Was ist Überstrom?

Überstrom bedeutet, dass die Batterie mehr Strom abgeben oder aufnehmen muss, als sie vorgesehen ist. So einfach ist das. Die Zelle heizt sich auf, die Chemie gerät ins Wanken und alles läuft schief, wenn niemand eingreift.

Ich sehe dieses Problem ständig bei Feldrückgaben. Die Packungen kommen mit verbrannten Spuren, geschmolzenen Laschen und Zellen zurück, die von außen gut aussehen, im Inneren aber tot sind. In neun von zehn Fällen zog jemand zu viel Strom oder der Schutz versagte.

Für Lithiumzellen gelten strenge Grenzen. Eine Zelle, die für 10 A Dauerstrom ausgelegt ist, verträgt 10 A den ganzen Tag bei Raumtemperatur. Schieben Sie es auf 15 A und die Innentemperatur steigt. Stellen Sie den Strom auf 30 A und Sie haben vielleicht Sekunden Zeit, bis etwas nachgibt.

Die Wärmeerzeugung in einer Lithiumzelle folgt I²R. Der Innenwiderstand eines typischen 18650 liegt je nach Zelle und Alter bei etwa 15–30 mΩ. Führen Sie die Zahlen mit einer 25-mΩ-Zelle durch.

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

Diese 40 W passen nirgendwo in eine Stahldose. Die Zelltemperatur steigt. Bei etwa 80 Grad beginnt der Elektrolyt zu zerfallen. Über 130 Grad kann der Abscheider versagen. Danach wird ein thermisches Durchgehen zur realen Möglichkeit.

Der Ladeüberstrom folgt der gleichen Physik, jedoch mit einem zusätzlichen Problem. Lithiumbeschichtung. Drücken Sie den Ladestrom zu hoch, und Lithiummetall lagert sich auf der Anodenoberfläche ab, anstatt richtig zu interkalieren. Diese Beschichtung ist ein dauerhafter Kapazitätsverlust. Es besteht auch die Gefahr der Dendritenbildung.

Overcurrent

Externe Shortspassieren häufiger, als die Hersteller zugeben möchten. Eine lose Schraube in einem Gehäuse. Ein beschädigter Draht, der an einem Rahmen reibt. Eindringendes Wasser schafft einen leitenden Pfad. Ich habe an einem Rückruf gearbeitet, bei dem der Pack-Anschluss einen Konstruktionsfehler aufwies, der dazu führte, dass der Plusstift beim Einstecken die Gehäusemasse berührte. Tausende Packungen gingen aus, bevor jemand sie erwischte.

Fehler ladentauchen ständig in Anwendungen mit Elektrowerkzeugen auf. Bürstenmotoren bleiben bei 6-8-fachem Betriebsstrom stehen. Der bürstenlose Motor mit FOC-Steuerung kommt besser zum Stillstand, weist aber immer noch starke Spitzen auf. Die Batterie erkennt diese Spitze, unabhängig davon, ob die Motorsteuerung etwas dagegen unternimmt oder nicht.

Probleme mit dem Ladegerätneigen dazu, subtil zu sein. Ein Ladegerät für einen 4S-Akku, der an einen 3S-Akku angeschlossen ist. Die Spannungsgrenzen funktionieren möglicherweise noch, aber das aktuelle Profil ist falsch. Oder die Sensorleitung des Ladegeräts ist unterbrochen und das Ladegerät gibt einfach den vollen Strom ab, bis etwas auslöst.

Nichtübereinstimmung der Zellenin Serienpackungen ist heimtückisch. Vier Zellen in Reihe, drei davon 3000 mAh, eine davon tatsächlich 2700 mAh, weil sie sechs Monate lang in einem heißen Lagerhaus lag. Diese schwache Zelle wird zuerst vollständig aufgeladen. Die anderen drei machen weiter. Diese schwache Zelle wird überladen, erzeugt Gas, erwärmt sich, und jetzt tritt in einer einzelnen Zelle ein lokaler Überstromzustand auf, während die Spannung des Akkus in Ordnung zu sein scheint.

Die unmittelbare Folge ist Hitze. Anhaltender Überstrom bei 2-facher Nennleistung führt dazu, dass die meisten Zellen innerhalb weniger Minuten die 60-Grad-Marke überschreiten. Die Zelle überlebt wahrscheinlich, aber der Lebenszyklus wird beeinträchtigt.

Wiederholte Überstromereignisse führen zu kumulativen Schäden. Die SEI-Schicht auf der Anode wird dicker. Der innere Widerstand steigt. Die Kapazität lässt nach. Eine Zelle, die bei 3000 mAh und 20 mΩ startete, könnte nach 200 missbräuchlichen Zyklen 2400 mAh und 35 mΩ haben. Bei bestimmungsgemäßer Verwendung hätte es 800 Zyklen geschafft.

Schwere Überströme-Kurzschlüsse-können eine Zelle innerhalb von Sekunden zerstören. Der Strom erreicht seinen Höhepunkt bei dem Wert, auf den der Innenwiderstand der Zelle ihn begrenzt. Ein voll aufgeladener High-Drain 18650 in einen harten Kurzschluss kann 200–300 A Momentanstrom liefern. Die Laschenschweißnähte sind oft die erste Fehlerstelle. Wenn die Laschen halten, erhitzt sich die Biskuitrolle so schnell, dass die Entlüftung innerhalb von Sekunden erfolgt.

Ich habe Zellen gesehen, die so stark entlüftet wurden, dass die positive Kappe durch das Labor geschleudert wurde. Beim Testen der Kurzschlussreaktion ist eine Schutzbrille nicht optional.

Overcurrent

Ein gutes Packungsdesign nutzt mehrere Schutzmechanismen. Kein einzelnes Gerät beherrscht jeden Fehlermodus.

PTCssitzen in den meisten zylindrischen Zellen namhafter Hersteller. Sie lösen basierend auf der Temperatur aus, nicht direkt auf dem Strom. Ein PTC kann zwar für 7 A ausgelegt sein und bei 15 A auslösen, der Auslösemechanismus ist jedoch thermisch. Die Reaktionszeit beträgt langsame -Hunderte von Millisekunden bis hin zu Sekunden. PTCs werden Sie nicht vor einem harten Kurzschluss bewahren. Sie bewältigen mäßige Überströme und geben dem Akku Zeit zum Abkühlen.

SicherungenEinmal blasen und geblasen bleiben. Sicherungen auf Pack--Niveau sind größer als der normale Betriebsstrom und bieten Spielraum für Einschaltströme und Transienten. Ein 10-A-Dauerpack könnte eine 15-A-Flinksicherung verwenden. Die Sicherung beseitigt einen harten Kurzschluss schneller als ein PTC, typischerweise in weniger als 100 ms bei hohen Fehlerströmen. Aber es tötet das Rudel auch dauerhaft. Es folgen Gewährleistungsansprüche.

Schutz-ICsÜberwachen Sie den Strom über einen Messwiderstand. Gemeinsame Teile von Seiko, TI und anderen bieten Überstromschwellen, die über externe Widerstände programmierbar oder intern fest codiert sind. Erkennungsverzögerungen betragen normalerweise 8–24 ms. Die Kurzschlusserkennung erfolgt schneller, oft unter 500 µs. Der IC steuert externe FETs an, um das Paket zu trennen.

Der Wert des Messwiderstands ist wichtig. Ein 5-mΩ-Messwiderstand sorgt für eine bessere Auflösung, senkt jedoch mehr Spannung und verbraucht bei hohen Strömen mehr Leistung. Ein 2-mΩ-Widerstand verschwendet weniger Strom, benötigt aber ein empfindlicheres Frontend. Die meisten Consumer-Packs verwenden je nach aktueller Klasse 3–10 mΩ.

BMSin größeren Packungen sorgt es für mehr Intelligenz. Aktive Strombegrenzung statt nur Auslösung/keine{1}}Auslösung. Temperatur-kompensierte Schwellenwerte. Protokollierung von Ereignissen zur Diagnose. Ein gutes BMS reduziert die Überstromgrenzen bei steigender Zellentemperatur und hält die Zellen auch bei dynamischer Belastung in ihrem sicheren Betriebsfenster.

CIDsDie inneren Zellen bieten den letzten-mechanischen Schutz. Das Stromunterbrechungsgerät wird bei internem Druckaufbau aktiviert. Wenn ein CID auslöst, ist die Zelle bereits einer erheblichen Belastung ausgesetzt. Die CID-Aktivierung bedeutet normalerweise, dass die Zelle verschrottet ist.

Datenblattbewertungen gehen von bestimmten Bedingungen aus. Ein Samsung 30Q mit einer Nennleistung von 15 A Dauerbetrieb setzt eine Umgebungstemperatur von 25 Grad und eine ausreichende Kühlung voraus. Stecken Sie die Zelle in ein isoliertes Gehäuse bei 35 Grad Umgebungstemperatur und 15 A bringen sie über sichere Temperaturen hinaus.

Pulswerte sehen attraktiv aus, sind aber mit Bedingungen verbunden. Eine Zelle könnte 10 Sekunden lang 30 A beanspruchen, aber das setzt voraus, dass die Zelle bei 25 Grad gestartet ist und vor dem nächsten Impuls Zeit zum Abkühlen hat. Rücken-an-Rückwärtsimpulse ohne Erholungszeit speichern Wärme, genau wie Dauerstrom.

Die Laderaten sind oft konservativer als die Entladeraten. Eine Zelle, die eine 20-A-Entladung bewältigen kann, verträgt möglicherweise nur eine 4-A-Ladung. Der Grund dafür ist das Risiko einer Lithiumplattierung. Einige neuere Zellen mit siliziumdotierten Anoden reagieren noch empfindlicher auf die Ladegeschwindigkeit.

Das Zellalter verändert alles. Eine neue Zelle mit 20 mΩ Innenwiderstand verträgt 20 A besser als eine ein Jahr alte Zelle mit 30 mΩ. Der Packschutz sollte die Widerstandsfähigkeit am Ende-der-Lebensdauer berücksichtigen, nicht nur die Spezifikationen neuer Zellen.

Jedes Packdesign benötigt eine Überstromvalidierung. Auf die Testausrüstung kommt es an.

Elektronische Lasten müssen den Strom schneller aufnehmen, als der Schutz anspricht. Ein Schutz-IC mit einer Erkennungsverzögerung von 10 ms benötigt eine Last, die den Zielstrom in weniger als 1 ms erreicht. Ein langsamer Lastanstieg führt dazu, dass der Schutz vorzeitig auslöst und falsches Vertrauen vermittelt.

Die Strommessung benötigt Bandbreite. Ein 10-mΩ-Messwiderstand bei 100 A liefert ein 1-V-Signal. Die Erfassung der tatsächlichen Spitze erfordert eine Bandbreite von mindestens 10 kHz, vorzugsweise mehr. Oszilloskopsonden mit ordnungsgemäßer Erdung vermeiden die Rauschprobleme, die zu fehlerhaften Daten führen.

Temperaturtests erkennen Designprobleme, die bei Raumtemperaturtests übersehen werden. Die Schwellenwerte der Schutz-ICs variieren mit der Temperatur. Der FET-Rds(on) steigt bei hoher Temperatur, was zu einem Spannungsabfall führt. Der Messwiderstand TCR ist wichtig, wenn sich der Widerstand durch einen Fehlerstrom erwärmt. Testen Sie bei -20 Grad, +25 Grad und mindestens +55 Grad.

Die Testmatrix wird groß. Ladeüberstrom, Entladeüberstrom, Kurzschluss. Jeweils bei drei Temperaturen. Jeweils auf mehreren SOC-Ebenen, da die Zellimpedanz je nach Ladezustand variiert. Für statistische Sicherheit mit der Stichprobengröße multiplizieren. Eine gründliche Validierung führt Hunderte von Tests durch.

Overcurrent

UL 2054deckt tragbare Akkupacks für nordamerikanische Märkte ab. Beim Kurzschlusstest wird für 10 Sekunden ein spannungsloser Kurzschluss erzeugt. Die Packung darf weder Feuer fangen noch explodieren. Die Temperatur wird überwacht, es wird jedoch kein spezifischer Grenzwert angegeben. Dies ist eine Mindestgrenze.

IEC 62133-2gilt international. Beim externen Kurzschlusstest wird ein Gesamtstromkreiswiderstand von weniger als 100 mΩ verwendet, der eine Stunde lang oder bis zur Temperaturstabilisierung gehalten wird. Strenger als UL 2054 hinsichtlich der Dauer.

UN 38.3regelt den Versand. Test 5 erfordert einen Kurzschluss von weniger als 0,1 Ω. Zellen oder Batterien dürfen sich nicht zerlegen oder in Brand geraten. Dies ist wichtig, da die Nichterfüllung von UN 38.3 bedeutet, dass Ihr Produkt nicht legal transportiert werden kann.

SAE J2464deckt EV-Anwendungen mit strengeren Anforderungen ab. Der Kurzschlusswiderstand sinkt auf 5 mΩ und die thermischen/mechanischen Kriterien sind spezifischer.

Das Bestehen dieser Tests bedeutet nicht, dass das Schutzdesign gut ist. Dies bedeutet, dass das Schutzdesign für die Zertifizierung ausreichend ist. Der reale-Missbrauch kann die Testbedingungen überschreiten.

Die Drahtstärke steigt ständig an. Unterdimensionierte Drähte erhöhen den Widerstand und erzeugen Hitze an den Anschlüssen. Der Draht selbst kann zwar den Strom verarbeiten, aber gecrimpte Anschlüsse oder Lötstellen werden zu heißen Stellen. Akkus, die wegen „Batteriefehler“ zurückgeschickt werden, weisen häufig verbrannte Kabelanschlüsse auf, obwohl die Zellen in Ordnung sind.

Ein weiterer Schwachpunkt ist die Steckerauswahl. Angeblich sind XT60-Anschlüsse für einen Dauerstrom von 60 A ausgelegt. Diese Bewertung setzt perfekte Crimps und saubere Kontakte voraus. In der Praxis wird die Zuverlässigkeit aus Gründen der Zuverlässigkeit um 30–40 % herabgesetzt. Anderson Powerpoles haben ähnliche Überlegungen.

Das Schweißen von Laschen an Zellen erfordert Aufmerksamkeit. Eine gute Schweißnaht weist einen geringen Widerstand und eine geringe mechanische Festigkeit auf. Eine Kaltschweißnaht sieht zwar gut aus, versagt jedoch bei Vibration oder Temperaturwechsel. Eine verbrannte Schweißnaht hat die Dose beschädigt und eine Schwachstelle geschaffen. Schweißpläne müssen mit Zugtests und Widerstandsmessungen validiert werden.

Das Wärmemanagement hängt mit der Überstromfähigkeit zusammen. Eine Packung mit aktiver Kühlung kann höhere Ströme aushalten als eine versiegelte Packung ohne Luftstrom. Einige Designs verwenden Thermistoren an den Zellen, um eine Stromreduzierung auszulösen, bevor die Temperaturen einen kritischen Wert erreichen.

Überstrom zerstört Lithiumbatterien. Manchmal schnell, manchmal langsam, aber immer schädlich. Aktuelle Grenzwerte bestehen aus physikalischen und chemischen Gründen und nicht aus willkürlichem Konservatismus.

Für einen guten Schutz sind mehrere Schichten erforderlich, da jede Schutzart Schwächen aufweist. PTCs sind langsam. Es handelt sich um einmalige -Sicherungen. ICs hängen von der Lesegenauigkeit ab. BMS erhöht die Kosten und die Komplexität. CIDs bedeuten, dass die Zelle bereits beschädigt ist.

Tests müssen tatsächliche Nutzungsbedingungen und Missbrauchsszenarien widerspiegeln. Das Bestehen von Zertifizierungstests ist notwendig, aber nicht ausreichend.

Die Wahl des Verpackungsdesigns -Kabel, Anschlüsse, Thermik, Ränder-bestimmt, ob der Schutz tatsächlich schützt oder nur auf dem Papier gut aussieht.

Die Zellen, denen ich vertraue, stammen von Herstellern mit gleichbleibender Qualität und veröffentlichten Daten. Die Pakete, denen ich vertraue, verwenden Schutzschaltungen von renommierten Anbietern mit ordnungsgemäßem Anwendungsdesign. Alles andere wird mit Vorsicht behandelt, bis das Gegenteil bewiesen ist.