Qu’est-ce qu’une surtension ?
J'ai reçu un appel d'un intégrateur de packs dans l'Ohio mardi dernier. Ils avaient un pack LFP 14S qui revenait d'une installation solaire avec deux cellules lisant 3,91 V. LFP. Ne devrait jamais rien voir au-dessus de 3,65 V en utilisation normale. Les cellules avaient l'air bien de l'extérieur, mais lorsque nous en avons ouvert une, la feuille cathodique était devenue brune sur les bords. Dégâts de surcharge classiques.
Il s'avère qu'ils utilisaient un chargeur au plomb-acide. Le client l'a échangé car l'original est mort. Le chargeur au plomb-acide 48 V produit un flotteur de 58,4 V. Sur un pack LFP 14S qui fonctionne à 4,17 V par cellule. Pas de problème pour l'acide plomb-. Gros problème pour la LFP.
Ce genre de choses arrive plus souvent que les gens ne l’admettent.
La surtension signifie pousser une cellule au-delà de sa tension de charge nominale maximale. Le nombre dépend de la chimie. NMC et NCA plafonnent à 4,20 V. Certaines variantes NMC à haute -énergie sont évaluées à 4,35 V, mais ce sont des cellules spécialisées et vous devez savoir ce que vous en faites. La chimie LFP a un plafond de 3,65 V. Le LTO est d'environ 2,85 V. Ces chiffres proviennent de la fiche technique du fournisseur de cellules. Ignorez-les et vous aurez des problèmes.
Dégradation des cellules internes
Ce qui se passe à l’intérieur de la cellule en cas de surtension n’est pas compliqué. Le matériau de la cathode veut abandonner l'oxygène lorsque vous en extrayez trop de lithium. Cet oxygène réagit avec l'électrolyte. Pendant ce temps, le lithium métallique commence à se déposer sur la surface de l'anode car le graphite ne peut pas absorber les ions assez rapidement. Le placage est mauvais pour deux raisons. Il s’agit d’une perte de capacité irréversible qui crée des dendrites qui peuvent éventuellement court-circuiter la cellule en interne.
Beaucoup de gens pensent qu'il existe une marge dans la spécification 4,20 V. Il n’y en a pas.
Les fabricants de cellules fixent cette limite au point où la dégradation devient inacceptable. Passer à 4,25 V une fois est probablement bien. Y aller à chaque cycle tuera la cellule en quelques centaines de cycles au lieu de quelques milliers. Si vous dépassez 4,30 V, vous n'obtiendrez peut-être pas quelques centaines de cycles. J'ai vu des cellules gonfler à 4,35 V après une seule charge. Cela dépend de la cellule.
Le rôle du BMS
Le BMS est censé détecter cela. Chaque cellule du pack possède son propre fil de détection. La puce AFE lit toutes les tensions des cellules et les compare à un seuil. Si une cellule dépasse, la charge s'arrête. Assez simple.
Sauf que le BMS peut tomber en panne. J'ai vu des cartes BMS avec des joints de soudure à froid sur les connecteurs des fils de détection. Une cellule cesse de signaler et le micrologiciel revient par défaut à zéro au lieu de signaler un défaut. J'ai vu des puces AFE qui s'écartent de l'étalonnage en fonction de la température. Le BQ76940 de TI est généralement solide, mais l'ancien BQ76925 avait des problèmes avec le décalage de référence interne. Les puces AFE chinoises moins chères peuvent être partout.
L’équilibre est plus important qu’on ne le pense. Un pack de dix cellules en série aura une certaine répartition en capacité. Une cellule atteint sa pleine charge avant les autres. Si l'équilibrage est trop lent, la cellule haute se situe à 4,20 V tandis que le courant continue de circuler dans le pack. La tension sur cette cellule augmente. Avec l'équilibrage passif, vous êtes limité par la quantité de chaleur que vous pouvez évacuer à travers les résistances de purge. La plupart des conceptions fonctionnent avec un courant d'équilibre de 50 mA à 100 mA. Si vos cellules ne correspondent pas de plus de quelques pour cent, cela pourrait ne pas suffire.
L'équilibrage actif déplace la charge des cellules hautes vers les cellules basses au lieu de la brûler. Plus cher. Plus complexe. Cela est logique pour les gros packs où l’énergie gaspillée s’accumule ou pour les applications où vous ne pouvez tolérer aucune répartition de capacité.
La conception du chargeur constitue l’autre moitié de l’équation. Un convertisseur à découpage avec une régulation de rétroaction bâclée dépassera à faible charge. J'ai mesuré des chargeurs qui émettent 42,5 V lorsque le pack consomme moins de 100 mA vers la fin de la charge. Ce demi-volt supplémentaire réparti sur dix cellules est de 50 mV chacune. Ce n’est pas une catastrophe mais cela s’additionne aux autres tolérances.
La compensation de température dans le chargeur est également importante. Les piles au lithium doivent se charger à une tension inférieure lorsqu’elles sont chaudes. Certains chargeurs ajustent le point de consigne CV en fonction d'une thermistance. La plupart des produits bon marché ne le font pas. Un pack exposé au soleil à 45 °C et chargé à 4,20 V normal par cellule est effectivement surchargé.
Deux couches de protection valent mieux qu’une. Le BMS surveille les tensions des cellules. Un circuit intégré de protection secondaire peut surveiller la tension du pack et couper un FET en cas de problème. Pour la meute de l’Ohio qui a lancé toute cette discussion, ni l’un ni l’autre n’existait. Ils avaient un BMS stupide qui ne faisait que l'équilibrage. Aucune protection. Le client a supposé que le chargeur s’en chargerait. Mauvaise hypothèse.
Liste de contrôle de conception
Si vous concevez des packs, la liste de contrôle est assez courte.
- Utilisez un BMS avec un OVP réel au niveau de la cellule.
- Définissez le seuil avec une certaine marge, peut-être 4,18 V pour NMC.
- Assurez-vous que l’équilibrage peut suivre la propagation de vos cellules.
- Qualifiez le chargeur dans son enveloppe de fonctionnement et pas seulement à température ambiante sur le banc.
- Ajoutez un chemin de protection secondaire si l'application le justifie.
Le pack Ohio est en train d'être reconstruit avec un BMS approprié et un chargeur spécifié pour LFP. Leçon coûteuse. Cela aurait pu être pire. Personne n'a été blessé et rien n'a pris feu. Ce n’est pas toujours ainsi que se terminent ces histoires.
