¿Qué es la sobretensión?
Recibí una llamada de un integrador de manadas en Ohio el martes pasado. Tenían un paquete LFP 14S que venía de una instalación solar con dos celdas que indicaban 3,91 V. LFP. Nunca debería ver nada por encima de 3,65 V en uso normal. Las celdas se veían bien desde afuera, pero cuando abrimos una, la lámina del cátodo se había vuelto marrón en los bordes. Daño por sobrecarga clásico.
Resulta que estaban usando un cargador de plomo-ácido. El cliente lo cambió porque el original murió. El cargador de plomo-ácido de 48 V genera un flotador de 58,4 V. En un paquete LFP 14S que funciona con 4,17 V por celda. No es un problema para el plomo-ácido. Gran problema para la LFP.
Este tipo de cosas suceden más de lo que la gente admite.
La sobretensión significa empujar una celda más allá de su voltaje de carga nominal máximo. El número depende de la química. NMC y NCA alcanzan un máximo de 4,20 V. Algunas variantes de NMC de alta-energía tienen una potencia nominal de 4,35 V, pero son celdas especiales y necesitas saber qué estás haciendo con ellas. La química LFP tiene un techo de 3,65 V. LTO es de alrededor de 2,85 V. Estos números provienen de la hoja de datos del proveedor de celdas. Ignóralos y tendrás problemas.
Degradación celular interna
Lo que sucede dentro de la celda en caso de sobretensión no es complicado. El material del cátodo quiere ceder oxígeno cuando se le expulsa demasiado litio. Ese oxígeno reacciona con el electrolito. Mientras tanto, el metal de litio comienza a depositarse en la superficie del ánodo porque el grafito no puede absorber iones lo suficientemente rápido. El revestimiento es malo por dos razones. Es una pérdida de capacidad irreversible y crea dendritas que eventualmente pueden provocar un cortocircuito en la célula internamente.
Mucha gente piensa que hay un margen integrado en la especificación de 4,20 V. No lo hay.
Los fabricantes de células fijan ese límite en el punto en el que la degradación se vuelve inaceptable. Ir a 4,25 V una vez probablemente esté bien. Ir allí en cada ciclo matará la célula en unos pocos cientos de ciclos en lugar de unos pocos miles. Si supera los 4,30 V, es posible que no obtenga unos cientos de ciclos. He visto celdas hincharse a 4,35 V después de una sola carga. Depende de la celda.
El papel del BMS
Se supone que el BMS debe detectar esto. Cada célula del paquete tiene su propio cable sensor. El chip AFE lee todos los voltajes de las celdas y los compara con un umbral. Si alguna celda se cae, la carga se detiene. Bastante sencillo.
Excepto que el BMS puede fallar. He visto placas BMS con juntas de soldadura en frío en los conectores de los cables de detección. Una celda deja de informar y el firmware se pone a cero de manera predeterminada en lugar de señalar una falla. He visto chips AFE que se salen de la calibración debido a la temperatura. El BQ76940 de TI es generalmente sólido, pero el BQ76925 anterior tuvo problemas con el cambio de referencia interno. Los chips AFE chinos más baratos pueden estar por todas partes.
El equilibrio importa más de lo que la gente piensa. Un paquete con diez celdas en serie tendrá cierta distribución en capacidad. Una celda alcanza la carga completa antes que las demás. Si el equilibrio es demasiado lento, la celda alta se sitúa en 4,20 V mientras la corriente sigue fluyendo hacia el paquete. El voltaje en esa celda aumenta. Con el equilibrio pasivo, estás limitado por la cantidad de calor que puedes descargar a través de las resistencias de purga. La mayoría de los diseños funcionan con una corriente de equilibrio de 50 mA a 100 mA. Si sus células no coinciden en más de un pequeño porcentaje, es posible que eso no sea suficiente.
El equilibrio activo mueve la carga de las celdas altas a las bajas en lugar de quemarla. Más caro. Más complejo. Tiene sentido para paquetes grandes donde la energía desperdiciada se acumula o para aplicaciones donde no se puede tolerar ninguna distribución de capacidad.
El diseño del cargador es la otra mitad de la ecuación. Un convertidor de conmutación con una regulación de retroalimentación descuidada se sobrepasará con una carga ligera. He medido cargadores que emiten 42,5 V cuando el paquete consume menos de 100 mA cerca del final de la carga. Ese medio voltio adicional distribuido en diez celdas es de 50 mV cada una. No es un desastre, pero se suma a las otras tolerancias.
La compensación de temperatura en el cargador también es importante. Las celdas de litio deben cargarse a un voltaje más bajo cuando están calientes. Algunos cargadores ajustan el punto de ajuste de CV basándose en un termistor. La mayoría de los baratos no lo hacen. Un paquete colocado al sol a 45 ° C y cargado a los 4,20 V normales por celda se está sobrecargando de hecho.
Dos capas de protección son mejores que una. El BMS vigila los voltajes de las celdas. Un IC de protección secundaria puede controlar el voltaje del paquete y cortar un FET si algo sale mal. Para la manada de Ohio que inició toda esta discusión, ninguno de los dos existía. Tenían un BMS tonto que solo hacía equilibrio. Sin protección. El cliente asumió que el cargador lo soportaría. Mala suposición.
Lista de verificación de diseño
Si está diseñando paquetes, la lista de verificación es bastante corta.
- Utilice un BMS con OVP a nivel de celda-real.
- Establezca el umbral con cierto margen, tal vez 4,18 V para NMC.
- Asegúrese de que el equilibrio pueda mantenerse al día con la propagación de sus células.
- Califique el cargador en todo su ámbito operativo, no solo a temperatura ambiente en el banco.
- Agregue una ruta de protección secundaria si la aplicación lo justifica.
El paquete de Ohio se está reconstruyendo con un BMS adecuado y un cargador especificado para LFP. Lección cara. Podría haber sido peor. Nadie resultó herido y nada se incendió. No siempre es así como terminan estas historias.
