Uvod
Naj začnem s priznanjem: Skuhal sem več baterij, kot bi si želel priznati. Od zgodnjih laboratorijskih prototipov v 90. letih do visokonapetostnih sistemov v sončnih elektrarnah sem opazoval, kako se litijeve celice mehurčkajo, paketi NiMH nabreknejo, svinčeve kisline pa sipajo kot razjarjeni kotli - vse to zaradi ene zelo preproste spremenljivke: napetost.
Napetost baterije ni le številka na nalepki. Je vratar pretoka energije, nevidna meja med zmogljivostjo in katastrofo. A kljub temu je previsoka napetost ena od najbolj podcenjeni morilci v današnjih baterijskih sistemih. Večina ljudi se osredotoča na globoka praznjenja in meni, da je pravi sovražnik prenizka napetost. Toda verjemite mi - prevelika napetost je kot preveliko napihovanje pnevmatike brez merilnika tlaka: prej ali slej se razpoči.
Za razliko od prenizke napetosti, ki pogosto le začasno onemogoči sistem, prenapetost lahko povzroči nepopravljive kemične in toplotne poškodbe.. Ta vodnik ni običajna brošura o varnem polnjenju. To je tisto, kar bi si želel, da bi razumelo več inženirjev, domačih mojstrov in sistemskih integratorjev: kaj se resnično zgodi, ko napetost preseže mejo, zakaj se to zgodi, in kako lahko to ujamete, preden se baterija vžge (ali kaj hujšega).
Proizvajalci 12-voltnih litijevih baterij
Zakaj je napetost baterije pomembna: Znanost, ki stoji za njo
Napetost je spolzka žival. Tehnično je to razlika potencialov med dvema sponkama. Toda v baterijah je to približek za energijsko stanje, obnašanje v kemični fazi in toplotno tveganje - vse v enem.
Vsaka kemijska sestava baterije ima "območje ugodne napetosti", nad katerim začnejo prevladovati stranske reakcije. Tukaj je kratka referenca:
| Kemija baterije | Nazivni V/Cell | Največje polnjenje V/Cell | Tveganje prenapetosti |
|---|
| 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 |
| Svinčeva kislina | 2.0 V | ~2.40 V | > 2.45 V |
Tudi 0,05 V nad največjo vrednostjo je lahko sčasoma poguben. Včasih sem te številke obravnaval kot smernice. Potem sem začel zamenjevati napihnjene pakete LiFePO₄ in čistiti uhajanje elektrolita. Omejitve napetosti niso priporočila - so mejne vrednosti za preživetje.
V letalstvu imajo piloti izraz: "vogal krste". To je ozko območje, kjer prepočasno ali prehitro letenje pomeni nesrečo. Prenapetost je kotiček za krsto v svetu baterij.
Pogosti vzroki za prenapetost v baterijskih sistemih
Večina prenapetostnih dogodkov je posledica spregledi pri načrtovanju, napake pri nadzoru polnjenjaali težki sistemski pogoji. Običajni osumljenci:
- Nepravilen ali odsoten sistem za upravljanje baterije (BMS)
- Napačna regulacija MPPT ali solarnega polnilnika
- Mešanje celic z različnimi kemijskimi lastnostmi ali različnim stanjem napolnjenosti
- Okvarjena tokokroga za omejevanje toka
- Regeneracijsko zaviranje v električnih vozilih, ki dajejo tok polnemu paketu
Regenerativno zaviranjesi zasluži posebno pozornost. V električnih vozilih brez ustreznega omejevanja toka regeneracije, povratna elektromagnetna napetost motorjev med močnim upočasnjevanjem lahko preseže nazivno napetost paketa., zlasti če je paket že popolnoma napolnjen. To je tako, kot če bi poskušali v že poln balon natlačiti še več vode - uganite, kaj se zgodi?
Kaj se fizikalno in kemično zgodi, ko je napetost previsoka?
Tu se guma sreča s cesto - ali bolje rečeno, elektrolit z iskrico.
Prenapetost povzroči kaskado poškodb:
- Razgradnja elektrolita Topila, kot sta EC in DMC, razpadajo, pri čemer nastajajo plin in tlak.
- Litijska prevleka Na površini anode se nalaga kovinski litij, zlasti med hitrim polnjenjem ali pri nizke temperature, kjer se interkalacija ionov upočasni.
- Kopičenje plina in otekanje Zaprte embalaže se lahko napihnejo kot blazine. Videla sem, da so se paketi odprli kot Jiffy Pop na štedilniku.
- Notranje kratke hlače Dendriti iz litijeve prevleke lahko predrejo separatorje.
- Toplotno izčrpavanje Ko se nabere dovolj toplote, je igre konec. Verižne reakcije vžgejo vnetljiv elektrolit.
Tudi tako imenovane "varne kemikalije", kot je LiFePO₄, niso imune na zlorabe - so le bolj prizanesljiv, ne pa nepremagljiv.
Učinki na različne tipe baterij
LiFePO₄ (LFP)
- Zaradi stabilnosti fosfatne kemije je varnejši od drugih različic litij-ionskih baterij.
- Še vedno, nad 3,65 V/celico, pride do nastajanja plina in nabrekanja.
- Dolgotrajna zloraba vodi do zmanjšanja zmogljivosti in notranjih poškodb.
Li-ion (NMC, LCO)
- Izjemno občutljiv na prenapetost.
- Pri napetosti nad 4,25 V/celico pričakujte razpad elektrolita, plin, litijevo prevleko in potencialni požar.
- Od tod so pred leti izvirali zloglasni "požari na hoverboardih".
NiMH
- Vzroki za prekomerno polnjenje izpuščanje plinov in naraščanje tlaka..
- Ohišje lahko poči, vendar se zaradi vodnega elektrolita običajno ne vžge.
- Dobri BMS in temperaturni senzorji pomagajo ublažiti posledice.
Opomba: NiMH ne trpi zaradi toplotnega bega kot litij-ionski akumulatorji, vendar še vedno se lahko močno sprosti če se večkrat preobremeni.
Svinčeva kislina
- Prekomerna napetost poganja elektroliza vodepri čemer se sprostita vodik in kisik.
- To izčrpava elektrolit, uničuje plošče in pri zaprtih tipih, tveganja eksplozije če prezračevanje odpove.
Simptomi in opozorilni znaki prenapetosti v resničnem svetu
Če vidite katerega od teh, takoj prenehajte s polnjenjem:
- Nabreklo ali napihnjeno ohišje baterije
- Nenavadna toplota med polnjenjem ali po njem
- Vonj po kemikalijah ali zažganih snoveh
- uhajanje ali ostanki v bližini priključkov
- Prikazovalnik prikazuje "OV" ali "Visoka napetost".
- Nepričakovani izklop BMS ali kode napak inverterja
Napredni sistemi BMS pogosto beležite kode DTC (diagnostične kode težav). prek vmesnikov CAN ali UART - ne prezrite jih. To niso le "napake", temveč rdeče zastave.
Vpliv na povezano opremo in varnost sistema
Prenapetost ne škoduje samo bateriji. Zaradi nje se celoten sistem ogroženi:
- Poškodovane sledi tiskanega vezja, regulatorjev in kondenzatorjev
- Sprožitev prenapetostne zaščite (OVP) v solarnih pretvornikih, ki povzroči izklop sistema.
- V napravah z enosmernim tokom se lahko okvara enega paketa kaskadno razširi po celotnem vodilu.
V enem od projektov sončne elektrarne je slabo konfiguriran MPPT omogočil, da je 96-voltni litij-ionski paket presegel 100 V. Rezultat? Ne le, da se je baterija napihnila, ampak tudi inverter je ocvrl svojo vhodno stopnjo. To je petmestna številka.
Kako preprečiti prenapetost v baterijskih sistemih
Vsemu temu se lahko izognete z dobrim oblikovanjem in najboljšimi praksami:
- Uporabite zanesljiv sistem BMS s spremljanjem na ravni celic
- Nastavite zgornje meje napetosti na področju MPPT, inverterjev in polnilnikov
- Izogibajte se mešanju celic različnih SoC, starosti ali kemijskih lastnosti.
- Vključite temperaturni senzorji-napetostna toleranca se zmanjša v hladnih pogojih
- Uporabite tokokrogi za predhodno polnjenje pri povezovanju velikih paketov
Resno: večina katastrofalnih napak, ki sem jih videl na terenu, bi lahko bila izognili z \$20 pametnim BMS.
Kaj storiti ob sumu previsoke napetosti (korak za korakom)
- Takoj prenehajte s polnjenjem.
- Pustite paket, da se ohladi naravno - ne poskušajte uporabljati ventilatorjev, če prihaja do prezračevanja.
- Merjenje napetosti na terminalu in preverite nepravilnosti na celici.
- Preglejte embalažo za nabrekanje, sikanje ali ostanke.
- Zabeležite vse kode BMS ali inverterja.
- Če je embalaža fizično poškodovana, pravilno odstranite ali reciklirajte..
Nikoli ne poskušajte ponovno napolniti ali uporabiti litij-ionske celice, ki je nabreknila ali se je začela zračiti - to je nevarnost požara.
Zaključek
Prenapetost ne povzroči vedno takojšnjega ognjemeta, vendar je tiktakajoča časovna bomba. Upravljanje napetosti ni neobvezno, ne glede na to, ali upravljate solarno lopo ali vozni park viličarjev. Je ključnega pomena.
Pametno izbirajte komponente. Ujemajte kemijske lastnosti s polnilnikom. In predvsem...upoštevajte napetost.
Pogosta vprašanja
V1: Ali je nevarno, če napetost baterije nekoliko presega nazivno vrednost?
Da. Celo 0,05 V na celico nad specifikacijosčasoma pospeši razgradnjo. Pomemben ni le enkraten skok, temveč tudi kumulativna izpostavljenost.
V2: Katera napetost je previsoka za 12V baterijo LiFePO₄?
Običajno je absolutna meja polnjenja 14,6 V (3,65 V × 4 celice). Vse, kar presega 14,7V tveganja proizvodnja plina in nabrekanje.
V3: Ali lahko prenapetost povzroči eksplozijo baterije?
Da - še posebej z litij-ionskimi baterijami. Vendar ne gre samo za napetost, temveč tudi za verižna reakcija, ki jo sproži.: plin → toplota → razpoka → požar.
Pametni sistemi BMS (npr. Daly, JBD), monitorji akumulatorjev Victron in rešitve na osnovi bočnikov, kot so Monitorji baterij Renogy vsa pomoč.
V5: Ali naj preneham polniti, ko slišim sikanje ali vidim otekanje?
Absolutno. Ko boste to videli ali slišali, škoda se že dogaja.. Odklopite vtič in ga takoj preglejte.