Wat is batterijveiligheid?

Laat ik eerlijk zijn: de meeste batterijbranden die we in deze branche hebben gezien, waren niet mysterieus. Ze waren voorspelbaar. Iemand heeft een beschermingslaag overgeslagen om $ 50 te besparen, of een inkoopmanager heeft het goedkoopste GBS op Alibaba gekozen, of-en dit gebeurt meer dan je zou denken-een vorkheftruckchauffeur heeft het ding 's nachts laten opladen in een schuur zonder ventilatie tijdens de zomer.

Batterijveiligheidsbescherming is geen abstract technisch concept. Het is de verzameling hardware-, software- en ontwerpkeuzes die ervoor zorgen dat uw batterijpakket van $ 15.000 niet verandert in een verzekeringsclaim van $ 150.000. Of erger.

We bouwen al meer dan tien jaar LiFePO4-pakketten voor materiaaltransport en industriële voertuigen. Dit artikel bevat eigenlijk alles wat we wensten dat iemand ons had verteld toen we begonnen-plus een paar dure lessen die we op de harde manier hebben geleerd.

Prismatische cellen van industriële kwaliteit vereisen robuuste monitoringsystemen.

Waarom LiFePO4 en waarom het nog steeds bescherming nodig heeft

Hier is een vraag die we voortdurend van klanten krijgen: "Ik dacht dat lithiumijzerfosfaat de veilige chemie was. Waarom heb ik al dit beschermingsmateriaal nodig?"

Eerlijk punt. LiFePO4 is echt veiliger dan NCM of NCA. De olivijnkristalstructuur geeft geen zuurstof af als het heet wordt, wat betekent dat het zijn eigen vuur niet aanwakkert zoals ternaire chemie dat kan. We hebben spijkerpenetratietests uitgevoerd op cellen van vijf verschillende leveranciers.-LiFePO4-cellen raken meestal een temperatuur van ongeveer 150 graden en blijven daar maar zitten roken. NCM-cellen in dezelfde test? We hebben 600 graden + en echte vlammen gezien.

Maar ‘veiliger’ betekent niet ‘veiliger’. We hadden in 2021 een klant-een logistiek bedrijf in Guangdong-die dacht dat LiFePO4 betekende dat ze geen temperatuurmonitoring nodig hadden. Bespaarde misschien 800 RMB per pakket. Toen kwam augustus, het magazijn bereikte een temperatuur van 45 graden, het laadsysteem had geen thermische reductie en ze eindigden met drie gezwollen pakketten en één die daadwerkelijk ontluchtte. Gelukkig raakte niemand gewond. Maar ze zijn nu onze meest enthousiaste klanten voor volledig uitgeruste BMS.

De dingen die daadwerkelijk brand veroorzaken

Na tientallen veldfouten te hebben gezien (die van ons en die van de concurrentie), is dit wat er feitelijk misgaat:

Bij het opladen gebeuren 70% van de problemen.Niet ontladen, geen opslag-opladen. Specifiek:

• Opladen onder 0 graden zonder bescherming tegen lage- temperaturen. Lithiumplaten op de anode in plaats van goed te intercaleren. Je ziet het niet gebeuren. Zes maanden later, interne kortsluiting, thermische overstroming. We lieten een klant in Harbin dit op de dure manier leren.
• Overladen omdat de BMS-spanningsmeting afwijkende was en niemand het merkte. Cellen met een vermogen van 3,65 V worden elke cyclus naar 3,8 V geduwd. Werkt drie maanden prima, maar op een dag niet meer.
• Oplader-BMS-communicatiefout. De oplader denkt dat de batterij een SOC van 50% heeft, terwijl de batterij feitelijk 95% is. Volledige stroom in een bijna-vol pakket. Slechte tijden.

Celonbalans die niemand in de gaten houdt.Als in een 16S-pakket één cel een capaciteit heeft die 50 mAh lager is dan de andere, zal deze de SOC van 100% bereiken voordat het pakket dat doet. Blijf fietsen zonder te balanceren, die cel raakt elke keer overladen. We hebben pakketten zien terugkomen voor garantie waarbij één cel op 3,9 V stond terwijl de rest op 3,5 V stond. Dat is een brand die staat te gebeuren.

Mechanische schade die de afscheider in gevaar brengt.Heftrucks botsen tegen dingen aan. Dat is gewoon de realiteit. Als de impact de cellen intern beschadigt-zelfs als externe inspectie er goed uitziet-kan je vertraagde interne kortsluiting krijgen. Daarom specificeren wij stalen behuizingen voor vorkheftrucktoepassingen, en geen aluminium. Ja, het is zwaarder. Ja, het is het waard.

Actieve bescherming: voorkomen dat problemen beginnen

De industrie verdeelt dit in "actieve" en "passieve" bescherming. Actief betekent voorkomen dat er slechte dingen gebeuren. Passief betekent schadebeperking als ze toch gebeuren.

Begin met de cellen zelf

Klinkt voor de hand liggend, maar: koop goede cellen. We hebben in de loop der jaren cellen van misschien wel twintig verschillende leveranciers getest. De spreiding in kwaliteit is werkelijk schokkend. Dezelfde nominale specificaties, compleet ander gedrag bij misbruiktests.

Waar u op moet letten als u eenleverancier van industriële lithiumbatterijen:

• Vraag naar video's over de nagelpenetratietest. Geen gegevensbladen-echte video's. Goede cellen roken en sissen. Jetvlam van slechte cellen.
• Controleer de specificaties van de separator. Keramisch-gecoate scheiders kunnen veel beter omgaan met thermische spanning. We zijn in 2019 overgestapt op exclusief keramische-coating nadat een slechte partij conventionele scheiders in één kwartaal drie storingen in het veld had veroorzaakt.
• Elektrolytadditieven zijn belangrijk. Vlamvertragende additieven, additieven ter bescherming tegen overbelasting-dit spul is geen marketing, het is het verschil tussen een cel die gracieus faalt en een cel die gewelddadig faalt.

We hebben twee jaar besteed aan het kwalificeren van onze huidige mobiele leverancier. Vier keer de fabriek bezocht. Ik heb hun kwaliteitscontroleproces bekeken. Het is saai werk, maar daarom slapen we 's nachts.

Het BMS is het brein van de batterij en bewaakt de spanning, stroom en temperatuur.

BMS: het brein dat alles levend houdt

Laten we eerlijk zijn:-Een GBS kan van alles zijn: van een oplossing met één chip van € 15 tot een systeem met meerdere- kaarten van € 500, met redundantie. Je krijgt waar je voor betaalt.

Goedkope BMS-problemen die we hebben gezien:

• Nauwkeurigheid van spanningsmeting van ±30mV. Op een cel met een spanning van 100 mV tussen 'vol' en 'gevaarlijk overladen' is dat niet goed genoeg.
• Geen celbalancering, of alleen passieve balancering. Passief balanceren bij 50 mA duurt letterlijk weken om een ​​aanzienlijke onbalans op te lossen.
• Ontwerpen met één- punt-of-mislukkingen. Eén MOSFET sterft, het hele pakket is onbeschermd.
• Geen temperatuursensoren, of één sensor voor het hele pakket. Thermische gradiënten in een pakket van 20 kWh kunnen gemakkelijk 15 graden bereiken. Eén sensor vertelt je niets.

Wat een goed GBS doet:

• Bewaakt elke celspanning afzonderlijk. Niet op module-niveau, cel-niveau.
• Actief balanceren bij betekenisvolle stromen (we gebruiken 1A+ op onze packs)
• Meerdere temperatuursensoren met positieregistratie
• Stroommeting nauwkeurig genoeg om echt coulomb-tellingen uit te voeren
• Communicatie met oplader voor gecoördineerde bescherming
• Hardwareback-up wordt losgekoppeld, onafhankelijk van de hoofdprocessor

Het kostenverschil tussen een afval-BMS en een echt BMS kan $ 200-300 bedragen voor een vorkheftruckpakket. Het pakket kost $8,000+. De vorkheftruck kost $30,000+. Het magazijn waarin het staat is de moeite waard... je ziet waar dit naartoe gaat.

Wanneer klanten ons om advies vragen bij het kiezen van eenfabrikant van lithiumbatterijen, zeggen we tegen hen: vraag naar het BMS. Vraag om het schema te zien. Als ze het je niet laten zien, loop dan weg.

Oplaadcontrole: waar de meeste branden daadwerkelijk ontstaan

We hebben dit al gezegd, maar het is voor herhaling vatbaar. Opladen is gevaarlijk.

Zo ziet een goede oplaadbescherming eruit:

Temperatuur-gecompenseerd opladen.Onder 0 graden? Laad niet op, of laad op met een drastisch verminderde stroomsterkte. Boven de 45 graden? Zelfde deal. Dit is niet optioneel. Onze standaardpakketten accepteren zelfs geen lading onder -10 graden - het BMS weigert eenvoudigweg de laadcontactor te sluiten.

Kanttekening: verkopers hebben klanten een "oplaadvermogen van -20 graden" laten beloven, en dan moet de techniek uitleggen waarom dat niet gebeurt. Lithiumplating is lithiumplating. De natuurkunde geeft niets om uw verkoopdoel.

Op spanning-gebaseerde beëindiging met marge.Als cellen een maximale capaciteit van 3,65 V hebben, eindigen we bij 3,60 V. Ja, je verliest misschien 2-3% bruikbare capaciteit. Je ontploft ook niet. Goede afweging.

Passieve bescherming: als er toch iets misgaat

Kijk, we kunnen de beste beveiligingssystemen ter wereld bouwen en toch zullen er af en toe dingen mislukken. Er rijdt een vrachtwagen over uw accupakket heen. Door een overstroming wordt de elektronica kortgesloten. Iemand negeert elke waarschuwing en forceert een oplading bij -30 graden omdat de bezorging de deur uit moet.

Passieve bescherming gaat over het beperken van schade wanneer actieve bescherming faalt.

Thermische barrières

Tussen cellen, tussen modules en rond de buitenkant van het pakket. Het doel is niet om de thermische op hol geslagen te stoppen-als het eenmaal is begonnen, gaat het verder. Het doel is om de verspreiding te vertragen, zodat je tijd hebt om te reageren.

We gebruiken een combinatie van keramische vezelplaten tussen module en aerogeldekens op de binnenmuren. Niet goedkoop. Maar als één cel kapot gaat, hebben de aangrenzende cellen nog 30 tot 60 seconden extra voordat ze de kritische temperatuur bereiken. Dat is vaak genoeg tijd om de onderdrukkingssystemen te activeren of om de roedel los te koppelen en veilig te ventileren.

Voor iedereen die inkoopt bij eenLeverancier van LiFePO4-batterijoplossingen, vraag naar de specificaties van de thermische barrière. Als ze u de thermische geleidbaarheid en de ontstekingsweerstand van hun barrièrematerialen niet kunnen vertellen, is dat een alarmsignaal.

Brandbestrijding

Voor installaties met een hoge- waarde wilt u specifieke onderdrukking. Standaardbrandblussers werken niet goed op lithiumbatterijen-de brand is intern en wordt veroorzaakt door zelf-verhittingsreacties die water niet kan stoppen.

We hebben gewerkt met onderdrukkingssystemen die middelen op basis van perfluorhexanon- gebruiken. Ze koelen de cellen af ​​terwijl ze de verbranding chemisch verstoren. Niet perfect, maar dramatisch beter dan proberen CO2 te spuiten bij een interne chemische reactie.

Maar echte praatjes: onderdrukking is een laatste redmiddel. Als uw onderdrukkingssysteem wordt geactiveerd, is uw batterij al kapot. Op dat moment beperk je alleen maar de bijkomende schade. Het is beter om het nooit nodig te hebben.

Behuizing ontwerp

De behuizing moet verschillende dingen doen:

• Houd eventuele uitlaatgassen tegen en richt ze weg van mensen
• Overleef mechanisch misbruik (vorkheftruckpakketten vallen, raken, komen ergens tegenaan)
• Behoud de IP-classificatie, zelfs na een botsing
• Laat warmteafvoer toe tijdens normale werking terwijl de warmte wordt vastgehouden tijdens thermische gebeurtenissen

Voor al onze vorkheftrucktoepassingen specificeren wij stalen behuizingen met gerichte ventilatiepaden. Het ventilatiepad is belangrijk-u wilt niet dat oververhit gas op de gebruiker of op brandbare materialen wordt gericht.

Foutdiagnose: problemen opsporen voordat ze uitmonden in brand

Dit is het onderdeel dat serieuze batterijsystemen onderscheidt van goedkope.

Real- monitoring signaleert directe gevaren-spanningsverlies tijdens ontlading betekent dat er iets is kortgesloten; temperatuurpieken tijdens het opladen betekent dat er iets mis is. Deze hebben onmiddellijke beschermende reacties nodig.

Maar het waardevolle is trendanalyse. Een cel die constant 5 graden warmer is dan zijn buren, heeft waarschijnlijk een verhoogde interne weerstand. Het is niet gevaarlijk vandaag. Het zal over zes maanden zijn. Een goed GBS registreert deze gegevens, signaleert de trend en zorgt ervoor dat u deze kunt aanpakken tijdens gepland onderhoud in plaats van tijdens een magazijnbrand.

We voeren maandelijkse gegevensophaalacties uit op al onze -geïmplementeerde pakketten. We hebben minstens een dozijn keer fouten ontdekt die in het veld tot mislukkingen zouden zijn uitgegroeid als ze werden genegeerd. Eén pakket toonde een enkele cel die gedurende drie maanden 20 mV hoog dreef. Ik heb eraan getrokken, geïnspecteerd en een vroege-fase van degradatie van de separator gevonden. Module vervangen, pack werkt nog steeds prima twee jaar later.

Als je met een potentieel praatOEM-partner voor lithiumbatterijen, vraag naar hun diagnostische mogelijkheden. Vraag om voorbeelden van vlootgegevensrapporten. Als ze u geen trendanalyse en voorspellende onderhoudsgegevens kunnen laten zien, doet hun BMS waarschijnlijk alleen maar basisdrempelbewaking-wat het absolute minimum is.

Normen en wat ze feitelijk betekenen

UN38.3, IEC 62619, UL 1973: u ziet deze certificeringen overal. Hier is de ongemakkelijke waarheid: als u aan deze normen voldoet, betekent dit dat uw batterij aan de minimale vereisten voldoet. Het betekent niet dat het goed is.

We hebben pakketten van concurrenten getest die alle certificeringen hadden, maar slaagden nog steeds niet in de fundamentele misbruiktests die we -in eigen huis uitvoeren. Normen zijn een vloer, geen plafond.

Dat gezegd hebbende, als een leverancier u deze certificaten niet kan laten zien, ren dan weg. Het zijn tafelinzetten. Ga er alleen niet van uit dat certificering gelijk staat aan kwaliteit.

Onze interne tests gaan verder dan de standaardvereisten. Lagere temperatuurgrenzen. Hoger huidig ​​misbruik. Uitgebreide thermische cycli. We willen weten hoe onze pakketten falen, niet alleen dat ze een specifieke test doorstaan.

Voor klanten die aangepaste configuraties nodig hebben-ongebruikelijke spanningen, specifieke vormfactoren, integratie met eigen systemen-die werken met eenaangepaste fabrikant van lithiumbatterijenwie dit soort uitgebreide tests doet, is de premie waard. De certificering vertelt u dat het pakket aan de code voldoet. De uitgebreide tests vertellen u hoe het daadwerkelijk zal presteren in uw toepassing.

Wat wij eigenlijk aanbevelen

Wat moet u na dit alles eigenlijk doen als u batterijen voor industriële toepassingen specificeert?

Eerlijk gezegd is deze industrie de afgelopen vijf jaar veel beter geworden. Toen we begonnen, bestond de helft van de pakketten op de markt uit tijdbommen. Nu bouwen de meeste serieuze leveranciers redelijk veilige systemen. Maar 'redelijk veilig' laat nog steeds ruimte voor het soort kostenbesparingen-die brand veroorzaken. Het is jouw taak om uit te zoeken welke leveranciers daadwerkelijk het werk doen, en welke leveranciers alleen maar vakjes aanvinken.

Batterijveiligheid is niet sexy. Het levert geen goede marketing op. Niemand heeft ooit een vorkheftruck gekocht omdat de batterij een grote thermische voortplantingsweerstand had.

Maar als je het verkeerd doet, doet al het andere er vrij snel niet meer toe. We hebben onze reputatie opgebouwd met pakketten die jaar na jaar gewoon werken onder omstandigheden die goedkopere systemen zouden om zeep helpen. Dat is waar u op moet letten bij elke leverancier die u beoordeelt.

Vragen? We praten altijd graag over specifieke toepassingen. Daarvoor zijn we hier.