Qu’est-ce que la surintensité ?

La surintensité signifie que la batterie doit fournir ou accepter plus de courant que ce pour quoi elle a été conçue. Aussi simple que ça. La cellule se réchauffe, la chimie est stressée et les choses tournent mal si personne n’intervient.

Je vois constamment ce problème dans les retours sur le terrain. Les packs reviennent avec des traces brûlées, des languettes fondues, des cellules qui semblent bonnes à l'extérieur mais qui sont mortes à l'intérieur. Neuf fois sur dix, quelqu'un a tiré trop de courant ou la protection est tombée en panne.

Les piles au lithium ont des limites strictes. Une cellule évaluée à 10 A en continu tolérera 10 A toute la journée à température ambiante. Poussez-le à 15A et la température interne grimpe. Poussez-le à 30A et vous avez peut-être quelques secondes avant que quelque chose ne cède.

La génération de chaleur dans une pile au lithium suit I²R. La résistance interne d'un 18650 typique se situe autour de 15 à 30 mΩ selon la cellule et son âge. Exécutez les nombres sur une cellule de 25 mΩ.

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

Ces 40 W n’ont nulle part où aller dans une boîte en acier. La température des cellules augmente. L'électrolyte commence à se décomposer à environ 80 degrés. Au-dessus de 130 degrés, le séparateur peut tomber en panne. Après cela, l’emballement thermique devient une réelle possibilité.

La surintensité de charge suit la même physique mais avec un problème supplémentaire. Placage au lithium. Poussez le courant de charge trop élevé et les dépôts de lithium métallique sur la surface de l'anode au lieu de s'intercaler correctement. Ce placage constitue une perte de capacité permanente. Cela crée également un risque de formation de dendrites.

Overcurrent

Short externecela se produit plus que ce que les fabricants aiment admettre. Une vis desserrée dans un boîtier. Un fil endommagé frottant contre un cadre. Infiltration d'eau créant un chemin conducteur. J'ai travaillé sur un rappel dans lequel le connecteur du pack présentait un défaut de conception qui laissait la broche positive entrer en contact avec la masse du boîtier lors de l'insertion. Des milliers de paquets sont sortis avant que quiconque ne l'attrape.

Défauts de chargeapparaissent constamment dans les applications d’outils électriques. Les moteurs à balais calent à un courant de fonctionnement 6 à 8 fois supérieur. Le brushless avec contrôle FOC gère mieux les décrochages mais reste toujours fort. La batterie voit ce pic, que le contrôleur du moteur fasse quelque chose ou non.

Problèmes de chargeuront tendance à être subtils. Un chargeur conçu pour un pack 4S branché sur un pack 3S. Les limites de tension peuvent toujours fonctionner, mais le profil actuel est erroné. Ou la ligne de détection du chargeur se casse et le chargeur pousse simplement le courant maximum jusqu'à ce que quelque chose se déclenche.

Inadéquation des cellulesdans les packs en série est insidieux. Quatre cellules en série, trois d'entre elles de 3 000 mAh, l'une d'entre elles de 2 700 mAh car elle est restée dans un entrepôt chaud pendant six mois. Cette cellule faible atteint sa pleine charge en premier. Les trois autres continuent de pousser. Cette cellule faible est surchargée, génère du gaz, chauffe et vous avez maintenant une condition de surintensité locale qui se produit à l'intérieur d'une seule cellule alors que la tension du pack semble correcte.

La conséquence immédiate est la chaleur. Une surintensité soutenue à 2x la valeur nominale poussera la plupart des cellules au-delà de 60 degrés en quelques minutes. La cellule survit probablement, mais le cycle de vie en prend un coup.

Les événements de surintensité répétés créent des dommages cumulatifs. La couche SEI sur l'anode s'épaissit. La résistance interne augmente. La capacité s’estompe. Une cellule qui a démarré à 3 000 mAh et 20 mΩ pourrait atteindre 2 400 mAh et 35 mΩ après 200 cycles abusifs. Il aurait effectué 800 cycles s'il était utilisé correctement.

De graves surintensités-des conditions de court-circuit-peuvent mettre fin à une cellule en quelques secondes. Le courant atteint son maximum quelle que soit la limite de la résistance interne de la cellule. Un 18650 à haute consommation entièrement chargé - dans un court-circuit dur peut voir un courant instantané de 200 à 300 A. Les soudures des languettes sont souvent le premier point de rupture. Si les languettes tiennent, le rouleau de gelée chauffe si vite qu'une ventilation s'ensuit en quelques secondes.

J'ai vu des cellules qui s'évacuaient si fort que le capuchon positif avait été lancé à travers le laboratoire. Les lunettes de sécurité ne sont pas facultatives lors du test de réponse aux courts-circuits.

Overcurrent

Une bonne conception de pack utilise plusieurs mécanismes de protection. Aucun appareil ne gère à lui seul tous les modes de défaillance.

PTCse trouvent à l’intérieur de la plupart des cellules cylindriques de fabricants réputés. Ils se déclenchent en fonction de la température et non directement du courant. Un PTC peut être conçu pour contenir 7 A et se déclencher à 15 A, mais le mécanisme de déclenchement est thermique. Le temps de réponse est lent -de centaines de millisecondes à quelques secondes. Les PTC ne vous sauveront pas d’un short dur. Ils gèrent une surintensité modérée et donnent au pack le temps de se refroidir.

Fusiblessoufflez une fois et restez soufflé. Les fusibles au niveau du pack-sont dimensionnés au-dessus du courant de fonctionnement normal avec une marge pour les appels et les transitoires. Un pack continu de 10 A peut utiliser un fusible à fusion rapide-de 15 A. Le fusible supprime un court-circuit plus rapidement qu'un PTC, généralement en moins de 100 ms à des courants de défaut élevés. Mais cela tue aussi la meute de façon permanente. Les demandes de garantie suivent.

CI de protectionsurveiller le courant à travers une résistance de détection. Les pièces communes de Seiko, TI et autres fournissent des seuils de surintensité programmables via des résistances externes ou codées en dur en interne. Les délais de détection durent généralement entre 8 et 24 ms. La détection des courts-circuits est plus rapide, souvent inférieure à 500µs. Le circuit intégré pilote des FET externes pour déconnecter le pack.

La valeur de la résistance de détection est importante. Une résistance de détection de 5 mΩ offre une meilleure résolution mais diminue plus de tension et dissipe plus de puissance à des courants élevés. Une résistance de 2 mΩ gaspille moins d’énergie mais nécessite un frontal plus sensible. La plupart des packs grand public utilisent 3 à 10 mΩ selon la classe actuelle.

GTCdans des paquets plus grands, ajoute de l'intelligence. Limitation de courant active plutôt qu'un simple déclenchement/pas de-déclenchement. Seuils compensés en température-. Journalisation des événements pour le diagnostic. Un bon BMS réduit les limites de surintensité à mesure que la température des cellules augmente, maintenant les cellules dans leur fenêtre de fonctionnement sûre, même sous des charges dynamiques.

CIDles cellules intérieures offrent une protection mécanique de dernier-recours. Le dispositif d'interruption de courant s'active lors de l'accumulation de pression interne. Au moment où un CID se déclenche, la cellule a déjà subi un stress important. L'activation du CID signifie généralement que la cellule est mise au rebut.

Les évaluations des fiches techniques supposent des conditions spécifiques. Un Samsung 30Q évalué à 15 A en continu suppose une température ambiante de 25 degrés et un refroidissement adéquat. Collez cette cellule à l'intérieur d'un boîtier isolé à 35 degrés ambiants et 15 A la pousseront au-delà des températures sûres.

Les évaluations du pouls semblent attrayantes mais sont accompagnées de conditions. Une cellule peut réclamer 30 A pendant 10 secondes, mais cela suppose que la cellule a démarré à 25 degrés et a le temps de refroidir avant la prochaine impulsion. Les impulsions dos à-à-dos sans temps de récupération accumulent de la chaleur tout comme le courant continu.

Les taux de charge sont souvent plus conservateurs que les taux de décharge. Une cellule qui gère une décharge de 20 A ne peut tolérer qu'une charge de 4 A. Le risque de placage au lithium en est la raison. Certaines cellules plus récentes avec des anodes dopées au silicium - sont encore plus sensibles au taux de charge.

L’âge cellulaire change tout. Une nouvelle cellule avec une résistance interne de 20 mΩ gère 20 A mieux qu'une cellule vieille d'un an-à 30 mΩ. La protection du pack doit tenir compte de la-résistance en fin de vie-, et pas seulement des nouvelles spécifications cellulaires.

Chaque conception de pack nécessite une validation de surintensité. L’équipement de test est important.

Les charges électroniques doivent absorber le courant plus rapidement que la protection ne réagit. Un circuit intégré de protection avec un délai de détection de 10 ms nécessite une charge qui atteint le courant cible en moins de 1 ms. Une montée en charge lente- permet à la protection de se déclencher plus tôt et donne une fausse confiance.

La mesure actuelle nécessite une bande passante. Une résistance de détection de 10 mΩ à 100 A donne un signal de 1 V. La capture du pic réel nécessite au moins une bande passante de 10 kHz, de préférence davantage. Les sondes Scope avec une mise à la terre appropriée évitent les problèmes de bruit qui génèrent des données inutiles.

Les tests de température détectent les problèmes de conception qui ne sont pas détectés par les tests à température ambiante. Les seuils du circuit intégré de protection dérivent avec la température. FET Rds(on) augmente à haute température, ajoutant une chute de tension. La résistance de détection TCR est importante lorsque la résistance chauffe à cause du passage d'un courant de défaut. Testez à -20 degrés, +25 degrés et +55 degrés minimum.

La matrice de test devient grande. Surintensité de charge, surintensité de décharge, court-circuit. Chacun à trois températures. Chacun à plusieurs niveaux SOC car l'impédance des cellules varie en fonction de l'état de charge. Multipliez par la taille de l’échantillon pour plus de confiance statistique. Une validation approfondie exécute des centaines de tests.

Overcurrent

UL2054couvre les blocs-batteries portables destinés aux marchés nord-américains. Le test de court-circuit applique un court-circuit pendant 10 secondes. Le pack ne doit pas prendre feu ni exploser. La température est surveillée mais aucune limite spécifique n'est annoncée. Il s'agit d'une barre minimale.

CEI 62133-2s'applique à l'échelle internationale. Les tests de court-circuit externe utilisent une résistance totale de circuit inférieure à 100 mΩ maintenue pendant une heure ou jusqu'à ce que la température se stabilise. Plus strict que UL 2054 sur la durée.

ONU 38.3régit l’expédition. Le test 5 nécessite un court-circuit inférieur à 0,1Ω. Les piles ou batteries ne doivent pas se démonter ni prendre feu. Celui-ci est important car le fait de ne pas respecter la norme ONU 38.3 signifie que votre produit ne peut pas être transporté légalement.

SAEJ2464couvre les applications EV avec des exigences plus strictes. La résistance aux courts-circuits descend à 5mΩ et les critères thermiques/mécaniques sont plus précis.

La réussite de ces tests ne signifie pas que la conception de la protection est bonne. Cela signifie que la conception de la protection est adéquate pour la certification. Les abus dans le monde réel- peuvent dépasser les conditions de test.

Le calibre du fil apparaît constamment. Un fil sous-dimensionné ajoute de la résistance et crée de la chaleur au niveau des connexions. Le fil lui-même peut supporter le courant, mais les bornes serties ou les joints de soudure deviennent des points chauds. Les packs retournés pour « panne de batterie » présentent souvent des bornes de fil brûlées alors que les cellules vont bien.

La sélection des connecteurs est un autre point faible. Les connecteurs XT60 sont censés être conçus pour 60 A en continu. Cette note suppose des sertissages parfaits et des contacts propres. En pratique, déclassé de 30 à 40 % pour la fiabilité. Anderson Powerpoles a des considérations similaires.

Le soudage des languettes sur les cellules nécessite une attention particulière. Une bonne soudure a une faible résistance et résistance mécanique. Une soudure à froid semble bonne mais échoue sous l'effet des vibrations ou des cycles thermiques. Une soudure brûlée a endommagé la canette et crée un point faible. Les programmes de soudure doivent être validés avec des tests de traction et des mesures de résistance.

La gestion thermique est liée à la capacité de surintensité. Un pack avec refroidissement actif peut supporter des courants plus élevés qu’un pack scellé sans flux d’air. Certaines conceptions utilisent des thermistances sur les cellules pour déclencher une réduction de courant avant que les températures ne deviennent critiques.

La surintensité tue les batteries au lithium. Parfois rapide, parfois lent, mais toujours dommageable. Les limites actuelles existent pour des raisons liées à la physique et à la chimie, et non à un conservatisme arbitraire.

Une bonne protection nécessite plusieurs couches car chaque type de protection présente des faiblesses. Les PTC sont lents. Les fusibles sont uniques-. Les circuits intégrés dépendent de la précision des détections. Le BMS ajoute du coût et de la complexité. Les CID signifient que la cellule est déjà endommagée.

Les tests doivent refléter les conditions d’utilisation réelles et les scénarios d’abus. La réussite des tests de certification est nécessaire mais pas suffisante.

Les choix de conception du pack-câbles, connecteurs, composants thermiques, marges-déterminent si la protection protège réellement ou si elle est simplement belle sur le papier.

Les cellules auxquelles je fais confiance proviennent de fabricants offrant une qualité constante et des données publiées. Les packs auxquels je fais confiance utilisent des circuits de protection provenant de fournisseurs réputés avec une conception d'application appropriée. Tout le reste est traité avec prudence jusqu'à preuve du contraire.