Johdanto
Aloitan tunnustuksella: Olen paistanut enemmän paristoja kuin haluaisin myöntää. Olen nähnyt 90-luvun varhaisista laboratoriossa tehdyistä prototyypeistä aurinkotilojen suurjännitejärjestelmiin, kuinka litiumkennot kuplivat, NiMH-pakkaukset turpoavat ja lyijyhapot hytisevät kuin vihaiset kattilat - kaikki yhden petollisen yksinkertaisen muuttujan takia: jännite.
Akun jännite ei ole vain numero tarrassa. Se on energiavirran portinvartija, näkymätön raja suorituskyvyn ja katastrofin välillä. Silti ylijännite on yksi suurimmista ongelmista, jotka voivat aliarvioidut tappajat akkujärjestelmissä nykyään. Useimmat keskittyvät syväpurkauksiin ja pitävät alijännitettä todellisena vihollisena. Mutta luota minuun - liian suuri jännite on kuin renkaan puhaltaminen liikaa ilman painemittaria: ennemmin tai myöhemmin se puhkeaa.
Toisin kuin alijännite, joka usein vain kytkee järjestelmän tilapäisesti pois päältä, ylijännite voi aiheuttaa peruuttamattomia kemiallisia ja lämpövaurioita.. Tämä opas ei ole tavallinen "latausturvallinen" esite. Toivoisin, että useammat insinöörit, tee-se-itse-rakentajat ja järjestelmäintegraattorit ymmärtäisivät sen: mitä todella tapahtuu, kun jännite ylittää rajan, miksi se tapahtuu ja miten voit estää sen, ennen kuin akkusi syttyy tuleen (tai pahempaa).
12 voltin litiumparistojen valmistajat
Miksi akun jännitteellä on merkitystä: Sen takana oleva tiede
Jännite on liukas peto. Teknisesti se on potentiaaliero kahden liittimen välillä. Mutta akkualalla se on energiantilan korvike, kemiallisen faasin käyttäytyminen ja lämpöriski - kaikki yhdessä.
Jokaisella akkukemialla on jännitteen "mukavuusalue", jonka ylittyessä sivureaktiot alkavat hallita. Tässä on pikaohje:
| Akun kemia | Nimellinen V/Cell | Maksimilataus V/Cell | Ylijänniteriski |
|---|
| 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 |
| Lyijyhappo | 2.0 V | ~2.40 V | > 2.45 V |
Jopa 0,05V yli maksimi voi olla ajan mittaan tuhoisaa. Käytin näitä lukuja ohjeina. Sitten aloin vaihtaa paisuneita LiFePO₄-pakkauksia ja puhdistaa elektrolyyttivuotoja. Jänniterajat eivät ole suosituksia - ne ovat selviytymiskynnyksiä.
Ilmailussa lentäjillä on termi: "arkunkulma". Se on se kapea alue, jossa liian hidas tai liian nopea lentäminen johtaa onnettomuuteen. Ylijännite on akkujen maailman arkunurkka.
Yleiset ylijännitteen syyt akkujärjestelmissä
Useimmat ylijännitetapahtumat johtuvat suunnittelun laiminlyönnit, latauksenvalvontahäiriöt, tai ankarat järjestelmäolosuhteet. Tavalliset epäillyt:
- Virheellinen tai puuttuva akunhallintajärjestelmä (BMS).
- Viallinen MPPT tai aurinkolaturin säätö
- Eri kemiaa tai varaustilaa olevien kennojen sekoittaminen keskenään
- Virranrajoituspiirien vikaantuminen
- EV-ajoneuvojen sateenkaarijarrutus syöttää virtaa täyteen akkuun.
Regeneratiivinen jarrutusansaitsee erityisesti maininnan. EV-ajoneuvoissa ilman kunnollista regeneraatiovirran rajoitusta, moottoreiden aiheuttama sähkömagneettinen vastavoima kovassa hidastuksessa voi ylittää pakkauksen nimellisjännitteen.varsinkin jos akku on jo ladattu täyteen. Se on kuin yrittäisi tunkea lisää vettä jo täyteen ilmapalloon - arvaa mitä tapahtuu?
Mitä tapahtuu fyysisesti ja kemiallisesti, kun jännite on liian korkea?
Tässä kohtaa kumi kohtaa tien tai pikemminkin elektrolyytti kohtaa kipinän.
Ylijännite aiheuttaa vaurioiden kaskadin:
- Elektrolyytin hajoaminen Liuottimet, kuten EC ja DMC, hajoavat, jolloin syntyy kaasua ja painetta.
- Litium-pinnoitus Metallinen litium kerrostuu anodin pinnalle, erityisesti pikalatauksen aikana tai kun alhaiset lämpötilat, jolloin ionien interkalaatio hidastuu.
- Kaasun kertyminen ja turvotus Suljetut pakkaukset voivat paisua kuin tyynyt. Olen nähnyt pakkausten poksahtavan auki kuin Jiffy Pop liedellä.
- Sisäiset shortsit Litiumpinnoituksesta peräisin olevat dendriitit voivat puhkaista erottimet.
- Lämpökatkos Kun tarpeeksi lämpöä kertyy, peli on ohi. Ketjureaktiot sytyttävät syttyvän elektrolyytin.
Jopa niin sanotut "turvalliset kemikaalit", kuten LiFePO₄, eivät ole immuuneja väärinkäytöksille. anteeksiantavampi, ei voittamaton.
Vaikutukset eri akkutyyppeihin
LiFePO₄ (LFP)
- Turvallisempi kuin muut Li-ionivaihtoehdot fosfaattikemian vakauden ansiosta.
- Silti, yli 3,65V/kenno, kaasunmuodostusta ja turvotusta tapahtuu.
- Pitkäaikainen väärinkäyttö johtaa kapasiteetin haalistumiseen ja sisäisiin vaurioihin.
Li-ion (NMC, LCO)
- Erittäin herkkä ylijännitteelle.
- Yli 4,25 V/kenno, odota elektrolyytin hajoamista, kaasua, litiumin pinnoitusta ja mahdollinen tulipalo.
- Täältä tulivat surullisen kuuluisat "leijulaudan tulipalot" vuosia sitten.
NiMH
- Ylilatauksen syyt kaasuuntuminen ja paineen muodostuminen.
- Voi rikkoa kotelon, mutta ei yleensä syty tuleen vesipitoisen elektrolyytin vuoksi.
- Hyvä BMS ja lämpötila-anturit auttavat lieventämään.
Huomaa: NiMH ei kärsi lämpökatkosta kuten Li-ion, mutta se voi silti purkautua rajusti jos sitä ladataan toistuvasti liikaa.
Lyijyhappo
- Ylimääräinen jännite ajaa veden elektrolyysijolloin vapautuu vetyä ja happea.
- Tämä kuluttaa elektrolyyttiä, heikentää levyjä ja suljetuissa tyyppeissä, räjähdysvaara jos tuuletus epäonnistuu.
Ylijännitteen todelliset oireet ja varoitusmerkit
Jos näet jotain näistä, lopeta lataus välittömästi:
- Turvonnut tai paisunut akkukotelo
- Epätavallinen kuumuus latauksen aikana tai sen jälkeen
- Kemiallinen tai palanut haju
- Vuotoa tai jäämiä liittimien lähellä
- Näytössä näkyy "OV" tai "High Voltage".
- Odottamattomat BMS-katkaisu- tai taajuusmuuttajan virhekoodit
Kehittyneet BMS-järjestelmät usein kirjaa DTC-koodit (diagnostiset vikakoodit). CAN- tai UART-liitäntöjen kautta - älä jätä näitä huomiotta. Ne eivät ole vain "häiriöitä", vaan punaisia lippuja.
Vaikutus liitettyihin laitteisiin ja järjestelmän turvallisuuteen
Ylijännite ei vahingoita vain akkua. Se asettaa koko järjestelmä vaarassa:
- Vaurioituneet piirilevyn jäljet, säätimet ja kondensaattorit.
- Ylijännitesuojan (OVP) laukeaminen aurinkosähkömuuttajissa, mikä aiheuttaa järjestelmän sammumisen.
- Tasavirtakytkentäisissä kokoonpanoissa yhden pakkauksen vika voi levitä koko väylään.
Eräässä aurinkopuistohankkeessa huonosti konfiguroitu MPPT mahdollisti sen, että 96 V:n Li-ion-akku nousi yli 100 V:n jännitteen. Tulos? Paitsi että akku paisui, myös invertteri paistoi sen tulovaiheen. Se on viisinumeroinen hups.
Miten estää ylijännitteen syntyminen akkujärjestelmissä?
Voit välttää tämän kaiken vankalla suunnittelulla ja parhailla käytännöillä:
- Käytä luotettava BMS solutason seuranta
- Aseta jännitteen ylärajat MPPT:ssä, inverttereissä ja latureissa
- Vältä eri SoC:tä, ikää tai kemiaa olevien kennojen sekoittamista.
- Sisällytä lämpötila-anturit-jännitteen sietokyky laskee kylmissä olosuhteissa
- Käytä esilatauspiirit liitettäessä suuria pakkauksia
Vakavasti: useimmat katastrofaaliset epäonnistumiset, joita olen nähnyt kentällä, olisivat voineet olla - vältetään \$20-älykkäällä BMS:llä..
Mitä tehdä, jos epäilet ylijännitettä (askel askeleelta)?
- Lopeta lataus välittömästi.
- Anna pakkauksen jäähtyä luonnollisesti - älä yritä käyttää tuulettimia, jos tuuletus tapahtuu.
- Mittaa päätelaitteen jännite ja tarkista solukohtaiset poikkeavuudet.
- Tarkasta pakkaus turvotusta, sihinää tai jäämiä.
- Kirjaa kaikki BMS- tai invertterikoodit.
- Jos pakkauksessa on fyysisiä vaurioita, hävittää tai kierrättää asianmukaisesti.
Älä koskaan yritä ladata tai käyttää uudelleen Li-ion-kennoa, joka on turvonnut tai jossa on ilmavaivoja - se on palovaara, joka odottaa tapahtuvan.
Päätelmä
Ylijännite ei aina aiheuta välitöntä ilotulitusta, mutta se on tikittävä aikapommi. Jännitteenhallinta ei ole valinnaista, olipa kyseessä sitten aurinkokenno tai trukkilaivasto. Se on kriittinen tehtävä.
Valitse komponentit viisaasti. Sovita kemiaa laturiin. Ja ennen kaikkea...kunnioittaa jännitettä.
UKK
Q1: Onko vaarallista, jos akun jännite ylittää hieman nimellisarvon?
Kyllä. Jopa 0.05V per kenno yli speksinajan myötä nopeuttaa hajoamista. Kyse ei ole vain kertaluontoisesta piikistä - se on kumulatiivinen altistuminen.
Q2: Mikä jännite on liian korkea 12V LiFePO₄-akulle?
Tyypillisesti 14,6 V on absoluuttinen latausraja (3,65 V × 4 kennoa). Kaikki yli 14.7V riskejä kaasuntuotanto ja turvotus.
Kysymys 3: Voiko ylijännite aiheuttaa akun räjähtämisen?
Kyllä - erityisesti Li-ionien kanssa. Mutta kyse ei ole pelkästään jännitteestä, vaan myös sen käynnistämä ketjureaktio: kaasu → kuumuus → repeämä → tulipalo.
Älykkäät BMS-järjestelmät (esim. Daly, JBD), Victronin akkuvalvontalaitteet ja shuntiin perustuvat ratkaisut, kuten seuraavat. Renogy-akkujen valvontalaitteet kaikki apu.
K5: Pitäisikö minun lopettaa lataaminen, kun kuulen sihinää tai näen turvotusta?
Ehdottomasti. Kun näet tai kuulet tämän, vahinko on jo tapahtunut. Irrota pistoke ja tarkasta laite välittömästi.