¿Qué es la protección de seguridad de la batería?

Permítanme ser honesto desde el principio: la mayoría de los incendios de baterías que hemos visto en esta industria no fueron misteriosos. Eran predecibles. Alguien se saltó una capa de protección para ahorrar $50, o un gerente de compras eligió el BMS más barato en Alibaba, o-y esto sucede más de lo que imaginas-un operador de montacargas dejó el aparato cargando durante la noche en un cobertizo sin ventilación durante el verano.

La protección de la seguridad de la batería no es un concepto de ingeniería abstracto. Es el conjunto de opciones de hardware, software y diseño lo que evita que su paquete de baterías de $15,000 se convierta en un reclamo de seguro de $150,000. O peor.

Llevamos más de una década fabricando paquetes de LiFePO4 para manipulación de materiales y vehículos industriales. Este artículo es básicamente todo lo que desearíamos que alguien nos hubiera dicho cuando empezamos-más algunas lecciones costosas que aprendimos de la manera más difícil.

Las celdas prismáticas de grado industrial requieren sistemas de monitoreo robustos.

Por qué LiFePO4 y por qué todavía necesita protección

He aquí una pregunta que recibimos constantemente de los clientes: "Pensé que el fosfato de hierro y litio era el producto químico seguro. ¿Por qué necesito todo este material de protección?"

Punto justo. LiFePO4 es realmente más seguro que NCM o NCA. La estructura cristalina del olivino no libera oxígeno cuando se calienta, lo que significa que no alimentará su propio fuego como lo hace la química ternaria. Hemos realizado pruebas de penetración de clavos en células de cinco proveedores diferentes.-Las células LiFePO4 normalmente alcanzan unos 150 grados y simplemente se quedan ahí fumando. ¿Células NCM en la misma prueba? Hemos visto llamas de más de 600 grados y reales.

Pero "más seguro" no significa "seguro". Tuvimos un cliente en 2021-una empresa de logística en Guangdong-que pensó que LiFePO4 significaba que no necesitaba monitoreo de temperatura. Ahorré quizás 800 RMB por paquete. Luego llegó agosto, el almacén alcanzó una temperatura ambiente de 45 grados, el sistema de carga no tenía reducción térmica y terminaron con tres paquetes hinchados y uno que realmente se ventilaba. Nadie resultó herido, afortunadamente. Pero ahora son nuestros clientes más entusiastas del BMS con todas las funciones.

Las cosas que realmente causan incendios

Después de ver docenas de fallas en el campo (las nuestras y las de la competencia), esto es lo que realmente sale mal:

La carga es donde ocurren el 70% de los problemas.Sin descarga, sin almacenamiento-cargando. Específicamente:

• Cargando por debajo de 0 grados sin protección de baja-temperatura. Placas de litio sobre el ánodo en lugar de intercalarse correctamente. No puedes verlo sucediendo. Seis meses después, cortocircuito interno, fuga térmica. Un cliente en Harbin aprendió esto de manera costosa.
• Sobrecarga porque la medición de voltaje del BMS se desvió y nadie se dio cuenta. Las celdas clasificadas para 3,65 V se llevan a 3,8 V en cada ciclo. Funciona bien durante tres meses y un día deja de funcionar.
• Cargador-Error de comunicación BMS. El cargador cree que la batería está al 50 % de SOC, pero en realidad la batería está al 95 %. Corriente completa en un paquete casi-lleno. Malos tiempos.

Desequilibrio celular que nadie monitorea.En un paquete 16S, si una celda tiene 50 mAh menos de capacidad que las demás, alcanzará el 100% de SOC antes que el paquete. Sigue pedaleando sin equilibrar, esa celda se sobrecarga cada vez. Hemos visto paquetes que regresan por garantía donde una celda estaba a 3,9 V mientras que el resto estaba a 3,5 V. Eso es un incendio esperando a ocurrir.

Daños mecánicos que comprometan el separador.Las carretillas elevadoras chocan contra las cosas. Esa es simplemente la realidad. Si el impacto daña las células internamente-incluso si la inspección externa parece estar bien-puedes sufrir cortocircuitos internos retrasados. Es por eso que especificamos carcasas de acero para aplicaciones de montacargas, no de aluminio. Sí, es más pesado. Sí, vale la pena.

Protección activa: evitar que comiencen los problemas

La industria divide esto en protección "activa" y "pasiva". Activo significa prevenir que sucedan cosas malas. Pasivo significa control de daños cuando ocurren de todos modos.

Comience con las propias células.

Suena obvio, pero: compra buenas células. Hemos probado células de unos 20 proveedores diferentes a lo largo de los años. La diferencia de calidad es realmente impactante. Mismas especificaciones nominales, comportamiento completamente diferente bajo pruebas de abuso.

Qué buscar si estás evaluando unproveedor de baterías de litio industriales:

• Solicite videos de pruebas de penetración de uñas. No hojas de datos-vídeos reales. Las buenas células fuman y silban. Las células malas lanzan llamas.
• Verifique las especificaciones del separador. Los separadores revestidos de cerámica-manejan mucho mejor el estrés térmico. Cambiamos al revestimiento cerámico-exclusivamente en 2019 después de que un lote defectuoso de separadores convencionales provocara tres fallas en el campo en un trimestre.
• Los aditivos de electrolitos son importantes. Aditivos retardantes de llama, aditivos de protección contra sobrecargas-esto no es marketing, es la diferencia entre una celda que falla elegantemente y otra que falla violentamente.

Pasamos dos años calificando a nuestro actual proveedor de celdas. Visité la fábrica cuatro veces. Observé su proceso de control de calidad. Es un trabajo aburrido pero es por eso que dormimos por la noche.

El BMS es el cerebro de la batería y monitorea el voltaje, la corriente y la temperatura.

BMS: el cerebro que mantiene todo vivo

Seamos realistas:-un BMS puede ser cualquier cosa, desde una solución de un solo-chip de 15 dólares hasta un sistema multiplaca-de 500 dólares con redundancia. Obtienes lo que pagas.

Problemas de BMS baratos que hemos visto:

• Precisión de medición de voltaje de ±30mV. En una celda con 100 mV entre "llena" y "peligrosamente sobrecargada", eso no es suficiente.
• Sin equilibrio de celdas o solo equilibrio pasivo. El equilibrio pasivo a 50 mA tarda literalmente semanas en corregir un desequilibrio significativo.
• Diseños de-punto-de-un solo punto de error. Un MOSFET muere y todo el paquete queda desprotegido.
• Sin sensores de temperatura, o un sensor para todo el paquete. Los gradientes térmicos dentro de un paquete de 20 kWh pueden alcanzar fácilmente los 15 grados. Un sensor no te dice nada.

Qué hace un BMS adecuado:

• Monitorea el voltaje de cada celda individualmente. No nivel de módulo-sino nivel de celda-.
• Equilibrio activo con corrientes significativas (ejecutamos 1A+ en nuestros paquetes)
• Múltiples sensores de temperatura con registro de posición
• Detección de corriente lo suficientemente precisa como para realizar un conteo de culombios real
• Comunicación con el cargador para una protección coordinada.
• La copia de seguridad de hardware se desconecta independientemente del procesador principal

La diferencia de coste entre un BMS de basura y uno adecuado puede ser de 200 a 300 dólares por un paquete de montacargas. El paquete cuesta $8,000+. la carretilla elevadora cuesta $30,000+. el almacén en el que se encuentra vale... ya ves a dónde va esto.

Cuando los clientes nos piden consejo para elegir unfabricante de baterías de litio, les decimos: pregunten por el BMS. Pida ver el esquema. Si no te lo muestran, aléjate.

Control de carga: donde realmente comienzan la mayoría de los incendios

Ya mencionamos esto pero vale la pena repetirlo. Cargar es peligroso.

Así es como se ve la protección de carga adecuada:

Carga con compensación de temperatura-.¿Por debajo de 0 grados? No cargue o cargue con una corriente drásticamente reducida. ¿Más de 45 grados? Mismo trato. Esto no es opcional. Nuestros paquetes estándar ni siquiera aceptan cargas por debajo de -10 grados; el BMS simplemente se niega a cerrar el contactor de carga.

Nota al margen: los vendedores han prometido a los clientes "capacidad de carga de -20 grados" y luego el departamento de ingeniería tiene que explicar por qué eso no sucede. El revestimiento de litio es un revestimiento de litio. A la física no le importa tu objetivo de ventas.

Terminación basada en voltaje-con margen.Si las celdas tienen una potencia máxima de 3,65 V, terminamos en 3,60 V. Sí, se pierde quizás entre un 2 y un 3% de capacidad utilizable. Tampoco explotas. Buen intercambio.

Protección pasiva: cuando las cosas van mal de todos modos

Mire, podemos construir los mejores sistemas de protección del mundo y algunas cosas seguirán fallando ocasionalmente. Un camión pasa por encima de su batería. Una inundación provoca un cortocircuito en la electrónica. Alguien ignora todas las advertencias y fuerza una carga a -30 grados porque la entrega tiene que salir.

La protección pasiva consiste en limitar los daños cuando falla la protección activa.

Barreras térmicas

Entre celdas, entre módulos y alrededor del exterior del paquete. El objetivo no es detener el descontrol térmico-una vez que comienza, continúa. El objetivo es frenar la propagación para que tengas tiempo de reaccionar.

Utilizamos una combinación de láminas de fibra cerámica entre módulo y mantas de aerogel en las paredes interiores. No es barato. Pero cuando una celda falla, las celdas adyacentes tienen entre 30 y 60 segundos adicionales antes de alcanzar una temperatura crítica. Suele ser tiempo suficiente para que se activen los sistemas de supresión o para que el paquete se desconecte y ventile de forma segura.

Para cualquiera que se abastezca de unProveedor de soluciones de baterías LiFePO4, pregunte acerca de las especificaciones de barrera térmica. Si no pueden indicarle la conductividad térmica y la resistencia a la ignición de sus materiales de barrera, eso es una señal de alerta.

Extinción de incendios

Para instalaciones de alto-valor, desea una supresión dedicada. Los extintores de incendios estándar no funcionan bien con baterías de litio.-El fuego es interno y se debe a reacciones de autocalentamiento-que el agua no puede detener.

Hemos trabajado con sistemas de supresión que utilizan agentes basados ​​en perfluorohexanona-. Enfrían las células e interfieren químicamente con la combustión. No es perfecto, pero sí mucho mejor que intentar rociar CO2 en una reacción química interna.

Pero la verdad es que la supresión es el último recurso. Si tu sistema de supresión se activa, tu batería ya está arruinada. En ese momento simplemente estás limitando los daños colaterales. Es mejor no necesitarlo nunca.

Diseño de gabinete

El recinto necesita hacer varias cosas:

• Contenga los gases de ventilación y diríjalos lejos de las personas.
• Sobrevivir al abuso mecánico (los paquetes del montacargas se caen, se golpean, chocan contra cosas)
• Mantenga la clasificación IP incluso después de los impactos
• Permitir la disipación de calor durante el funcionamiento normal y al mismo tiempo contener el calor durante eventos térmicos.

Especificaciones de gabinetes de acero con vías de ventilación dirigidas para todas nuestras aplicaciones de montacargas. La ruta de ventilación es importante-no desea que el gas sobrecalentado se dirija al operador ni a materiales inflamables.

Diagnóstico de fallas: detectar problemas antes de que se conviertan en incendios

Esta es la parte que separa los sistemas de baterías serios de los baratos.

La supervisión-en tiempo real detecta peligros inmediatos-la caída de voltaje durante la descarga significa que algo está en cortocircuito; Los picos de temperatura durante la carga significan que algo anda mal. Estos necesitan una respuesta protectora inmediata.

Pero lo valioso es el análisis de tendencias. Una celda que constantemente es 5 grados más cálida que sus vecinas probablemente tenga una resistencia interna elevada. No es peligroso hoy. Será dentro de seis meses. Un buen BMS registra estos datos, señala la tendencia y le permite abordarlos durante el mantenimiento programado en lugar de durante un incendio en el almacén.

Realizamos extracciones de datos mensuales de todos los paquetes implementados de nuestra flota-. Hemos detectado fallas en desarrollo al menos una docena de veces que se habrían convertido en fallas de campo si se hubieran ignorado. Un paquete mostraba una sola celda con una deriva de 20 mV de altura durante tres meses. Lo extraje, lo inspeccionó y encontró una degradación-del separador en una etapa temprana. Se reemplazó el módulo, el paquete sigue funcionando bien dos años después.

Si estás hablando con un potencialSocio OEM de batería de litio, pregunte sobre sus capacidades de diagnóstico. Solicite ver ejemplos de informes de datos de flotas. Si no pueden mostrarle análisis de tendencias y datos de mantenimiento predictivo, es probable que su BMS solo esté realizando un monitoreo de umbral básico-que es lo mínimo indispensable.

Estándares y lo que realmente significan

UN38.3, IEC 62619, UL 1973: verá estas certificaciones en todas partes. Aquí está la incómoda verdad: pasar estos estándares significa que su batería cumple con los requisitos mínimos. No significa que sea bueno.

Hemos probado paquetes de la competencia que tenían todas las certificaciones y aun así no pasaron las pruebas básicas de abuso que realizamos internamente. Las normas son un piso, no un techo.

Dicho esto, si un proveedor no puede mostrarle estos certificados, huya. Son apuestas de mesa. Simplemente no asuma que la certificación equivale a calidad.

Nuestras pruebas internas van más allá de los requisitos estándar. Límites de temperatura más bajos. Mayor abuso actual. Ciclos térmicos extendidos. Queremos saber cómo fallan nuestras mochilas, no solo si pasan una prueba específica.

Para clientes que necesitan configuraciones personalizadas-voltajes inusuales, factores de forma específicos, integración con sistemas propietarios-trabajar con unfabricante de baterías de litio personalizadasQuien hace este tipo de pruebas extendidas vale la pena. La certificación le indica que el paquete cumple con el código. La prueba extendida le indica cómo funcionará realmente en su aplicación.

Lo que realmente recomendamos

Después de todo esto, ¿qué debería hacer realmente si especifica baterías para aplicaciones industriales?

Honestamente, esta industria ha mejorado mucho en los últimos cinco años. Cuando empezamos, la mitad de los paquetes del mercado eran básicamente bombas de tiempo. Ahora los proveedores más serios están construyendo sistemas razonablemente seguros. Pero "razonablemente seguro" aún deja espacio para el tipo de reducción de costos-que provoca incendios. Su trabajo es determinar qué proveedores están realmente haciendo el trabajo y cuáles simplemente marcan casillas.

La seguridad de la batería no es sexy. No es un buen marketing. Nadie compró nunca una carretilla elevadora porque la batería tenía una gran resistencia a la propagación térmica desbocada.

Pero si se hace mal, todo lo demás dejará de importar bastante rápido. Hemos construido nuestra reputación con paquetes que simplemente funcionan, año tras año, en condiciones que acabarían con sistemas más baratos. Eso es lo que debería buscar en cualquier proveedor que evalúe.

¿Preguntas? Siempre estaremos encantados de hablar sobre aplicaciones específicas. Para eso estamos aquí.