Úvod
Dovoľte mi začať s priznaním: Vypálil som viac batérií, ako by som si chcel priznať. Od prvých laboratórnych prototypov v 90. rokoch až po vysokonapäťové systémy v solárnych farmách som videl, ako lítiové články bublajú, NiMH akumulátory napučiavajú a olovené kyseliny syčia ako rozzúrené kanvice - a to všetko kvôli jednej klamlivo jednoduchej premennej: napätie.
Napätie batérie nie je len číslo na štítku. Je to strážca toku energie, neviditeľná hranica medzi výkonom a katastrofou. A predsa je nadmerné napätie jedným z najčastejších podceňovaní zabijaci v dnešných batériových systémoch. Väčšina ľudí sa zameriava na hlboké vybíjanie a myslí si, že skutočným nepriateľom je podpätie. Ale verte mi - príliš vysoké napätie je ako nafúknutie pneumatiky bez manometra: skôr či neskôr praskne.
Na rozdiel od podpätia, ktoré často len dočasne vypne systém, prepätie môže spôsobiť nezvratné chemické a tepelné poškodenie. Táto príručka nie je bežnou brožúrou o bezpečnosti nabíjania. Je to to, čomu by som si želal, aby rozumelo viac inžinierov, domácich majstrov a systémových integrátorov: čo sa skutočne stane, keď napätie prekročí hranicu, prečo sa to stane a ako to môžete zachytiť skôr, než sa vaša batéria zapáli (alebo horšie).
Výrobcovia 12 V lítiových batérií
Prečo je dôležité napätie batérie: Veda, ktorá za tým stojí
Napätie je klzké zviera. Technicky je to rozdiel potenciálov medzi dvoma svorkami. Ale v krajine batérií je to zástupný ukazovateľ energetického stavu, správanie sa v chemickej fáze a tepelné riziko - všetko v jednom.
Každá chemická zložka batérie má "komfortnú zónu" napätia, po prekročení ktorej začínajú prevládať vedľajšie reakcie. Tu je stručný odkaz:
| Chémia batérie | Nominálna hodnota V/bunka | Maximálne nabíjanie V/článok | Riziko prepätia |
|---|
| 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 |
| Olovený akumulátor | 2.0 V | ~2.40 V | > 2.45 V |
Dokonca aj 0,05 V nad max. môže mať časom katastrofálne následky. Tieto čísla som považoval za návod. Potom som začal vymieňať nafúknuté LiFePO₄ packy a čistiť úniky elektrolytu. Napäťové limity nie sú odporúčania - sú to hranice prežitia.
V letectve majú piloti termín: "zákruta rakvy". Je to úzka zóna, kde príliš pomalá alebo príliš rýchla letecká rýchlosť znamená haváriu. Nadmerné napätie je kútik s rakvou sveta batérií.
Bežné príčiny prepätia v batériových systémoch
Väčšina prepäťových udalostí je spôsobená konštrukčné nedopatrenia, poruchy kontroly nabíjania, alebo drsné podmienky systému. Obvyklí podozriví:
- Nesprávny alebo chýbajúci systém riadenia batérie (BMS)
- Chybná regulácia MPPT alebo solárnej nabíjačky
- Miešanie článkov s rôznym chemickým zložením alebo stavom nabitia
- Zlyhané obvody obmedzujúce prúd
- Regeneračné brzdenie v elektrických vozidlách, ktoré dodávajú prúd do plného balíka
Rekuperačné brzdenie, si zaslúži pochvalu. V elektrických vozidlách bez riadneho obmedzenia regeneračného prúdu, spätné EMP z motorov počas prudkého spomalenia môže prekročiť menovité napätie balenia, najmä ak je batéria už plne nabitá. Je to ako snažiť sa natlačiť viac vody do už plného balóna - hádajte, čo sa stane?
Čo sa deje z fyzikálneho a chemického hľadiska, keď je napätie príliš vysoké?
Tu sa guma stretáva s cestou - alebo skôr elektrolyt s iskrou.
Prepätie spôsobuje kaskádu poškodení:
- Rozklad elektrolytu Rozpúšťadlá ako EC a DMC sa rozkladajú, pričom vzniká plyn a tlak.
- Lítiové pokovovanie Kovové usadeniny lítia na povrchu anódy, najmä počas rýchleho nabíjania alebo pri nízke teploty, kde sa spomalí interkalácia iónov.
- Hromadenie plynu a opuch Uzavreté obaly sa môžu nafúknuť ako vankúše. Videl som, ako sa balenia otvárajú ako Jiffy Pop na sporáku.
- Vnútorné šortky Dendrity z lítia môžu preraziť separátory.
- Tepelný únik Keď sa nahromadí dostatočné množstvo tepla, hra sa skončí. Reťazová reakcia zapáli horľavý elektrolyt.
Ani takzvané "bezpečné chemikálie", ako napríklad LiFePO₄, nie sú imúnne voči zneužitiu - sú len viac odpúšťať, nie je neporaziteľný.
Účinky na rôzne typy batérií
LiFePO₄ (LFP)
- Bezpečnejšie ako iné varianty Li-ion vďaka stabilite fosfátovej chémie.
- Napriek tomu, nad 3,65 V/článok, dochádza k tvorbe plynu a napučaniu.
- Dlhodobé zneužívanie vedie k úbytku kapacity a vnútornému poškodeniu.
Li-ion (NMC, LCO)
- Extrémne citlivé na prepätie.
- Pri napätí nad 4,25 V/článok očakávajte rozpad elektrolytu, plyn, pokovovanie lítia a potenciálny požiar.
- Práve odtiaľto pochádzali pred rokmi neslávne známe "požiare na hoverboarde".
NiMH
- Príčiny nadmerného nabíjania splyňovanie a zvyšovanie tlaku.
- Môže dôjsť k roztrhnutiu plášťa, ale zvyčajne sa nezapáli kvôli vodnému elektrolytu.
- Dobrá BMS a snímače teploty pomáhajú zmierniť.
Poznámka: NiMH netrpí tepelným únikom ako Li-ion, ale stále sa môže prudko vypustiť ak sa opakovane prebíja.
Olovený akumulátor
- Nadmerné napätie poháňa elektrolýza vody, pričom sa uvoľňuje vodík a kyslík.
- Tým sa vyčerpáva elektrolyt, degradujú dosky a v uzavretých typoch, riziká výbuchu ak sa odvzdušnenie nepodarí.
Reálne príznaky a varovné signály prepätia
Ak vidíte niektorú z nich, okamžite zastaviť nabíjanie:
- Opuchnutý alebo nafúknutý kryt batérie
- Nezvyčajné teplo počas nabíjania alebo po ňom
- Chemický alebo spálený zápach
- Únik alebo zvyšky v blízkosti svoriek
- Zobrazenie "OV" alebo "Vysoké napätie"
- Neočakávané vypnutie BMS alebo chybové kódy meniča
Pokročilé systémy BMS často zaznamenávanie DTC (diagnostických kódov porúch) cez rozhrania CAN alebo UART - neignorujte ich. Nie sú to len "závady" - sú to červené vlajky.
Vplyv na pripojené zariadenia a bezpečnosť systému
Prepätie neškodí len batérii. Umiestňuje celý systém v ohrození:
- Poškodené stopy PCB, regulátory a kondenzátory
- Spustenie prepäťovej ochrany (OVP) v solárnych striedačoch, ktoré spôsobuje vypnutie systému
- V DC-spojených zostavách sa môže porucha jedného balíka kaskádovito šíriť po celej zbernici
V jednom projekte solárnej farmy zle nakonfigurovaný MPPT umožnil, aby sa napätie 96 V v Li-ion akumulátore zvýšilo nad 100 V. Výsledok? Nielenže batéria napučala, ale menič vyprážal svoj vstupný stupeň. To je päťciferná suma.
Ako zabrániť prepätiu v batériových systémoch
Tomuto všetkému sa môžete vyhnúť pomocou spoľahlivého dizajnu a osvedčených postupov:
- Použite spoľahlivá BMS s monitorovaním na úrovni buniek
- Nastavenie horné limity napätia v MPPT, striedačoch a nabíjačkách
- Vyhnite sa miešaniu buniek s rôznym SoC, vekom alebo chemickým zložením
- Zahrnúť snímače teploty-tolerancia napätia klesá v chladných podmienkach
- Použite prednabíjacie obvody pri pripájaní veľkých balíkov
Vážne: väčšina katastrofických zlyhaní, ktoré som videl v teréne, mohla byť vyhnúť s \$20 smart BMS.
Čo robiť pri podozrení na prepätie (krok za krokom)
- Okamžite zastavte nabíjanie.
- Nechajte balenie vychladnúť prirodzene - ak dochádza k odvetrávaniu, nepokúšajte sa používať ventilátory.
- Meranie svorkového napätia a skontrolovať anomálie v jednotlivých bunkách.
- Kontrola balenia pre opuch, syčanie alebo zvyšky.
- Zaznamenajte všetky kódy BMS alebo meniča.
- Ak balenie vykazuje fyzické poškodenie, správne zlikvidovať alebo recyklovať..
Nikdy sa nepokúšajte nabíjať alebo opätovne používať lítium-iónový článok, ktorý vykazuje opuch alebo ventiláciu - hrozí nebezpečenstvo požiaru.
Záver
Prepätie nemusí vždy spôsobiť okamžitý ohňostroj, ale je to tikajúca časovaná bomba. Či už prevádzkujete solárny prístrešok alebo flotilu vysokozdvižných vozíkov, riadenie napätia nie je voliteľné. Je to kritická úloha.
Komponenty si vyberajte s rozvahou. Prispôsobte chemický zloženie svojej nabíjačke. A predovšetkým...rešpektovať napätie.
Často kladené otázky
Otázka 1: Je nebezpečné, ak napätie batérie mierne prekročí menovitú hodnotu?
Áno. Dokonca aj 0,05 V na článok nad špecifikácioučasom urýchľuje degradáciu. Nie je to len jednorazový nárast, ktorý je dôležitý - je to kumulatívna expozícia.
Otázka 2: Aké napätie je príliš vysoké pre 12 V LiFePO₄ batériu?
Obvykle je absolútnym limitom nabíjania 14,6 V (3,65 V × 4 články). Čokoľvek nad 14,7 V riziká tvorby plynu a napučiavania.
Otázka 3: Môže nadmerné napätie spôsobiť výbuch batérie?
Áno - najmä s lítium-iónovým akumulátorom. Ale nejde len o samotné napätie, ale aj o reťazová reakcia, ktorú spúšťa.: plyn → teplo → prasknutie → požiar.
Inteligentné systémy BMS (napr. Daly, JBD), monitory batérií Victron a riešenia na báze bočníkov, ako napr. Monitory batérií Renogy všetku pomoc.
Otázka 5: Mám prestať nabíjať, keď počujem syčanie alebo vidím opuch?
Absolútne. V čase, keď to uvidíte alebo budete počuť, škody už vznikajú. Okamžite odpojte zástrčku a skontrolujte ju.