Apa itu Arus Berlebih?

Arus berlebih berarti baterai diminta untuk mengalirkan atau menerima arus lebih dari yang seharusnya. Sesederhana itu. Sel memanas, kimia menjadi stres, dan segala sesuatunya menjadi kacau jika tidak ada yang turun tangan.

Saya melihat masalah ini terus-menerus dalam pengembalian lapangan. Paket kembali dengan bekas terbakar, tab meleleh, sel-sel yang tampak baik-baik saja di luar tetapi mati di dalam. Sembilan dari sepuluh, seseorang menarik terlalu banyak arus atau perlindungannya gagal.

Sel litium memiliki batasan yang sulit. Sel yang diberi nilai 10A terus menerus akan mentolerir 10A sepanjang hari pada suhu kamar. Dorong ke 15A dan suhu internal naik. Dorong ke 30A dan Anda mungkin punya waktu beberapa detik sebelum sesuatu terjadi.

Pembangkitan panas dalam sel litium mengikuti I²R. Resistansi internal pada 18650 biasanya berkisar antara 15-30mΩ tergantung pada sel dan usianya. Jalankan angka pada sel 25mΩ.

Pada 10A: 10² × 0.025=2.5W Pada 20A: 20² × 0.025=10W Pada 40A: 40² × 0.025=40W

40W itu tidak bisa dimasukkan ke dalam kaleng baja. Suhu sel melonjak. Elektrolit mulai terurai sekitar 80 derajat. Di atas 130 derajat, pemisah bisa gagal. Setelah itu, pelarian termal menjadi suatu kemungkinan yang nyata.

Pengisian arus berlebih mengikuti fisika yang sama tetapi dengan masalah tambahan. Pelapisan litium. Mendorong arus muatan terlalu tinggi dan logam litium mengendap di permukaan anoda alih-alih melakukan interkalasi dengan benar. Pelapisan itu adalah hilangnya kapasitas permanen. Hal ini juga menciptakan risiko pembentukan dendrit.

Overcurrent

Celana pendek eksternalterjadi lebih dari yang diakui oleh produsen. Sekrup longgar di dalam selungkup. Kawat rusak bergesekan dengan bingkai. Masuknya air menciptakan jalur konduktif. Saya mengerjakan penarikan kembali di mana konektor paket memiliki cacat desain yang memungkinkan pin positif menyentuh ground enclosure selama penyisipan. Ribuan bungkus keluar sebelum ada yang menangkapnya.

Kesalahan bebanmuncul dalam aplikasi perkakas listrik terus-menerus. Motor yang disikat berhenti pada arus berjalan 6-8x. Brushless dengan kontrol FOC menangani stall dengan lebih baik tetapi masih menghasilkan spike yang kuat. Baterai melihat lonjakan itu apakah pengontrol motor melakukan sesuatu atau tidak.

Masalah pengisi dayacenderung halus. Pengisi daya yang dirancang untuk paket 4S yang dicolokkan ke paket 3S. Batas tegangan mungkin masih berfungsi, namun profil arusnya salah. Atau saluran indra pengisi daya putus dan pengisi daya hanya mendorong arus penuh hingga ada yang tersandung.

Ketidakcocokan seldalam paket seri berbahaya. Empat sel secara seri, tiga di antaranya 3000mAh, salah satunya sebenarnya 2700mAh karena disimpan di gudang panas selama enam bulan. Sel lemah itu akan terisi penuh terlebih dahulu. Tiga lainnya terus mendorong. Sel yang lemah itu akan terisi daya secara berlebihan, menghasilkan gas, memanas, dan sekarang Anda mengalami kondisi arus lebih lokal yang terjadi di dalam satu sel sementara tegangan paket terlihat baik-baik saja.

Dampak langsungnya adalah panas. Arus berlebih yang berkelanjutan pada tingkat 2x akan mendorong sebagian besar sel melewati 60 derajat dalam beberapa menit. Sel mungkin bertahan, tetapi siklus kehidupannya terpukul.

Peristiwa arus berlebih yang berulang-ulang menciptakan kerusakan kumulatif. Lapisan SEI pada anoda menebal. Resistensi internal mulai meningkat. Kapasitas memudar. Sel yang dimulai pada 3000mAh dan 20mΩ mungkin menjadi 2400mAh dan 35mΩ setelah 200 siklus penyalahgunaan. Itu akan menghasilkan 800 siklus jika digunakan dengan benar.

Arus lebih yang parah-kondisi korsleting-dapat mengakhiri sel dalam hitungan detik. Arus mencapai puncaknya pada batas berapa pun hambatan internal sel. Saluran tinggi-18650 yang terisi penuh menjadi arus pendek dapat menghasilkan arus sesaat 200-300A. Lasan tab sering kali menjadi titik kegagalan pertama. Jika tabnya dapat ditahan, gulungan jeli akan memanas dengan sangat cepat sehingga pelepasan udara akan terjadi dalam hitungan detik.

Saya telah melihat sel-sel yang mengeluarkan udara begitu keras hingga batas positif diluncurkan ke seluruh laboratorium. Kacamata pengaman bukan merupakan pilihan saat menguji respons hubung singkat.

Overcurrent

Desain paket yang baik menggunakan berbagai mekanisme perlindungan. Tidak ada satu perangkat pun yang menangani setiap mode kegagalan.

PTCduduk di dalam sebagian besar sel silinder dari produsen terkemuka. Mereka tersandung berdasarkan suhu, bukan arus secara langsung. PTC mungkin dinilai mampu menahan 7A dan trip pada 15A, namun mekanisme tripnya bersifat termal. Waktu respons lambat-ratusan milidetik hingga detik. PTC tidak akan menyelamatkan Anda dari kesulitan. Mereka menangani arus berlebih yang moderat dan memberi waktu pada paket untuk menjadi dingin.

Sekeringtiup sekali dan tetap tertiup. Sekering-tingkat paket berukuran di atas arus operasi normal dengan margin untuk lonjakan dan transien. Paket kontinu 10A mungkin menggunakan sekering-tiup cepat 15A. Sekering ini menghilangkan arus pendek lebih cepat daripada PTC, biasanya di bawah 100 ms pada arus gangguan tinggi. Tapi itu juga membunuh paket itu secara permanen. Klaim garansi menyusul.

IC perlindunganmemonitor arus melalui resistor indra. Suku cadang umum dari Seiko, TI, dan lainnya menyediakan ambang batas arus lebih yang dapat diprogram melalui resistor eksternal atau dikodekan secara internal. Penundaan deteksi biasanya berlangsung 8-24 ms. Deteksi korsleting lebih cepat, seringkali di bawah 500µs. IC menggerakkan FET eksternal untuk memutuskan paket.

Nilai resistor indera itu penting. Resistor indera 5mΩ memberikan resolusi yang lebih baik tetapi menurunkan lebih banyak tegangan dan menghilangkan lebih banyak daya pada arus tinggi. Resistor 2mΩ menghabiskan lebih sedikit daya tetapi membutuhkan ujung depan yang lebih sensitif. Kebanyakan paket konsumen menggunakan 3-10mΩ tergantung pada kelas saat ini.

BMSdalam paket yang lebih besar menambah kecerdasan. Pembatasan arus aktif, bukan sekadar trip/no-trip. Suhu-batas kompensasi. Pencatatan kejadian untuk diagnostik. BMS yang baik mengurangi batas arus lebih ketika suhu sel meningkat, menjaga sel dalam jendela pengoperasian yang aman bahkan di bawah beban dinamis.

CIDdi dalam sel memberikan-perlindungan mekanis pilihan terakhir. Perangkat Interupsi Saat Ini aktif pada penumpukan tekanan internal. Pada saat CID tersandung, sel telah mengalami tekanan yang signifikan. Aktivasi CID biasanya berarti sel tersebut rusak.

Pemeringkatan lembar data mengasumsikan kondisi tertentu. Samsung 30Q dengan rating 15A terus menerus mengasumsikan ambien 25 derajat dan pendinginan yang memadai. Tempelkan sel itu di dalam selungkup terisolasi pada suhu sekitar 35 derajat dan 15A akan mendorongnya melewati suhu aman.

Peringkat denyut nadi terlihat menarik tetapi disertai dengan ikatan. Sebuah sel mungkin mengklaim 30A selama 10 detik, tapi itu mengasumsikan sel dimulai pada 25 derajat dan memiliki waktu untuk mendingin sebelum denyut berikutnya. Pulsa-ke-kembali tanpa waktu pemulihan mengakumulasi panas seperti arus kontinu.

Tarif pengisian seringkali lebih konservatif dibandingkan tarif pengosongan. Sel yang menangani debit 20A mungkin hanya mentolerir muatan 4A. Risiko pelapisan litium adalah alasannya. Beberapa sel baru dengan anoda yang didoping silikon-bahkan lebih sensitif terhadap laju pengisian daya.

Usia sel mengubah segalanya. Sel baru dengan resistansi internal 20mΩ menangani 20A lebih baik daripada sel lama-pada 30mΩ. Perlindungan paket harus mempertimbangkan ketahanan akhir-masa pakainya, bukan hanya spesifikasi sel baru.

Setiap desain paket memerlukan validasi arus berlebih. Peralatan tes itu penting.

Beban elektronik perlu menurunkan arus lebih cepat daripada respons proteksi. IC proteksi dengan penundaan deteksi 10 ms memerlukan beban yang mencapai arus target dalam waktu kurang dari 1 ms. Peningkatan muatan yang lambat-memungkinkan perlindungan terhenti lebih awal dan memberikan keyakinan yang salah.

Pengukuran saat ini membutuhkan bandwidth. Resistor indera 10mΩ pada 100A memberikan sinyal 1V. Menangkap puncak sebenarnya memerlukan setidaknya bandwidth 10kHz, sebaiknya lebih. Probe lingkup dengan landasan yang tepat menghindari masalah kebisingan yang menghasilkan data sampah.

Pengujian suhu menangkap masalah desain yang terlewatkan oleh pengujian suhu ruangan. Ambang batas IC perlindungan berubah seiring suhu. FET Rds(on) meningkat pada suhu tinggi, menambah penurunan tegangan. Sense resistor TCR penting ketika resistor memanas karena melewati arus gangguan. Uji pada suhu minimum -20 derajat, +25 derajat, dan +55 derajat.

Matriks pengujian menjadi besar. Mengisi arus lebih, melepaskan arus lebih, korsleting. Masing-masing pada tiga suhu. Masing-masing pada beberapa level SOC karena impedansi sel bervariasi menurut status pengisian daya. Kalikan dengan ukuran sampel untuk keyakinan statistik. Validasi menyeluruh menjalankan ratusan pengujian.

Overcurrent

UL 2054mencakup paket baterai portabel untuk pasar Amerika Utara. Pengujian hubung singkat menerapkan hubungan pendek mati selama 10 detik. Paket tersebut tidak boleh terbakar atau meledak. Suhu dipantau tetapi tidak ada batasan spesifik yang diumumkan. Ini adalah batas minimum.

IEC 62133-2berlaku secara internasional. Pengujian hubung singkat eksternal menggunakan resistansi total rangkaian kurang dari 100mΩ yang ditahan selama satu jam atau hingga suhu stabil. Lebih ketat dari UL 2054 dalam hal durasi.

PBB 38.3mengatur pelayaran. Tes 5 memerlukan short through kurang dari 0,1Ω. Sel atau baterai tidak boleh dibongkar atau terbakar. Hal ini penting karena kegagalan dalam UN 38.3 berarti produk Anda tidak dapat diangkut secara legal.

SAE J2464mencakup aplikasi EV dengan persyaratan yang lebih ketat. Resistansi hubung singkat turun menjadi 5mΩ dan kriteria termal/mekanis lebih spesifik.

Lulus pengujian ini tidak berarti desain proteksinya bagus. Artinya desain proteksi memadai untuk sertifikasi. Penyalahgunaan-di dunia nyata dapat melampaui kondisi pengujian.

Pengukur kawat muncul terus-menerus. Kawat berukuran kecil menambah hambatan dan menimbulkan panas pada sambungan. Kawat itu sendiri mungkin dapat menangani arus, tetapi terminal yang berkerut atau sambungan solder dapat menjadi titik panas. Paket yang dikembalikan karena "baterai rusak" sering kali menunjukkan terminal kabel terbakar sementara selnya baik-baik saja.

Pemilihan konektor adalah titik lemah lainnya. Konektor XT60 seharusnya diberi peringkat 60A terus menerus. Peringkat tersebut mengasumsikan kerutan sempurna dan kontak bersih. Dalam praktiknya, penurunan keandalannya sebesar 30-40%. Anderson Powerpoles memiliki pertimbangan serupa.

Pengelasan tab pada sel perlu mendapat perhatian. Lasan yang baik mempunyai resistansi dan kekuatan mekanik yang rendah. Pengelasan dingin terlihat baik-baik saja tetapi gagal karena getaran atau siklus termal. Lasan yang terbakar merusak kaleng dan menimbulkan titik lemah. Jadwal pengelasan memerlukan validasi dengan pengujian tarikan dan pengukuran resistansi.

Manajemen termal terkait dengan kemampuan arus lebih. Paket dengan pendingin aktif dapat menahan arus lebih tinggi dibandingkan paket tertutup tanpa aliran udara. Beberapa desain menggunakan termistor pada sel untuk memicu pengurangan arus sebelum suhu menjadi kritis.

Arus berlebih mematikan baterai litium. Terkadang cepat, terkadang lambat, namun selalu merusak. Batasan saat ini ada karena alasan yang terkait dengan fisika dan kimia, bukan konservatisme yang sewenang-wenang.

Perlindungan yang baik memerlukan banyak lapisan karena setiap jenis perlindungan memiliki kelemahan. PTC lambat. Sekring hanya-satu kali pakai. IC bergantung pada akurasi indra. BMS menambah biaya dan kompleksitas. CID berarti sel sudah rusak.

Pengujian perlu mencerminkan kondisi penggunaan aktual dan skenario penyalahgunaan. Lulus ujian sertifikasi memang perlu, namun tidak cukup.

Pilihan desain paket-kabel, konektor, termal, margin-menentukan apakah perlindungan benar-benar melindungi atau hanya terlihat bagus di atas kertas.

Sel yang saya percayai berasal dari produsen dengan kualitas yang konsisten dan data yang dipublikasikan. Paket yang saya percaya menggunakan sirkuit perlindungan dari vendor terkemuka dengan desain aplikasi yang tepat. Segala sesuatu yang lain ditangani dengan hati-hati sampai terbukti sebaliknya.