atingir 15 graus. Um sensor não diz nada.

O que um BMS adequado faz:

• Monitora cada tensão de célula individualmente. Não no nível-do módulo, mas no nível-da célula.
• Balanceamento ativo em correntes significativas (executamos 1A+ em nossos pacotes)
• Vários sensores de temperatura com registro de posição
• Detecção de corrente precisa o suficiente para fazer uma contagem real de Coulomb
• Comunicação com carregador para proteção coordenada
• O backup de hardware é desconectado independente do processador principal

A diferença de custo entre um BMS de lixo e um adequado pode ser de US$ 200-300 em uma empilhadeira. O pacote custa US$ 8,000+. A empilhadeira custa US$ 30,000+. O armazém onde ele fica vale... você vê onde isso vai dar.

Quando os clientes nos pedem conselhos sobre a escolha de umfabricante de bateria de lítio, dizemos a eles: perguntem sobre o BMS. Peça para ver o esquema. Se eles não mostrarem a você, vá embora.

Controle de carregamento: onde a maioria dos incêndios realmente começa

Já mencionamos isso, mas vale a pena repetir. Carregar é perigoso.

Esta é a aparência da proteção de carregamento adequada:

Carregamento-com compensação de temperatura.Abaixo de 0 grau? Não carregue ou carregue com corrente drasticamente reduzida. Acima de 45 graus? O mesmo acordo. Isso não é opcional. Nossos pacotes padrão nem aceitam carga abaixo de -10 graus - o BMS simplesmente se recusa a fechar o contator de carga.

Observação lateral: os vendedores prometeram aos clientes “capacidade de carregamento de -20 graus” e a engenharia teve que explicar por que isso não está acontecendo. O revestimento de lítio é o revestimento de lítio. A física não se importa com sua meta de vendas.

Terminação-baseada em tensão com margem.Se as células forem classificadas como 3,65 V no máximo, terminamos em 3,60 V. Sim, você perde talvez 2-3% da capacidade utilizável. Você também não explode. Boa troca.

Proteção passiva: quando as coisas dão errado de qualquer maneira

Veja, podemos construir os melhores sistemas de proteção do mundo e algumas coisas ainda falharão ocasionalmente. Um caminhão passa por cima de sua bateria. Uma inundação causa um curto-circuito nos componentes eletrônicos. Alguém ignora todos os avisos e força uma cobrança a -30 graus porque a entrega tem que ser cancelada.

A proteção passiva trata de limitar os danos quando a proteção ativa falha.

Barreiras térmicas

Entre células, entre módulos e ao redor do exterior da embalagem. O objetivo não é interromper a fuga térmica-uma vez iniciada, ela está em andamento. O objetivo é retardar a propagação para que você tenha tempo de reagir.

Utilizamos uma combinação de folhas de fibra cerâmica entre o módulo e mantas de aerogel nas paredes internas. Não é barato. Mas quando uma célula sai, as células adjacentes têm 30-60 segundos extras antes de atingirem a temperatura crítica. Muitas vezes, esse tempo é suficiente para que os sistemas de supressão sejam ativados ou para que o conjunto se desconecte e ventile com segurança.

Para qualquer pessoa que compre de umFornecedor de soluções de bateria LiFePO4, pergunte sobre as especificações da barreira térmica. Se eles não puderem informar a condutividade térmica e a resistência à ignição de seus materiais de barreira, isso é um sinal de alerta.

Supressão de incêndio

Para instalações-de alto valor, você deseja supressão dedicada. Extintores de incêndio padrão não funcionam bem com baterias de lítio-o fogo é interno, causado por reações de auto{3}}aquecimento que a água não consegue parar.

Trabalhamos com sistemas de supressão que usam agentes baseados em perfluorohexanona-. Eles resfriam as células enquanto interferem quimicamente na combustão. Não é perfeito, mas dramaticamente melhor do que tentar pulverizar CO2 em uma reação química interna.

Mas conversa real: a supressão é o último recurso. Se o seu sistema de supressão for ativado, sua bateria já está estragada. Você está apenas limitando os danos colaterais nesse ponto. Melhor nunca precisar disso.

Projeto de gabinete

O gabinete precisa fazer várias coisas:

• Contenha quaisquer gases de ventilação e afaste-os das pessoas
• Sobreviva ao abuso mecânico (pacotes de empilhadeiras caem, batem, batem em coisas)
• Manter a classificação IP mesmo após impactos
• Permitir a dissipação de calor durante a operação normal enquanto contém calor durante eventos térmicos

Especificamos gabinetes de aço com caminhos de ventilação direcionados para todas as nossas aplicações de empilhadeiras. O caminho da ventilação é importante-você não deseja que o gás superaquecido seja direcionado ao operador ou a materiais inflamáveis.

Diagnóstico de falhas: detectando problemas antes que se tornem incêndios

Esta é a parte que separa os sistemas de bateria sérios dos baratos.

O monitoramento-em tempo real detecta perigos imediatos-queda de tensão durante a descarga significa que algo está em curto; O aumento da temperatura durante o carregamento significa que algo está errado. Estes necessitam de uma resposta protetora imediata.

Mas o que tem valor é a análise de tendências. Uma célula que é consistentemente 5 graus mais quente que suas vizinhas provavelmente tem resistência interna elevada. Não é perigoso hoje. Será daqui a seis meses. Um bom BMS registra esses dados, sinaliza a tendência e permite resolvê-la durante a manutenção programada, em vez de durante um incêndio no armazém.

Fazemos coletas mensais de dados em todos os pacotes{0}implantados da nossa frota. Já detectamos falhas em desenvolvimento pelo menos uma dúzia de vezes que teriam se tornado falhas de campo se ignoradas. Um pacote mostrou uma única célula flutuando a 20mV de altura durante três meses. Extraí, inspecionei e encontrei-degradação do separador em estágio inicial. Substituído o módulo, o pacote ainda funciona bem dois anos depois.

Se você estiver conversando com um potencialparceiro OEM de bateria de lítio, pergunte sobre suas capacidades de diagnóstico. Peça para ver exemplos de relatórios de dados da frota. Se eles não puderem mostrar análises de tendências e dados de manutenção preditiva, o BMS provavelmente estará apenas monitorando limites básicos,-que é o mínimo.

Padrões e o que eles realmente significam

UN38.3, IEC 62619, UL 1973 – você verá essas certificações em todos os lugares. Aqui está a verdade incômoda: passar nesses padrões significa que sua bateria atende aos requisitos mínimos. Isso não significa que seja bom.

Testamos pacotes de concorrentes que tinham todas as certificações e ainda assim falharam nos testes básicos de abuso que realizamos-internamente. Os padrões são um piso, não um teto.

Dito isto, se um fornecedor não puder mostrar esses certificados, fuja. São apostas de mesa. Apenas não presuma que certificação é igual a qualidade.

Nossos testes internos vão além dos requisitos padrão. Limites de temperatura mais baixos. Maior abuso atual. Ciclagem térmica estendida. Queremos saber como nossos pacotes falham, e não apenas se eles passaram em um teste específico.

Para clientes que precisam de configurações personalizadas-tensões incomuns, formatos específicos, integração com sistemas proprietários-trabalhando com umfabricante de bateria de lítio personalizadaquem faz esse tipo de teste estendido vale o prêmio. A certificação informa que o pacote atende ao código. O teste estendido informa como ele realmente funcionará em seu aplicativo.

O que realmente recomendamos

Depois de tudo isso, o que você realmente deve fazer se estiver especificando baterias para aplicações industriais?

Honestamente, esta indústria melhorou muito nos últimos cinco anos. Quando começamos, metade dos pacotes no mercado eram basicamente bombas-relógio. Agora, os fornecedores mais sérios estão construindo sistemas razoavelmente seguros. Mas "razoavelmente seguro" ainda deixa espaço para o tipo de corte-de custos que causa incêndios. Seu trabalho é descobrir quais fornecedores estão realmente fazendo o trabalho e quais estão apenas marcando caixas.

A segurança da bateria não é sexy. Não é um bom marketing. Ninguém nunca comprou uma empilhadeira porque a bateria tinha grande resistência à propagação de fuga térmica.

Mas se errar, todo o resto deixará de ter importância rapidamente. Construímos nossa reputação com base em pacotes que funcionam, ano após ano, em condições que matariam sistemas mais baratos. É isso que você deve procurar em qualquer fornecedor que avaliar.

Questões? Estamos sempre dispostos a conversar sobre aplicações específicas. É para isso que estamos aqui.