O que é sobretensão?
Recebi uma ligação de um integrador de matilha em Ohio na última terça-feira. Eles tinham um pacote 14S LFP que voltou de uma instalação solar com duas células lendo 3,91V. LFP. Nunca deve ver nada acima de 3,65 V em uso normal. As células pareciam boas vistas de fora, mas quando abrimos uma delas, a folha do cátodo ficou marrom nas bordas. Danos de sobrecarga clássicos.
Acontece que eles estavam usando um carregador-de chumbo-ácido. O cliente trocou porque o original morreu. O carregador de chumbo-ácido de 48 V fornece flutuação de 58,4 V. Em um pacote 14S LFP que atinge 4,17 V por célula. Não é um problema para{10}}chumbo ácido. Grande problema para a LFP.
Esse tipo de coisa acontece mais do que as pessoas admitem.
Sobretensão significa empurrar uma célula além de sua tensão de carga nominal máxima. O número depende da química. NMC e NCA atingem 4,20V. Algumas variantes de NMC de alta-energia são classificadas para 4,35 V, mas essas são células especiais e você precisa saber o que está fazendo com elas. A química LFP tem um teto de 3,65V. LTO está em torno de 2,85V. Esses números vêm da folha de dados do fornecedor de células. Ignore-os e você terá problemas.
Degradação celular interna
O que acontece dentro da célula sob sobretensão não é complicado. O material do cátodo quer liberar oxigênio quando você extrai muito lítio dele. Esse oxigênio reage com o eletrólito. Enquanto isso, o metal de lítio começa a se depositar na superfície do ânodo porque o grafite não consegue absorver íons com rapidez suficiente. O revestimento é ruim por dois motivos. É uma perda de capacidade irreversível e cria dendritos que podem eventualmente causar curto-circuito na célula internamente.
Muitas pessoas pensam que há margem incorporada na especificação de 4,20V. Não existe.
Os fabricantes de células estabelecem esse limite no ponto em que a degradação se torna inaceitável. Ir para 4,25 V uma vez provavelmente é bom. Ir até lá a cada ciclo matará a célula em algumas centenas de ciclos, em vez de alguns milhares. Indo acima de 4,30 V, você poderá não obter algumas centenas de ciclos. Já vi células incharem a 4,35 V após uma única carga. Depende da célula.
O papel do BMS
O BMS deveria capturar isso. Cada célula do pacote recebe seu próprio fio sensor. O chip AFE lê todas as tensões das células e compara com um limite. Se alguma célula passar, o carregamento é interrompido. Muito simples.
Exceto que o BMS pode falhar. Eu vi placas BMS com juntas de solda fria nos conectores dos fios sensoriais. Uma célula para de reportar e o firmware é padronizado como zero em vez de sinalizar uma falha. Já vi chips AFE que perdem a calibração devido à temperatura. O BQ76940 da TI é geralmente sólido, mas o BQ76925 mais antigo teve problemas com a mudança de referência interna. Chips AFE chineses mais baratos podem estar em todo lugar.
O equilíbrio é mais importante do que as pessoas pensam. Um pacote com dez células em série terá alguma capacidade dispersa. Uma célula atinge carga total antes das outras. Se o balanceamento for muito lento, a célula alta fica em 4,20 V enquanto a corrente continua fluindo para o pacote. A voltagem naquela célula aumenta. Com o balanceamento passivo, você fica limitado pela quantidade de calor que pode despejar através dos resistores de purga. A maioria dos projetos executa corrente de equilíbrio de 50mA a 100mA. Se suas células forem incompatíveis em mais do que alguns por cento, isso pode não ser suficiente.
O equilíbrio ativo move a carga das células altas para as células baixas, em vez de queimá-la. Mais caro. Mais complexo. Faz sentido para pacotes grandes onde a energia desperdiçada aumenta ou para aplicações onde você não pode tolerar qualquer distribuição de capacidade.
O design do carregador é a outra metade da equação. Um conversor de comutação com regulação de feedback desleixada irá ultrapassar com carga leve. Eu medi carregadores que emitem 42,5 V quando o pacote consome menos de 100 mA perto do fim da carga. Esse meio volt extra distribuído em dez células é de 50mV cada. Não é um desastre, mas se soma às outras tolerâncias.
A compensação de temperatura no carregador também é importante. As células de lítio devem carregar com uma voltagem mais baixa quando quentes. Alguns carregadores ajustam o ponto de ajuste CV com base em um termistor. A maioria dos baratos não. Um pacote exposto ao sol a 45 ° C e carregado com os 4,20 V normais por célula está efetivamente sendo sobrecarregado.
Duas camadas de proteção são melhores que uma. O BMS monitora as tensões das células. Um IC de proteção secundário pode monitorar a tensão do pacote e cortar um FET se algo der errado. Para o bando de Ohio que iniciou toda essa discussão, nenhum dos dois existia. Eles tinham um BMS idiota que só fazia balanceamento. Sem proteção. O cliente presumiu que o carregador daria conta do recado. Suposição ruim.
Lista de verificação de projeto
Se você estiver projetando pacotes, a lista de verificação é bem curta.
- Use um BMS com OVP-de nível de célula real.
- Defina o limite com alguma margem, talvez 4,18 V para NMC.
- Certifique-se de que o equilíbrio possa acompanhar a propagação de suas células.
- Qualifique o carregador em todo o seu envelope operacional e não apenas na temperatura ambiente da bancada.
- Adicione um caminho de proteção secundário se o aplicativo justificar.
O pacote de Ohio está sendo reconstruído com um BMS adequado e um carregador especificado para LFP. Lição cara. Poderia ter sido pior. Ninguém se machucou e nada pegou fogo. Nem sempre é assim que essas histórias terminam.
