Úvod
Dovolte mi začít přiznáním: Smažil jsem víc baterií, než bych si chtěl připustit. Od prvních laboratorních prototypů v 90. letech až po vysokonapěťové systémy v solárních farmách jsem viděl, jak lithiové články bublají, NiMH sady bobtnají a olověné kyseliny syčí jako rozzuřené konvice - to vše kvůli jedné ošidně jednoduché veličině: napětí.
Napětí baterie není jen číslo na štítku. Je to strážce toku energie, neviditelná hranice mezi výkonem a katastrofou. A přesto je přepětí jedním z nejčastěji podceňovaní zabijáci v dnešních bateriových systémech. Většina lidí se zaměřuje na hluboké vybíjení a myslí si, že skutečným nepřítelem je podpětí. Ale věřte mi - příliš vysoké napětí je jako přefouknutí pneumatiky bez tlakoměru: dříve nebo později praskne.
Na rozdíl od podpětí, které často pouze dočasně vyřadí systém z provozu, přepětí může způsobit nevratné chemické a tepelné poškození.. Tento průvodce není průměrnou brožurou o bezpečnosti nabíjení. Je to to, čemu bych si přál, aby rozumělo více inženýrů, kutilů a systémových integrátorů: co se skutečně stane, když napětí překročí hranici, proč se to stane a jak to můžete zachytit, než se vaše baterie vznítí (nebo hůř).
Výrobci lithiových baterií 12 V
Proč záleží na napětí baterie: Vědecké poznatky o tom, co se za tím skrývá
Napětí je kluzké zvíře. Technicky vzato je to rozdíl potenciálů mezi dvěma svorkami. Ale v zemi baterií je to proxy pro energetický stav, chování v chemické fázi a tepelné riziko - vše v jednom.
Každá chemická složka baterie má "komfortní zónu" napětí, za kterou začínají převládat vedlejší reakce. Zde je stručný odkaz:
| Chemie baterií | Jmenovitý V/článek | Maximální nabíjení V/článek | Riziko přepětí |
|---|
| Li-ion (NMC) | 3.7 V | 4.20 V | > 4.25 V |
| LiFePO₄ | 3.2-3.3 V | 3.65 V | > 3.65-3.70 V |
| NiMH | 1.2 V | ~1.45 V | > 1.50 V |
| Olověný akumulátor | 2.0 V | ~2.40 V | > 2.45 V |
Dokonce i 0,05 V nad max. může mít časem katastrofální následky. Dříve jsem tato čísla považoval za vodítko. Pak jsem začal vyměňovat nafouklé LiFePO₄ packy a čistit úniky elektrolytu. Mezní hodnoty napětí nejsou doporučení - jsou to prahové hodnoty pro přežití.
V letectví mají piloti termín: "zatáčka s rakví". Je to úzké pásmo, kde příliš pomalý nebo příliš rychlý let znamená havárii. Přepětí je koutek s rakví světa baterií.
Běžné příčiny přepětí v bateriových systémech
Většina přepěťových událostí je způsobena přehlédnutí při navrhování, poruchy kontroly nabíjení, nebo drsné podmínky systému. Obvyklí podezřelí:
- Nesprávný nebo chybějící systém řízení baterie (BMS)
- Chybná regulace MPPT nebo solární nabíječky
- Míchání článků s různými chemickými vlastnostmi nebo stavy nabití
- Selhání proudových omezovacích obvodů
- Regenerační brzdění u elektromobilů dodávajících proud do plného akumulátoru
Rekuperační brzdění, si zaslouží pochvalu. U elektrických vozidel bez řádného omezení proudu regen, zpětné elektromagnetické pole motorů při prudkém zpomalení může překročit jmenovité napětí balení., zvláště pokud je akumulátor již plně nabitý. Je to jako snažit se nacpat více vody do již plného balónu - hádejte, co se stane?
Co se děje z fyzikálního a chemického hlediska, když je napětí příliš vysoké?
Tady se setkává guma s vozovkou - nebo spíše elektrolyt s jiskrou.
Přepětí způsobuje kaskádu poškození:
- Rozklad elektrolytu Rozpouštědla jako EC a DMC se rozkládají za vzniku plynu a tlaku.
- Pokovování lithiem Kovové lithiové usazeniny na povrchu anody, zejména při rychlém nabíjení nebo při nízké teploty, kde se zpomaluje interkalace iontů.
- Hromadění plynu a otoky Uzavřené obaly se mohou nafouknout jako polštáře. Viděl jsem, jak se balíčky otevírají jako Jiffy Pop na sporáku.
- Vnitřní šortky Dendrity z lithiového pokovení mohou prorazit separátory.
- Tepelný únik Jakmile se nahromadí dostatek tepla, hra končí. Řetězová reakce zapálí hořlavý elektrolyt.
Dokonce ani takzvané "bezpečné chemikálie", jako je LiFePO₄, nejsou imunní vůči zneužití - jsou to pouze shovívavější, nikoliv neporazitelný.
Účinky na různé typy baterií
LiFePO₄ (LFP)
- Bezpečnější než jiné varianty Li-ion díky stabilitě fosfátové chemie.
- Přesto, nad 3,65 V/článek, dochází k tvorbě plynu a bobtnání.
- Dlouhodobé zneužívání vede ke ztrátě kapacity a vnitřnímu poškození.
Li-ion (NMC, LCO)
- Extrémně citlivý na přepětí.
- Při napětí nad 4,25 V/článek očekávejte rozpad elektrolytu, plyn, pokovení lithia a další. potenciální požár.
- Odtud před lety pocházely nechvalně známé "požáry hoverboardů".
NiMH
- Příčiny přebíjení zplynování a zvyšování tlaku.
- Může dojít k prasknutí pláště, ale obvykle se nezapálí kvůli vodnímu elektrolytu.
- Dobrá BMS a teplotní čidla pomáhají zmírnit.
Poznámka: NiMH netrpí tepelným vybíjením jako Li-ion, ale může se stále prudce uvolňovat při opakovaném přebíjení.
Olověný akumulátor
- Nadměrné napětí pohání elektrolýza vodya uvolňuje vodík a kyslík.
- Tím se vyčerpává elektrolyt, degradují desky a u uzavřených typů, rizika výbuchu při poruše odvzdušnění.
Reálné příznaky a varovné signály přepětí
Pokud vidíte některou z těchto možností, okamžitě zastavit nabíjení:
- Zduřelý nebo nafouklý kryt baterie
- Neobvyklé teplo během nabíjení nebo po něm
- Chemický nebo spálený zápach
- Netěsnost nebo zbytky v blízkosti svorek
- Displej zobrazuje "OV" nebo "High Voltage".
- Neočekávané vypnutí BMS nebo chybové kódy měniče
Pokročilé systémy BMS často zaznamenávání DTC (diagnostických kódů poruch) přes rozhraní CAN nebo UART - neignorujte je. Nejsou to jen "závady" - jsou to varovné signály.
Dopad na připojená zařízení a bezpečnost systému
Přepětí neškodí jen baterii. Způsobuje i to, že celý systém ohrožení:
- Poškozené stopy na desce plošných spojů, regulátory a kondenzátory
- Spuštěná přepěťová ochrana (OVP) v solárních střídačích, která způsobuje vypnutí systému.
- U stejnosměrně propojených sestav se může porucha jedné sady kaskádovitě přenést na celou sběrnici.
V jednom projektu solární farmy špatně nakonfigurovaný MPPT umožnil, aby napětí 96V Li-ion akumulátoru stouplo nad 100V. Výsledek? Nejenže se baterie zvětšila, ale měnič usmažil svůj vstupní stupeň. To je pětimístná částka.
Jak zabránit přepětí v bateriových systémech
Tomu všemu se můžete vyhnout díky důkladnému návrhu a osvědčeným postupům:
- Použijte spolehlivá BMS s monitorováním na úrovni buněk
- Sada horní hranice napětí v MPPT, střídačích a nabíječkách
- Vyhněte se míchání buněk s různým SoC, stářím nebo chemickým složením.
- Zahrnout teplotní senzory-tolerance napětí klesá v chladných podmínkách
- Použijte přednabíjecí obvody při připojování velkých balení
Vážně: většina katastrofických selhání, která jsem viděl v terénu, mohla být se vyhnul s \$20 inteligentní BMS.
Co dělat při podezření na přepětí (krok za krokem)
- Okamžitě přestaňte nabíjet.
- Nechte balíček vychladnout přirozeně - pokud dochází k odvětrávání, nepokoušejte se používat ventilátory.
- Měření svorkového napětí a zkontrolovat anomálie v jednotlivých buňkách.
- Kontrola balení zda není oteklý, syčivý nebo zda nezůstávají zbytky.
- Zaznamenejte všechny kódy BMS nebo měniče.
- Pokud balení vykazuje fyzické poškození, správně zlikvidovat nebo recyklovat.
Nikdy se nepokoušejte dobíjet nebo znovu používat lithium-iontový článek, který vykazuje známky bobtnání nebo ventilace - hrozí nebezpečí požáru.
Závěr
Přepětí nemusí vždy způsobit okamžitý ohňostroj - ale je to tikající časovaná bomba. Ať už provozujete solární přístřešek nebo flotilu vysokozdvižných vozíků, řízení napětí není volitelné. Je kriticky důležitá.
Komponenty vybírejte s rozmyslem. Přizpůsobte chemii své nabíječce. A především...respektovat napětí.
Nejčastější dotazy
Otázka 1: Je nebezpečné, když napětí baterie mírně překročí jmenovitou hodnotu?
Ano. Dokonce i 0,05 V na článek nad specifikacíčasem urychluje degradaci. Nezáleží jen na jednorázovém výkyvu - jde o to. kumulativní expozice.
Otázka 2: Jaké napětí je příliš vysoké pro 12V baterii LiFePO₄?
Obvykle je absolutním limitem nabíjení 14,6 V (3,65 V × 4 články). Cokoli nad tuto hranici 14,7V rizika tvorby plynu a bobtnání.
Otázka 3: Může přepětí způsobit výbuch baterie?
Ano - zejména s Li-ion. Ale nejde jen o samotné napětí. řetězová reakce, kterou spouští: plyn → teplo → prasknutí → požár.
Inteligentní systémy BMS (např. Daly, JBD), monitory baterií Victron a řešení na bázi bočníků, jako např. Monitory baterií Renogy veškerou pomoc.
Otázka 5: Mám přestat nabíjet, když slyším syčení nebo vidím otok?
Rozhodně. Než to uvidíte nebo uslyšíte, již dochází ke škodám. Okamžitě odpojte a zkontrolujte.