과전류란 무엇입니까?

과전류는 배터리가 원래 용도보다 더 많은 전류를 전달하거나 수용하도록 요청받고 있음을 의미합니다. 그렇게 간단합니다. 세포가 뜨거워지고, 화학 작용이 스트레스를 받으며, 아무도 개입하지 않으면 상황이 엇나가게 됩니다.

나는 현장 반품에서 이 문제를 끊임없이 봅니다. 팩에는 탄 흔적, 녹은 탭, 겉으로는 괜찮아 보이지만 내부적으로는 죽은 것으로 측정된 셀이 있습니다. 10번 중 9번은 누군가가 너무 많은 전류를 끌어오거나 보호 기능이 실패했습니다.

리튬 셀에는 엄격한 제한이 있습니다. 10A 연속 정격 셀은 실온에서 하루 종일 10A를 견딜 수 있습니다. 15A까지 올리면 내부 온도가 올라갑니다. 30A로 밀어 넣으면 뭔가가 나올 때까지 몇 초 정도 걸릴 수 있습니다.

리튬 셀의 발열은 I²R을 따릅니다. 일반적인 18650의 내부 저항은 셀과 수명에 따라 약 15-30mΩ입니다. 25mΩ 셀에 숫자를 입력해 보세요.

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

그 40W는 강철 캔 안에 들어갈 곳이 없습니다. 셀 온도가 급등합니다. 80도 부근에서 전해질이 분해되기 시작합니다. 130도 이상에서는 분리기가 작동하지 않을 수 있습니다. 그 후에는 열 폭주가 실제로 가능해집니다.

충전 과전류는 동일한 물리학을 따르지만 추가 문제가 있습니다. 리튬 도금. 충전 전류가 너무 높으면 리튬 금속이 적절하게 삽입되지 않고 양극 표면에 침전됩니다. 그 도금은 영구적인 용량 손실입니다. 또한 수상돌기 형성 위험도 발생합니다.

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외부 반바지제조업체가 인정하는 것보다 더 많은 일이 발생합니다. 인클로저의 느슨한 나사. 손상된 와이어가 프레임에 닿고 있습니다. 전도성 경로를 생성하는 물 유입. 나는 팩 커넥터에 삽입 중에 양극 핀이 인클로저 접지에 접촉하게 하는 설계 결함이 있는 리콜 작업을 진행했습니다. 누군가가 그것을 잡기 전에 수천 개의 팩이 나갔습니다.

부하 결함전동 공구 응용 프로그램에 지속적으로 나타납니다. 브러시 모터는 6-8x 작동 전류에서 정지됩니다. FOC 제어 기능을 갖춘 브러시리스 핸들은 더 잘 정지하지만 여전히 스파이크가 심합니다. 배터리는 모터 컨트롤러가 이에 대해 조치를 취하는지 여부에 관계없이 스파이크를 확인합니다.

충전기 문제미묘한 경향이 있습니다. 3S 팩에 연결된 4S 팩용으로 설계된 충전기입니다. 전압 제한은 여전히 작동할 수 있지만 전류 프로필이 잘못되었습니다. 또는 충전기 감지 라인이 끊어지고 충전기가 무언가 작동할 때까지 최대 전류를 공급합니다.

셀 불일치시리즈 팩은 교활합니다. 직렬로 연결된 4개의 셀 중 3개는 3000mAh이고, 그 중 하나는 실제로 2700mAh입니다. 6개월 동안 뜨거운 창고에 보관되었기 때문입니다. 그 약한 셀이 먼저 완전히 충전됩니다. 나머지 세 명은 계속해서 밀고 나갑니다. 그 약한 셀은 과충전되고, 가스를 생성하고, 가열되고, 이제 팩 전압은 양호해 보이지만 단일 셀 내부에서 국부적인 과전류 상태가 발생합니다.

즉각적인 결과는 열입니다. 2x 정격의 지속적인 과전류는 몇 분 내에 대부분의 셀을 60도 이상으로 밀어냅니다. 아마도 세포는 살아남을 수 있지만 주기 수명에 타격을 입게 됩니다.

반복되는 과전류 이벤트로 인해 누적된 손상이 발생합니다. 양극의 SEI 층이 두꺼워집니다. 내부 저항이 점점 커집니다. 용량이 줄어듭니다. 3000mAh 및 20mΩ에서 시작된 셀은 200회의 가혹 주기 후에 2400mAh 및 35mΩ이 될 수 있습니다. 적절하게 사용했다면 800사이클을 만들었을 것입니다.

심각한 과전류-단락 상태-로 인해 셀이 몇 초 만에 종료될 수 있습니다. 전류는 셀의 내부 저항이 제한하는 모든 지점에서 최고조에 달합니다. 완전 충전된 하이{4}}드레인 18650을 하드 단락으로 전환하면 순간 전류가 200~300A가 될 수 있습니다. 탭 용접은 종종 첫 번째 실패 지점입니다. 탭이 고정되면 젤리 롤이 너무 빨리 가열되어 몇 초 내에 배출됩니다.

나는 세포가 너무 세게 배출되어 실험실 전체에 양성 캡이 튀어 나오는 것을 보았습니다. 단락 반응을 테스트할 때 보안경은 선택 사항이 아닙니다.

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좋은 팩 디자인은 다양한 보호 메커니즘을 사용합니다. 단일 장치가 모든 오류 모드를 처리할 수는 없습니다.

PTC평판이 좋은 제조업체의 대부분의 원통형 셀 내부에 앉아 있습니다. 전류가 아닌 온도에 따라 트립됩니다. PTC는 7A를 유지하고 15A에서 트립되도록 정격될 수 있지만 트립 메커니즘은 열적입니다. 응답 시간은-수백 밀리초에서 초까지 느립니다. PTC는 극심한 공매도에서 귀하를 구해 주지는 않습니다. 적당한 과전류를 처리하고 팩이 냉각될 시간을 제공합니다.

퓨즈한 번 불고 그대로 유지하세요. 팩- 레벨 퓨즈는 돌입 및 과도 전류에 대한 여유를 두고 정상 작동 전류보다 큰 크기입니다. 10A 연속 팩은 15A 고속-블로우 퓨즈를 사용할 수 있습니다. 퓨즈는 PTC보다 빠르게 단락을 제거합니다. 일반적으로 높은 오류 전류에서 100ms 미만입니다. 그러나 그것은 또한 무리를 영구적으로 죽입니다. 보증 청구가 이어집니다.

보호 IC감지 저항기를 통해 전류를 모니터링합니다. Seiko, TI 등의 공통 부품은 외부 저항기를 통해 프로그래밍할 수 있거나 내부적으로 하드코딩된 과전류 임계값을 제공합니다. 감지 지연은 일반적으로 8~24ms 동안 실행됩니다. 단락 감지는 더 빠르며 종종 500μs 미만입니다. IC는 외부 FET를 구동하여 팩을 분리합니다.

감지 저항 값이 중요합니다. 5mΩ 감지 저항은 더 나은 분해능을 제공하지만 고전류에서 더 많은 전압을 떨어뜨리고 더 많은 전력을 소비합니다. 2mΩ 저항기는 전력을 덜 낭비하지만 더 민감한 프런트 엔드가 필요합니다. 대부분의 소비자 팩은 전류 클래스에 따라 3-10mΩ을 사용합니다.

BMS더 큰 팩에는 지능이 추가됩니다. 단순한 트립/비{1}}트립이 아닌 능동 전류 제한입니다. 온도-보상 임계값. 진단을 위한 이벤트 로깅. 좋은 BMS는 셀 온도가 상승함에 따라 과전류 제한을 줄여 동적 부하에서도 셀을 안전한 작동 창에 유지합니다.

CID내부 셀은 최후의-수단으로 기계적 보호를 제공합니다. 전류 차단 장치는 내부 압력이 증가하면 활성화됩니다. CID가 트립될 때 셀은 이미 상당한 스트레스를 경험한 상태입니다. CID 활성화는 일반적으로 셀이 폐기되었음을 의미합니다.

데이터시트 등급은 특정 조건을 가정합니다. 연속 15A 정격의 Samsung 30Q는 주변 온도가 25도이고 냉각이 적절하다고 가정합니다. 해당 셀을 주변 온도 35도의 절연 인클로저 안에 붙이면 15A가 안전한 온도를 넘어갑니다.

펄스 등급은 매력적으로 보이지만 문자열이 첨부되어 있습니다. 셀은 10초 동안 30A를 요구할 수 있지만 이는 셀이 25도에서 시작하고 다음 펄스 전에 냉각될 시간이 있다고 가정합니다. 회복 시간이 없는 백{5}}투{6}}백 펄스는 연속 전류와 마찬가지로 열을 축적합니다.

충전 속도는 방전 속도보다 더 보수적인 경우가 많습니다. 20A 방전을 처리하는 셀은 4A 충전만 허용할 수 있습니다. 리튬 도금 위험이 이유입니다. 실리콘- 도핑된 양극을 사용하는 일부 최신 셀은 충전 속도에 훨씬 더 민감합니다.

세포 나이는 모든 것을 변화시킵니다. 내부 저항이 20mΩ인 새 셀은 30mΩ에서 1년 된 셀보다{3}}20A를 더 잘 처리합니다. 팩 보호는 새로운 셀 사양뿐만 아니라 수명이 다한-저항도-고려해야 합니다.

모든 팩 설계에는 과전류 검증이 필요합니다. 테스트 장비가 중요합니다.

전자 부하는 보호 장치가 응답하는 것보다 더 빠르게 전류를 싱크해야 합니다. 감지 지연이 10ms인 보호 IC에는 1ms 이내에 목표 전류에 도달하는 부하가 필요합니다. 느린 부하 증가-는 보호가 조기에 작동하도록 하고 잘못된 신뢰를 제공합니다.

전류 측정에는 대역폭이 필요합니다. 100A에서 10mΩ 감지 저항은 1V 신호를 제공합니다. 실제 피크를 캡처하려면 최소 10kHz의 대역폭이 필요하며 그 이상인 것이 좋습니다. 적절하게 접지된 스코프 프로브는 쓰레기 데이터를 제공하는 노이즈 문제를 방지합니다.

온도 테스트는 실온 테스트에서 놓친 설계 문제를 포착합니다. 보호 IC 임계값은 온도에 따라 변합니다. FET Rds(on)는 고온에서 증가하여 전압 강하를 추가합니다. 감지 저항기 TCR은 결함 전류 통과로 인해 저항기가 가열될 때 중요합니다. 최소 -20도, +25도, 최소 +55도에서 테스트하세요.

테스트 매트릭스가 커집니다. 충전 과전류, 방전 과전류, 단락. 각각 세 가지 온도에서 사용됩니다. 셀 임피던스는 충전 상태에 따라 달라지므로 각각 여러 SOC 수준에 있습니다. 통계적 신뢰도를 얻으려면 표본 크기를 곱하세요. 철저한 검증을 통해 수백 번의 테스트가 실행됩니다.

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UL 2054북미 시장용 휴대용 배터리 팩을 다룹니다. 단락 테스트는 10초 동안 데드 단락을 적용합니다. 팩에 불이 붙거나 폭발해서는 안 됩니다. 온도는 모니터링되지만 구체적인 제한은 없습니다. 이것은 최소 막대입니다.

IEC 62133-2국제적으로 적용됩니다. 외부 단락 테스트에서는 1시간 동안 또는 온도가 안정될 때까지 유지되는 100mΩ 미만의 총 회로 저항을 사용합니다. 지속 기간은 UL 2054보다 더 엄격합니다.

유엔 38.3배송을 관리합니다. 테스트 5에서는 0.1Ω 미만의 단락이 필요합니다. 셀이나 배터리가 분해되거나 화재가 발생해서는 안 됩니다. UN 38.3에 실패하면 제품을 합법적으로 운송할 수 없기 때문에 이것이 중요합니다.

SAE J2464요구 사항이 더 엄격한 EV 애플리케이션을 다루고 있습니다. 단락 저항은 5mΩ으로 떨어지며 열/기계적 기준은 더욱 구체적입니다.

이러한 테스트를 통과했다고 해서 보호 설계가 좋다는 의미는 아닙니다. 이는 보호 설계가 인증에 적합하다는 것을 의미합니다. 실제-악용 사례는 테스트 조건을 초과할 수 있습니다.

와이어 게이지가 지속적으로 나타납니다. 크기가 작은 와이어는 저항을 추가하고 연결 시 열을 발생시킵니다. 전선 자체는 전류를 처리할 수 있지만 압착된 단자나 납땜 접합부는 핫스팟이 됩니다. "배터리 오류"로 인해 반환된 팩에는 셀이 정상인데도 전선 단자가 타버린 것으로 나타나는 경우가 많습니다.

커넥터 선택은 또 다른 약점입니다. XT60 커넥터의 정격은 60A 연속인 것으로 추정됩니다. 이 등급은 완벽한 크림프와 깨끗한 접점을 가정합니다. 실제로는 신뢰성을 위해 30~40% 정도 감소되었습니다. Anderson Powerpoles도 비슷한 고려 사항을 가지고 있습니다.

셀의 탭 용접에는 주의가 필요합니다. 좋은 용접은 저항과 기계적 강도가 낮습니다. 냉간 용접은 괜찮아 보이지만 진동이나 열 순환으로 인해 실패합니다. 타버린 용접으로 인해 캔이 손상되고 약한 부분이 생겼습니다. 용접 일정은 당김 테스트 및 저항 측정을 통해 검증이 필요합니다.

열 관리는 과전류 기능과 연결됩니다. 능동 냉각 기능이 있는 팩은 공기 흐름이 없는 밀봉된 팩보다 더 높은 전류를 견딜 수 있습니다. 일부 설계에서는 셀에 서미스터를 사용하여 온도가 심각해지기 전에 전류 감소를 트리거합니다.

과전류로 인해 리튬 배터리가 사망합니다. 때로는 빠르고 때로는 느리지만 항상 피해를 줍니다. 현재 제한은 자의적인 보수주의가 아니라 물리학 및 화학과 관련된 이유로 존재합니다.

각 보호 유형에는 약점이 있으므로 우수한 보호에는 여러 계층이 필요합니다. PTC는 느립니다. 퓨즈는 일회성-입니다. IC는 감지 정확도에 따라 달라집니다. BMS는 비용과 복잡성을 추가합니다. CID는 셀이 이미 손상되었음을 의미합니다.

테스트에는 실제 사용 조건과 남용 시나리오를 반영해야 합니다. 인증 테스트를 통과하는 것은 필요하지만 충분하지는 않습니다.

팩 디자인 선택-전선, 커넥터, 열, 여백-에 따라 보호 기능이 실제로 보호되는지 또는 종이에 보기 좋게 보이는지 여부가 결정됩니다.

제가 신뢰하는 셀은 일관된 품질과 공개된 데이터를 갖춘 제조업체에서 생산됩니다. 내가 신뢰하는 팩은 적절한 애플리케이션 설계를 갖춘 평판이 좋은 공급업체의 보호 회로를 사용합니다. 다른 모든 것은 다르게 입증될 때까지 주의 깊게 다루어집니다.