Bevezetés
Hadd kezdjem egy vallomással: Több akkumulátort sütöttem már ki, mint amennyit be akarok vallani. A 90-es évek korai laboratóriumi prototípusaitól kezdve a napenergia-farmok nagyfeszültségű rendszereiig láttam, ahogy a lítiumcellák buborékosodnak, a NiMH-akkuk duzzadnak, és az ólom-savak sziszegnek, mint a dühös vízforralók - mindezt egy megtévesztően egyszerű változó miatt: feszültség.
Az akkumulátor feszültsége nem csak egy szám a címkén. Ez az energiaáramlás kapuőre, a láthatatlan vonal a teljesítmény és a katasztrófa között. És mégis, a túlfeszültség az egyik legsúlyosabb alábecsült gyilkosok az akkumulátoros rendszerekben. A legtöbben a mélykisülésekre koncentrálnak, és azt gondolják, hogy az alulfeszültség az igazi ellenség. De higgye el, a túl nagy feszültség olyan, mintha túlságosan felfújnánk egy gumiabroncsot nyomásmérő nélkül: előbb-utóbb kipukkad.
Ellentétben az alulfeszültséggel, amely gyakran csak ideiglenesen kapcsolja ki a rendszert, a túlfeszültség visszafordíthatatlan kémiai és termikus károsodást okozhat. Ez az útmutató nem egy átlagos "töltésbiztos" brosúra. Azt kívánom, bárcsak több mérnök, barkácsoló és rendszerintegrátor értené meg: mi történik valójában, amikor a feszültség átlépi a vonalat, miért történik ez, és hogyan lehet elkapni, mielőtt az akkumulátor kigyullad (vagy még rosszabb).
12 voltos lítium akkumulátor gyártók
Miért számít az akkumulátor feszültsége: A tudomány mögötte
A feszültség egy csúszós fenevad. Technikailag két kapocs közötti potenciálkülönbség. De az akkumulátorok földjén ez egy az energiaállapot helyettesítője, a kémiai fázisok viselkedése és a termikus kockázat - mindez egybeolvasztva.
Minden akkumulátorkémia rendelkezik egy feszültség "komfortzónával", amelyen túl az oldalreakciók kezdenek dominálni. Íme egy gyors referencia:
| Akkumulátor kémia | Névleges V/Cella | Maximális töltés V/Cell | Túlfeszültség kockázata |
|---|
| 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 |
| Ólomsavas | 2.0 V | ~2.40 V | > 2.45 V |
Még a is. 0,05V a max. idővel katasztrofális lehet. Én ezeket a számokat iránymutatásként kezeltem. Aztán elkezdtem cserélni a felpuffadt LiFePO₄-csomagokat és tisztítani az elektrolit szivárgását. A feszültséghatárok nem ajánlások - ezek túlélési küszöbértékek.
A repülésben a pilótáknak van egy kifejezésük: "koporsó sarok". Ez az a szűk zóna, ahol a túl lassú vagy túl gyors repülés balesetet jelent. A túlfeszültség a akkumulátor világ koporsó sarok.
A túlfeszültség gyakori okai az akkumulátoros rendszerekben
A legtöbb túlfeszültségi esemény a következőkből ered tervezési mulasztások, töltésszabályozási hibák, vagy zord rendszerfeltételek. A szokásos gyanúsítottak:
- Hibás vagy hiányzó akkumulátor-kezelő rendszer (BMS)
- Hibás MPPT vagy napelemes töltő szabályozás
- Különböző kémiai összetételű vagy töltöttségi állapotú cellák keverése
- Meghibásodott áramkorlátozó áramkörök
- Regenerációs fékezés az EV-kben, amely áramot táplál egy teljes csomagba
Regeneratív fékezés, különösen megérdemel egy kiáltást. Az EV-kben megfelelő regen áramkorlátozás nélkül, a motorok által kemény lassításkor keltett ellen-EMF meghaladhatja a csomag feszültségének névleges értékét., különösen akkor, ha a csomag már teljesen feltöltött. Ez olyan, mintha több vizet próbálnánk belegyömöszölni egy már megtelt lufiba - képzeld, mi történik?
Mi történik fizikailag és kémiailag, ha túl magas a feszültség?
Ez az a pont, ahol a gumi találkozik az úttal - vagy inkább ahol az elektrolit találkozik a szikrával.
A túlfeszültség a károsodások kaszkádját hozza létre:
- Elektrolit bomlása Az olyan oldószerek, mint az EC és a DMC lebomlanak, gázt és nyomást generálva.
- Lítium bevonat Fémes lítium lerakódások az anód felületén, különösen a gyorstöltés során vagy a alacsony hőmérséklet, ahol az ioninterkaláció lelassul.
- Gázfelhalmozódás és duzzanat A lezárt csomagok párnaként felfújódhatnak. Láttam már olyan csomagokat, amelyek úgy pattannak ki, mint a Jiffy Pop a tűzhelyen.
- Belső rövidnadrágok A lítiumozásból származó dendritek átszúrhatják a szeparátorokat.
- Termikus elszabadulás Ha elég hő keletkezik, vége a játéknak. A láncreakciók meggyújtják a gyúlékony elektrolitot.
Még az úgynevezett "biztonságos vegyszerek", mint a LiFePO₄ sem immunisak a visszaélésekre - ők csak elnézőbb, nem legyőzhetetlen.
Hatások a különböző akkumulátortípusokra
LiFePO₄ (LFP)
- A foszfátkémia stabilitása miatt biztonságosabb, mint más Li-ion változatok.
- Még mindig, 3,65V/cella felett, gázképződés és duzzadás következik be.
- A hosszú távú visszaélés a kapacitás elhalványulásához és belső károsodáshoz vezet.
Li-ion (NMC, LCO)
- Rendkívül érzékeny a túlfeszültségre.
- 4,25 V/cellán túl számítson az elektrolit meghibásodására, a gáz, a lítium lemezesedés és a potenciális tűz.
- Innen erednek a hírhedt "légdeszka-tüzek" évekkel ezelőtt.
NiMH
- A túltöltés okai gázosodás és nyomásgyakorlás.
- Megrepedhet a burkolat, de a vizes elektrolit miatt általában nem gyullad ki.
- A jó BMS és a hőmérséklet-érzékelők segítenek enyhíteni.
Megjegyzés: A NiMH nem szenved hőkiáramlástól, mint a Li-ion, de még mindig hevesen szellőzhet ha ismételten túltöltődik.
Ólomsavas
- Túlfeszültség meghajtók víz elektrolízis, hidrogént és oxigént szabadítva fel.
- Ez kimeríti az elektrolitot, roncsolja a lemezeket, és a lezárt típusoknál, robbanásveszély ha a szellőztetés meghibásodik.
A túlfeszültség valós tünetei és figyelmeztető jelei
Ha ezek bármelyikét látja, azonnal állítsa le a töltést:
- Megduzzadt vagy felpuffadt akkumulátor burkolat
- Szokatlan melegedés töltés közben vagy után
- Kémiai vagy égett szag
- Szivárgás vagy maradványok a csatlakozók közelében
- A kijelzőn "OV" vagy "High Voltage" jelenik meg.
- Váratlan BMS lekapcsolás vagy inverter hibakódok
A fejlett BMS rendszerek gyakran DTC-k (diagnosztikai hibakódok) naplózása CAN vagy UART interfészeken keresztül - ezeket ne hagyja figyelmen kívül. Ezek nem csak "hibák", hanem vörös zászlók.
A csatlakoztatott berendezésekre és a rendszer biztonságára gyakorolt hatás
A túlfeszültség nem csak az akkumulátort károsítja. Az áramellátás teljes rendszer veszélyben:
- Sérült PCB nyomvonalak, szabályozók és kondenzátorok
- A napelemes inverterek túlfeszültség-védelmének (OVP) kiváltása, ami a rendszer leállítását okozza.
- A DC-kapcsolt rendszerekben egy csomag meghibásodása a buszon keresztül kaszkádszerűen terjedhet.
Az egyik napelempark-projektben egy rosszul konfigurált MPPT lehetővé tette, hogy egy 96 V-os Li-ion csomag 100 V fölé emelkedjen. Az eredmény? Nemcsak az akkumulátor duzzadt meg, hanem az inverter megsütötte a bemeneti fokozatát. Ez egy öt számjegyű hoppá.
Hogyan előzhető meg a túlfeszültség az akkumulátoros rendszerekben?
Mindez elkerülhető szilárd tervezéssel és a legjobb gyakorlatokkal:
- Használjon megbízható BMS cellaszintű megfigyeléssel
- Állítsa be a felső feszültséghatárok az MPPT, inverterek és töltők területén
- Kerülje a különböző SoC, korú vagy kémiai összetételű cellák keverését.
- Tartalmazza a címet. hőmérséklet-érzékelők-feszültségtűrés csökken hideg körülmények között
- Használja a címet. előtöltő áramkörök nagy csomagok csatlakoztatásakor
Komolyan: a legtöbb katasztrofális meghibásodást, amit a terepen láttam, lehetett volna elkerülhető \$20 intelligens BMS-sel.
Mi a teendő túlfeszültség gyanúja esetén (lépésről lépésre)
- Azonnal állítsa le a töltést.
- Hagyja a csomagot lehűlni természetes módon - ne próbáljon ventilátorokat használni, ha szellőzés történik.
- A terminálfeszültség mérése és ellenőrizze a cellánkénti anomáliákat.
- Ellenőrizze a csomagot duzzanat, sziszegés vagy maradványok esetén.
- Naplózza a BMS vagy az inverter kódjait.
- Ha a csomagolás fizikai sérülést mutat, megfelelően ártalmatlanítsa vagy újrahasznosítsa.
Soha ne próbáljon meg újratölteni vagy újra felhasználni olyan Li-ion cellát, amely duzzanatot vagy kilyukadást mutat - ez tűzveszélyes.
Következtetés
A túlfeszültség nem mindig okoz azonnali tűzijátékot - de ez egy ketyegő időzített bomba. Akár egy napelemes fészert, akár egy targonca-flottát üzemeltet, a feszültségkezelés nem opcionális. Ez kritikus fontosságú.
Válassza ki bölcsen az alkatrészeket. Passzolja a vegyszert a töltőhöz. És mindenekelőtt...tartsa tiszteletben a feszültséget.
GYIK
1. kérdés: Veszélyes, ha az akkumulátor feszültsége kissé meghaladja a névleges szintet?
Igen. Még a is. 0,05V cellánként a specifikáció felett, idővel felgyorsítja a degradációt. Nem csak egy egyszeri tüske számít, hanem az, hogy kumulatív expozíció.
2. kérdés: Milyen feszültség túl magas egy 12V-os LiFePO₄ akkumulátor számára?
Általában 14,6 V az abszolút töltési határérték (3,65 V × 4 cella). Bármi, ami ezen felül van 14.7V kockázat gázfejlesztés és duzzadás.
3. kérdés: A túlfeszültség okozhat-e robbanást az akkumulátorban?
Igen - különösen a Li-ion akkumulátorok esetében. De nem csak a feszültségről van szó, hanem a láncreakciót vált ki: gáz → hő → törés → tűz.
Intelligens BMS-rendszerek (pl. Daly, JBD), Victron akkumulátor-monitorok és shunt-alapú megoldások, mint pl. Renogy akkumulátor-monitorok minden segítség.
5. kérdés: Le kell állítani a töltést, ha sziszegést hallok vagy duzzanatot látok?
Abszolút. Mire ezt látod vagy hallod, a kár már megtörtént. Azonnal húzza ki és vizsgálja meg a készüléket.