Què és la protecció de seguretat de la bateria?

Permeteu-me ser sincer: la majoria dels incendis de bateries que hem vist en aquesta indústria no eren misteriosos. Eren previsibles. Algú es va saltar una capa de protecció per estalviar 50 dòlars, o un gestor de compres va triar el BMS més barat d'Alibaba, o-i això passa més del que us penseu-un operador de carretons elevadors va deixar la cosa carregant durant la nit en un cobert sense ventilació durant l'estiu.

La protecció de seguretat de la bateria no és un concepte d'enginyeria abstracta. És la col·lecció de maquinari, programari i opcions de disseny que impedeixen que la vostra bateria de 15.000 dòlars es converteixi en una reclamació d'assegurança de 150.000 dòlars. O pitjor.

Hem estat construint paquets LiFePO4 per a la manipulació de materials i vehicles industrials des de fa més d'una dècada. Aquest article és bàsicament tot el que voldríem que algú ens hagués dit quan vam començar-a més d'unes quantes lliçons cares que vam aprendre de la manera més difícil.

Les cèl·lules prismàtiques de grau industrial requereixen sistemes de control robusts.

Per què LiFePO4 i per què encara necessita protecció

Aquí hi ha una pregunta que rebem constantment dels clients: "Vaig pensar que el fosfat de ferro de liti era la química segura. Per què necessito tot aquest material de protecció?"

Punt just. LiFePO4 és realment més segur que NCM o NCA. L'estructura de cristall d'olivina no allibera oxigen quan s'escalfa, la qual cosa significa que no alimentarà el seu propi foc com poden fer les químiques ternàries. Hem fet proves de penetració de les ungles en cèl·lules de cinc proveïdors diferents-Les cèl·lules LiFePO4 solen arribar a uns 150 graus i només s'asseuen allà fumant. Cèl·lules NCM a la mateixa prova? Hem vist 600 graus + i flames reals.

Però "més segur" no vol dir "segur". Teníem un client a l'-empresa de logística del 2021 a Guangdong-que va pensar que LiFePO4 significava que no necessitaven control de la temperatura. Estalviat potser 800 RMB per paquet. Llavors va arribar l'agost, el magatzem va arribar als 45 graus d'ambient, el sistema de càrrega no tenia reducció tèrmica i van acabar amb tres paquets inflats i un que realment es va ventilar. Ningú es va fer mal, per sort. Però ara són els nostres clients més entusiastes per a BMS amb totes les funcions.

Les coses que realment provoquen incendis

Després de veure desenes d'errors de camp (els nostres i els dels competidors), aquí teniu el que realment va malament:

La càrrega és on es produeixen el 70% dels problemes.No es descarrega, no es carrega-emmagatzematge. Concretament:

• S'està carregant per sota de 0 graus sense protecció de baixa-temperatura. Plaques de liti a l'ànode en comptes d'intercalar correctament. No pots veure-ho passant. Sis mesos després, curtcircuit intern, fugida tèrmica. Vam tenir un client a Harbin que va aprendre aquest d'una manera cara.
• Sobrecàrrega perquè la mesura de la tensió del BMS es va desviar i ningú no es va adonar. Les cèl·lules classificades per a 3,65 V s'empenyen a 3,8 V cada cicle. Funciona bé durant tres mesos, després un dia no.
• Carregador-Error de comunicació del BMS. El carregador creu que la bateria està al 50% de SOC, la bateria està en realitat al 95%. Corrent complet en un paquet gairebé-complet. Mals temps.

Desequilibri cel·lular que ningú controla.En un paquet 16S, si una cel·la té una capacitat 50 mAh més baixa que les altres, arribarà al 100% de SOC abans que el paquet ho faci. Continueu en bicicleta sense equilibrar-vos, aquesta cèl·lula es sobrecarrega cada cop. Hem vist que els paquets tornaven per obtenir la garantia on una cel·la estava a 3,9 V mentre que la resta es trobava a 3,5 V. Això és un incendi a l'espera de passar.

Danys mecànics que comprometen el separador.Els carretons elevadors xoquen contra les coses. Això és només la realitat. Si l'impacte danya les cèl·lules a l'interior-fins i tot si la inspecció externa sembla bé-, podeu obtenir curts interns retardats. És per això que especifiquem carcassa d'acer per a aplicacions de carretons elevadors, no d'alumini. Sí, és més pesat. Sí, val la pena.

Protecció activa: evita que comencin els problemes

La indústria ho divideix en protecció "activa" i "passiva". Actiu significa evitar que passin coses dolentes. Passiu significa controlar els danys quan succeeixen de totes maneres.

Comenceu per les mateixes cèl·lules

Sembla obvi, però: compra bones cèl·lules. Hem provat cèl·lules de potser 20 proveïdors diferents al llarg dels anys. La difusió de la qualitat és realment impactant. Les mateixes especificacions nominals, comportament completament diferent en proves d'abús.

Què has de buscar si estàs avaluant unproveïdor industrial de bateries de liti:

• Demaneu vídeos de proves de penetració d'ungles. No fulls de dades-vídeos reals. Les bones cèl·lules fumen i xiulen. Les cèl·lules dolentes arrosseguen flama.
• Comproveu les especificacions del separador. Els separadors-revestits de ceràmica gestionen millor l'estrès tèrmic. Vam canviar a ceràmica-revestida exclusivament el 2019 després que un mal lot de separadors convencionals provoqués tres errors de camp en un trimestre.
• Els additius electròlits són importants. Additius retardants de flama, additius de protecció contra sobrecàrregues-això no és màrqueting, és la diferència entre una cel·la que falla amb gràcia i una que falla violentament.

Vam passar dos anys qualificant el nostre actual proveïdor de cèl·lules. Va visitar la fàbrica quatre vegades. Va veure el seu procés de control de qualitat. És una feina avorrida però per això dormim a la nit.

El BMS és el cervell de la bateria, que controla la tensió, el corrent i la temperatura.

BMS: el cervell que ho manté tot viu

Siguem reals-un BMS pot ser qualsevol cosa, des d'una solució d'un sol-xip de 15 $ fins a un sistema de tauler múltiple-de 500 $ amb redundància. Obteniu el que pagueu.

Problemes de BMS barats que hem vist:

• Precisió de mesura de tensió de ± 30 mV. En una cèl·lula amb 100 mV entre "plet" i "perillosamente sobrecarregada", això no és prou bo.
• No hi ha equilibri cel·lular o només equilibri passiu. L'equilibri passiu a 50 mA triga literalment setmanes a solucionar un desequilibri important.
• Dissenys de-punt-de-falla única. Un MOSFET mor, el paquet sencer està desprotegit.
• Sense sensors de temperatura o un sensor per a tot el paquet. Els gradients tèrmics dins d'un paquet de 20 kWh poden arribar fàcilment als 15 graus. Un sensor no et diu res.

Què fa un BMS adequat:

• Controla cada voltatge de cèl·lula individualment. No nivell de mòdul-, nivell de-cel·la.
• Equilibri actiu a corrents significatius (correm 1A+ als nostres paquets)
• Múltiples sensors de temperatura amb registre de posició
• Detecció de corrent prou precisa per fer un recompte de coulomb real
• Comunicació amb el carregador per a una protecció coordinada
• La còpia de seguretat del maquinari es desconnecta independentment del processador principal

La diferència de cost entre un BMS d'escombraries i un de correcte pot ser de 200 a 300 dòlars en un paquet de carretons elevadors. El paquet costa 8 $,000+. El carretó elevador costa 30 $,000+. El magatzem on es troba val la pena... ja veieu cap a on va.

Quan els clients ens demanen assessorament per triar unfabricant de bateries de liti, els diem: pregunteu pel BMS. Demana veure l'esquema. Si no et mostren, marxa.

Control de càrrega: on s'inicien la majoria dels incendis

Ja ho hem esmentat, però cal repetir-ho. La càrrega és perillosa.

A continuació es mostra com es veu la protecció de càrrega adequada:

Càrrega-compensada per temperatura.Per sota de 0 graus? No carregueu ni carregueu amb un corrent dràsticament reduït. Més de 45 graus? El mateix tracte. Això no és opcional. Els nostres paquets estàndard ni tan sols acceptaran càrrega per sota dels -10 graus; el BMS simplement es nega a tancar el contactor de càrrega.

Nota lateral: hem tingut vendes que prometen als clients "capacitat de càrrega de -20 graus" i després l'enginyeria ha d'explicar per què això no passa. El revestiment de liti és el revestiment de liti. A la física no li importa el vostre objectiu de vendes.

Terminació-basada en voltatge amb marge.Si les cèl·lules tenen un valor màxim de 3,65 V, acabem a 3,60 V. Sí, potser perds un 2-3% de capacitat útil. Tampoc explotes. Bona compensació.

Protecció passiva: quan les coses van malament de totes maneres

Mireu, podem construir els millors sistemes de protecció del món i les coses encara fallaran ocasionalment. Un camió passa per sobre de la teva bateria. Una inundació escurça l'electrònica. Algú ignora tots els avís i obliga a una càrrega a -30 graus perquè l'entrega ha de sortir.

La protecció passiva consisteix a limitar els danys quan falla la protecció activa.

Barreres tèrmiques

Entre cel·les, entre mòduls i al voltant de l'exterior del paquet. L'objectiu no és aturar la fuga tèrmica-un cop comenci, s'està fent. L'objectiu és frenar la propagació perquè tingueu temps per reaccionar.

Utilitzem una combinació de làmines de fibra ceràmica entre mòduls i mantes d'aerogel a les parets interiors. No és barat. Però quan una cel·la marxa, les cel·les adjacents tenen uns 30-60 segons addicionals abans que arribin a la temperatura crítica. Sovint és temps suficient perquè els sistemes de supressió s'activin o perquè el paquet es desconnecti i es ventila de manera segura.

Per a qualsevol persona que es proveeix d'aProveïdor de solucions de bateries LiFePO4, pregunteu sobre les especificacions de la barrera tèrmica. Si no us poden dir la conductivitat tèrmica i la resistència a la ignició dels seus materials de barrera, això és una bandera vermella.

Supressió d'incendis

Per a instal·lacions d'-alt valor, voleu una supressió dedicada. Els extintors estàndard no funcionen bé amb les bateries de liti-el foc és intern, provocat per reaccions d'autoescalfament-que l'aigua no pot aturar.

Hem treballat amb sistemes de supressió que utilitzen agents basats en perfluorohexanona{0}}. Refreden les cèl·lules mentre interfereixen químicament amb la combustió. No és perfecte, però molt millor que intentar polvoritzar CO2 en una reacció química interna.

Parla real, però: la supressió és l'últim recurs. Si el vostre sistema de supressió s'activa, la bateria ja està arruïnada. En aquest moment només esteu limitant els danys col·laterals. Millor no necessitar mai.

Disseny de tancament

El tancament ha de fer diverses coses:

• Contenir els gasos de ventilació i dirigir-los lluny de les persones
• Sobreviure a l'abús mecànic (els paquets de carretons elevadors es cauen, es copegen, es topen amb coses)
• Mantingueu la qualificació IP fins i tot després dels impactes
• Permetre la dissipació de calor durant el funcionament normal mentre conté calor durant els esdeveniments tèrmics

Especifiquem tancaments d'acer amb vies de ventilació dirigides per a totes les nostres aplicacions de carretons elevadors. El camí de ventilació és important-no voleu que el gas sobreescalfat s'adreça a l'operador o als materials inflamables.

Diagnòstic de fallades: detectar problemes abans que es converteixin en incendis

Aquesta és la part que separa els sistemes de bateries seriosos dels barats.

La vigilància-en temps real detecta perills immediats-la caiguda de tensió durant la descàrrega significa que alguna cosa està en curtcircuit; L'augment de temperatura durant la càrrega significa que alguna cosa no funciona. Aquests necessiten una resposta protectora immediata.

Però la cosa valuosa és l'anàlisi de tendències. Una cèl·lula que és constantment 5 graus més càlida que les seves veïnes probablement tingui una resistència interna elevada. Avui no és perillós. Serà d'aquí a sis mesos. Un bon BMS registra aquestes dades, marca la tendència i us permet abordar-les durant el manteniment programat en lloc de durant un incendi del magatzem.

Fem extraccions mensuals de dades de tots els paquets-desplegats de la nostra flota. Hem detectat falles en desenvolupament almenys una dotzena de vegades que s'haurien convertit en falles de camp si no s'havien ignorat. Un paquet va mostrar una sola cèl·lula que va derivar 20 mV d'alt durant tres mesos. El va treure, el va inspeccionar i va trobar una degradació-del separador en fase inicial. Substituït el mòdul, el paquet segueix funcionant bé dos anys després.

Si estàs parlant amb un potencialSoci OEM de bateria de liti, pregunteu sobre les seves capacitats de diagnòstic. Demaneu veure els informes de dades de la flota de mostra. Si no us poden mostrar l'anàlisi de tendències i les dades de manteniment predictiu, probablement el seu BMS només faci un seguiment bàsic del llindar-que és el mínim.

Normes i què signifiquen realment

UN38.3, IEC 62619, UL 1973: veureu aquestes certificacions a tot arreu. Aquesta és la veritat incòmoda: passar aquests estàndards significa que la bateria compleix els requisits mínims. No vol dir que sigui bo.

Hem provat paquets de la competència que tenien totes les certificacions i que encara no han superat les proves bàsiques d'abús que fem a casa-. Els estàndards són un terra, no un sostre.

Dit això, si un proveïdor no us pot mostrar aquests certificats, fugiu. Són apostes de taula. Simplement no assumis que la certificació és igual a la qualitat.

Les nostres proves internes van més enllà dels requisits estàndard. Límits inferiors de temperatura. Major abús actual. Cicle tèrmic prolongat. Volem saber com fallen els nostres paquets, no només que passen una prova específica.

Per als clients que necessiten configuracions personalitzades-tensions inusuals, factors de forma específics, integració amb sistemes propietaris-que treballin amb unfabricant de bateries de liti personalitzadesqui fa aquest tipus de proves ampliades val la pena. La certificació us indica que el paquet compleix el codi. Les proves ampliades us diuen com funcionarà realment a la vostra aplicació.

El que realment recomanem

Després de tot això, què hauríeu de fer realment si esteu especificant bateries per a aplicacions industrials?

Sincerament, aquesta indústria ha millorat molt en els últims cinc anys. Quan vam començar, la meitat dels paquets del mercat eren bàsicament bombes de temps. Ara els proveïdors més seriosos estan construint sistemes raonablement segurs. Però "raonablement segur" encara deixa espai per al tipus de reducció de costos-que provoca incendis. La vostra feina és esbrinar quins proveïdors estan fent realment la feina i quins només marquen caselles.

La seguretat de la bateria no és sexy. No fa bon màrqueting. Ningú va comprar mai un carretó elevador perquè la bateria tenia una gran resistència a la propagació tèrmica.

Però s'equivoca i tota la resta deixarà d'importar bastant ràpidament. Hem construït la nostra reputació en paquets que només funcionen, any rere any, en condicions que matarien sistemes més barats. Això és el que hauríeu de buscar en qualsevol proveïdor que avalueu.

Preguntes? Sempre estem encantats de parlar a través d'aplicacions específiques. Per això estem aquí.