He estado tratando de diseñar un sistema de carga para un pequeño robot alimentado por una batería de polímero de litio (LiPo) 2S 20C. Si tuviera que confiar en todo lo que leo en línea, creería que el LiPo me matará mientras duermo y me robará los ahorros de toda mi vida. El consejo común que leo, si es lo suficientemente valiente como para usar baterías LiPo, es "nunca lo deje sin vigilancia", "nunca cargue sobre una superficie inflamable o conductora" y "nunca cargue a una velocidad superior a 1 C ".
Entiendo por qué esto es prudente, pero ¿cuál es el riesgo real con las baterías LiPo?
Casi todos los teléfonos celulares, tanto Android como iPhone, contienen una batería LiPo, que la mayoría de las personas, incluyéndome a mí, carga sin supervisión, a menudo sobre una superficie inflamable o conductora. Sin embargo, nunca escuchas sobre alguien que estalló en llamas porque su teléfono celular explotó. Sí, sé que hay accidentes extraños, pero ¿qué tan peligrosas son las baterías LiPo modernas? ¿Por qué tantos comentaristas en línea tratan las baterías LiPo independientes como bombas a punto de estallar, pero ni siquiera se lo piensan dos veces antes de tener la LiPo en el bolsillo?
Todos los teléfonos celulares (así como las computadoras portátiles y casi todo lo que tenga una batería recargable) usan LiIon /LiPo (esencialmente equivalente a los fines de esta discusión). Y tiene razón: en términos de incidencias reales, el ion de litio y el polímero de litio son la química de batería más segura para ser de uso generalizado, sin excepción.
Y la única razón por la que esta química ahora omnipresente no lo ha asesinado a usted y/oa su familia varias veces es que estas celdas no se cargan sin supervisión. Es posible que no asista personalmente, pero cada una de esas baterías de iones de litio tiene una cantidad significativa de circuitos de protección y monitoreo que están permanentemente integrados en el paquete. Actúa como el portero. Supervisa cada celda de una batería.
De hecho, cada batería de teléfono, batería de computadora portátil, *cualquiera que sea la batería que es una química de litio recargable es la más monitoreada, analizada y administrada activamente, lo opuesto diametralmente a "desatendida" como se puede obtener para una batería.
Y la razón por la que se crean tantos problemas adicionales es porque las baterías de iones de litio son realmente peligrosas . Necesitan circuitos de protección para estar seguros, y no están ni remotamente seguros sin ellos. Otras químicas, como NiMH o NiCad , se pueden usar de manera relativamente segura como celdas desnudas, sin ningún tipo de monitoreo. Si se calientan demasiado, pueden ventilarse (lo que me ha sucedido personalmente), y puede ser bastante alarmante, pero no quemará su casa ni lo llevará a una estadía prolongada en una unidad de quemados. Las baterías de iones de litio harán ambas cosas, y ese es prácticamente el único resultado. Irónicamente, las baterías de iones de litio se han convertido en la batería empaquetada más segura al ser la química de la batería más peligrosa.
Tal vez se pregunte qué los hace realmente tan peligrosos.
Otras químicas de batería, como las de plomo-ácido o NiMH o NiCad, no están presurizadas a temperatura ambiente, aunque el calor genera algo de presión interna. También tienen electrolitos acuosos no inflamables. Almacenan energía en forma de una reacción de oxidación/reducción relativamente lenta, cuya tasa de liberación de energía es demasiado baja para, por ejemplo, hacer que expulsen chorros de llama de 6 pies. O cualquier llama, en realidad.
Las baterías de iones de litio son fundamentalmente diferentes. Almacenan energía como un resorte. Eso no es una metáfora. Bueno, como dos resortes. Los iones de litio son forzados entre los átomos del material del ánodo unido covalentemente, separándolos y 'estirando' los enlaces, almacenando energía. Este proceso se llama intercalación . Tras la descarga, los iones de litio salen del ánodo y entran en el cátodo. Esto es muy electromecánico, y tanto el ánodo como el cátodo experimentan una tensión mecánica significativa debido a esto.
De hecho, tanto el ánodo como el cátodo aumentan o disminuyen alternativamente en volumen físico dependiendo del estado de carga de la batería. Sin embargo, este cambio de volumen es desigual, por lo que una batería de iones de litio completamente cargada en realidad ejerce una presión no trivial sobre su contenedor u otras partes de sí misma. Las baterías de iones de litio generalmente están bajo mucha presión interna, a diferencia de otros productos químicos.
El otro problema es que su electrolito es un solvente volátil y extremadamente inflamable que se quemará con bastante fuerza y facilidad.
La química compleja de las celdas de iones de litio ni siquiera se comprende por completo, y hay algunas químicas diferentes con diferentes niveles de reactividad y peligro inherente, pero las que tienen una alta densidad de energía pueden sufrir un desbordamiento térmico. Básicamente, si se calientan demasiado, los iones de litio comenzarán a reaccionar con el oxígeno almacenado como óxidos metálicos en el cátodo y liberarán aún más calor, lo que acelerará aún más la reacción.
Lo que inevitablemente resulta es una batería que se enciende sola, rocía su electrolito solvente altamente inflamable y lo enciende rápidamente también, ahora que hay disponible un nuevo suministro de oxígeno. Sin embargo, eso es solo fuego adicional, todavía hay una tonelada de fuego del metal de litio que se oxida con la amplia reserva de oxígeno en el interior.
Si se calientan demasiado, eso sucede. Si se sobrecargan, se vuelven inestables y los golpes mecánicos pueden hacerlos estallar como una granada. Si se descargan en exceso, parte del metal del cátodo sufre una reacción química irreversible y forma derivaciones metálicas. Estas derivaciones serán invisibles, hasta que la carga expanda parte de la batería lo suficiente como para que una de estas derivaciones perfore la membrana de separación, creando un cortocircuito total, que por supuesto resulta en un incendio, etc.: El modo de falla de iones de litio que conocemos y amar.
Entonces, para ser claros, no solo es peligrosa la sobrecarga, sino también la descarga excesiva, y la batería esperará hasta que haya bombeado una tonelada de energía antes de fallar espectacularmente, y sin ninguna advertencia o señal medible. .
Eso cubre las baterías de consumo. Sin embargo, todo este circuito de protección es menos capaz de mitigar el peligro de las aplicaciones de alto consumo. El drenaje alto genera una gran cantidad de calor (lo cual es malo) y, lo que es más preocupante, provoca una gran cantidad de estrés mecánico en el ánodo y el cátodo. Las fisuras pueden formarse y ensancharse, provocando inestabilidad si no tiene suerte, o simplemente una vida útil más corta si no es demasiado grave. Es por eso que ve LiPos calificados en 'C', o qué tan rápido se pueden descargar de manera segura. Por favor, tómese esas clasificaciones en serio y redúzcalas, tanto por seguridad como porque muchos fabricantes simplemente mienten sobre la clasificación C de sus baterías.
Incluso con todo eso, a veces un RC Lipo simplemente se incendiará sin motivo alguno. Es absolutamente necesario prestar atención a las advertencias para nunca cargarlos sin supervisión, y todo lo demás. Debe comprar una bolsa de seguridad para cargarlos porque podría evitar que su casa se queme (posiblemente con usted o sus seres queridos adentro). Incluso si el riesgo es muy bajo, el daño que puede causar es enorme y las medidas necesarias para mitigar la mayor parte de ese daño potencial son triviales.
No ignores todo lo que te digan, todo es perfecto. Proviene de personas que han aprendido a respetar las LiPo por lo que son, y tú también deberías hacerlo. Lo que definitivamente quiere evitar es que una batería de iones de litio le enseñe esta lección, en lugar de sus compañeros en línea y fuera de línea. Este último podría insultarte en un foro, pero el primero literalmente te insultará.
Déjame profundizar un poco más en cómo fallan. He discutido el mecanismo, pero ¿qué sucede realmente? Las baterías de iones de litio en realidad solo tienen un modo de falla, que es una especie de explosión y luego dispara una cantidad asombrosamente enorme de fuego en un chorro gigante de llamas durante varios segundos, y luego continúa con las actividades generales relacionadas con la quema por un tiempo después de eso. Se trata de un incendio químico, por lo que no puede extinguirlo (las baterías de iones de litio seguirán disparando enormes chorros de fuego incluso en el vacío del espacio. El oxidante está contenido en el interior, no necesita aire ni oxígeno para arder). Ah, y echarle agua al litio no sirve de nada , al menos en términos de reducción del fuego.
Aquí hay una lista de "grandes éxitos" de algunos buenos ejemplos de fallas. Tenga en cuenta que esto sucede a veces en casos RC de alto consumo, incluso con las medidas de seguridad adecuadas. La comparación de aplicaciones de alto consumo con las corrientes mucho más seguras y más bajas de los teléfonos no es válida en absoluto. Cientos de amperios ≠ unos pocos cientos de miliamperios.
El cuchillo apuñala una batería del tamaño de un teléfono inteligente.
Indeed, every single phone battery, laptop battery, *whatever battery that is a rechargeable lithium chemistry is the most closely monitored, scrutinized, and actively managed diametric opposite of 'unattended' as one can get for a battery.
¿Desmontaste alguna batería RC recientemente? Lo pregunto porque he visto varios que no tienen ningún tipo de circuito de protección. Cuando combina eso con el entorno hostil de, por ejemplo, aviones RC, creo que hay lugar para cierta preocupación y eso puede explicar los numerosos videos de vehículos RC que explotan y se queman.Para usar las baterías Lipo de manera segura, debe tratarlas con el mismo respeto que cualquier cosa que pueda almacenar y liberar rápidamente una gran cantidad de energía química y/o eléctrica. Cuanto más grande sea la batería y menor sea la resistencia interna (por ejemplo, mayor clasificación C), más deberá tener cuidado. Se pueden usar de manera segura... al igual que la gasolina se puede usar de manera segura, pero para hacerlo debe aprender cómo funcionan y cómo pueden fallar.
Cuando lo piensa, no sorprende que, por ejemplo, una batería Tesla tenga aproximadamente el mismo nivel de riesgo que el tanque de gasolina que reemplaza... ambos almacenan mucha energía que puede liberarse rápidamente cuando sea necesario. Bueno, en realidad, miento un poco porque una batería Tesla solo contiene la energía de un pequeño tanque de gasolina y tiene más controles de seguridad incorporados.
He usado baterías Lipo grandes de forma segura en aviones y helicópteros R/C de alto rendimiento (baterías de hasta 90C) durante aproximadamente 15 años (fui uno de los primeros en adoptarlas). Además de mi propia experiencia, tengo la de otros en mis clubes. He visto paquetes fallar en el pasado, pero ahora es muy raro, porque hemos aprendido a usarlos con respeto. Esto es lo que aprendí viviendo la vida al límite. :)
Los modos de falla más comunes son:
Los modos de falla menos comunes de los que he oído hablar (pero nunca he presenciado) son:
Todos los modos de falla enumerados anteriormente pueden resultar en "ventilación con humo" o "ventilación con llamas". Las liposucciones más nuevas con electrolitos menos volátiles pueden "ventilarse con humo", pero nunca se puede estar seguro; así que tienes que planear para el peor de los casos.
Este es el procedimiento operativo estándar mínimo (SOP) para usar paquetes de lipo desnudos de descarga alta (cualquier paquete R/C es de descarga alta):
Protección Física
Por cierto, a diferencia de lo que escribió @metacolin, ES seguro descargar una Lipo a bajo voltaje y es lo mejor que se puede hacer antes de desechar un paquete. Desea eliminar toda la energía química de un paquete para que sea seguro. Lo que no es seguro es descargar una celda por debajo de 2V y luego cargarla. Cargar una celda de bajo voltaje puede hacer que el litio se acumule y haga que la celda sea inestable.
Carga (este es el momento más crítico para la seguridad)
Descarga
Calor
Larga vida
Entonces, sí, si desarrolla SOP seguros y toma medidas para mitigar el riesgo, podría usar un Lipo en su robot. Hasta que comprenda completamente los SOP seguros, ni siquiera consideraría hacer su propio cargador o BMS. La gente inteligente lleva años haciendo cosas así.
De lo contrario, dependiendo de sus necesidades de diseño, tal vez una simple batería NiMh, SLA podría satisfacer sus necesidades. Sin embargo, incluso las baterías NiMh y SLA tienen sus propios SOP a seguir. Por ejemplo, las celdas de NiMh pueden explotar debido a la presión durante la carga si se sobrecargan y su válvula de presión falla. ¡Los SLA generan gas de hidrógeno! durante la carga... por lo que necesitan estar bien ventilados.
Recuerda que todo lo útil también puede ser peligroso. Las liposucciones no son peores que un cuchillo de cocina o un ala de avión llena de queroseno. El truco es aprender a usarlos sabiamente.
@metacollin, escribe que Lipo "ánodo y cátodo experimentan una tensión mecánica significativa"
Falso ... Las celdas de polímero de litio no están sometidas a ningún estrés significativo durante el funcionamiento normal. Por eso se pueden envasar en bolsas de plástico.
Pero no confíes en mi palabra. Mira a este experto decirlo a las 10:00. (Alerta de spoiler: llama al afecto "benigno").
https://www.youtube.com/watch?v=pxP0Cu00sZs
PD: Recomiendo encarecidamente ver el video completo si desea información de un experto (en lugar de alguien aquí que pretende ser un experto).
La química de NiMh o NiCd es, de hecho, más peligrosa en lo que respecta a la acumulación de tensión/presión. Ambos pueden generar un exceso de oxígeno si se sobrecargan. Esta es una de las razones por las que las celdas de NiMh y NiCd están contenidas en latas redondas de metal con ventilaciones de seguridad y no en recipientes de plástico como los LiPo. Lea esta especificación. hoja para una explicación completa:
http://data.energizer.com/PDFs/nickelmetalhydride_appman.pdf
@metacollin, "Necesitan circuitos de protección para estar seguros, y no están ni remotamente seguros sin ellos".
cierto _ Sin embargo, lo importante es que el sistema completo de baterías y carga funcionen juntos para mantener todas las celdas de una batería funcionando dentro de las especificaciones. Hay más de una forma (topología) para hacer esto:
Debido a que los circuitos de "protección" montados en celdas solo pueden tener un tamaño limitado, generalmente solo son buenos para escenarios de baja corriente.
Si desea fusionar, puede colocar un fusible apropiado en línea con el paquete.
Esto es lo que hacen los usuarios de R/C porque quieren que las baterías sean lo más livianas posible y capaces de entregar alta corriente.
Desde un aspecto de seguridad, todas estas configuraciones hacen lo mismo que un sistema completo . Simplemente lo hacen de diferentes maneras porque están optimizados para diferentes parámetros.
Cuando una gran empresa quiere hacer un cargador LiPo, puede:
R. Tenga expertos en el personal y realice pruebas exhaustivas para asegurarse de que el cargador funcione de manera segura en toda la gama de condiciones de funcionamiento.
B. Compre circuitos integrados o conjuntos prefabricados que hayan recibido el mismo nivel de atención.
C. Subcontratar el trabajo a personas que saben lo que están haciendo.
Cuando construyes un circuito de carga en casa, no haces ninguna de esas cosas.
Las baterías LiPo definitivamente pueden estallar en llamas, como lo puede decir una búsqueda en YouTube . Encontrarás personas destruyendo activamente las baterías con clavos o incluso con un hacha , pero también puedes encontrar ejemplos más realistas, como este de un avión RC que se incendia violentamente debido a un problema de carga.
De ahí las advertencias: las personas en Internet no pueden garantizar que un circuito de carga casero siempre funcione de manera segura, y el modo de falla de LiPo es "bomba". Después de todo, eso es una bomba: se libera mucha energía rápidamente.
[Aunque esta respuesta tardía puede tener poca exposición ahora que la pregunta ha salido de la lista caliente, creo que es esencial enfatizar aún más el contraste entre las características de seguridad integrales en dispositivos como computadoras portátiles y teléfonos celulares versus la seguridad típicamente mucho menos integral características en dispositivos para aficionados o bricolaje.]
El contexto es esencial al evaluar esas terribles advertencias de seguridad que cita. No están dirigidos a dispositivos como computadoras portátiles y teléfonos celulares (de fabricantes acreditados) que emplean circuitos de protección/administración de batería estrechamente integrados para mantenerlos seguros. Más bien, apuntan a dispositivos menos seguros, por ejemplo, células LiPo desprotegidas utilizadas en pasatiempos de RC para impulsar automóviles, aviones, etc. a control remoto. A continuación, analizamos con mayor profundidad estas diferencias en seguridad.
A diferencia de otras químicas de batería familiares para los consumidores, las baterías basadas en la química de iones de litio son inherentemente mucho más volátiles. Debido a esto, requieren un circuito de administración de batería diseñado con mucho cuidado para protegerlos de fallas catastróficas. Esto incluye mecanismos que evitan que alcancen estados peligrosos (baja carga o sobrecarga, exceso de temperatura, sobrecorriente, etc.) y, además, pueden desactivarlos cuando surgen condiciones peligrosas (por ejemplo, a través de un FET, PTC o un fusible de un disparo). Tal lógica puede incluso incluir algoritmos sofisticados que monitorean continuamente la salud de las celdas para predecir fallas graves inminentes (como un cortocircuito interno, que puede conducir a un descontrol térmico).
A diferencia de la mayoría de los dispositivos de hobby/bricolaje ensamblados por el usuario, para computadoras portátiles y teléfonos celulares, el fabricante tiene el control del diseño de todo el subsistema de energía de la batería, por lo tanto, puede diseñar un sistema muy integrado que incluya sofisticados mecanismos de protección tolerantes a fallas. Dichos diseños siguen estándares de la industria probados en el tiempo y emplean múltiples niveles de redundancia y métodos integrales de análisis de fallas, por ejemplo, análisis de árbol de fallas o FMEA = análisis de efectos y modos de falla.
Puede que le sorprenda la exhaustividad de dichos análisis, por ejemplo, a continuación se muestran 2 de 96 casos considerados en IEEE 1625 2004 , incluido el caso de que una mascota orine en el dispositivo (una PC).
También puede sorprenderle el alto nivel de redundancia de la protección contra fallas empleada, por ejemplo, de acuerdo con dicho estándar de la industria, las baterías de las computadoras portátiles deben implementar al menos dos métodos independientes para apagar el FET de carga para evitar una sobrecarga catastrófica. Además, si ambos métodos fallan, entonces debe fundirse un fusible químico a prueba de fallas. Este es un fusible especial de 3 terminales activado por voltaje que puede funcionar incluso en condiciones extremas, como cuando el voltaje de la batería cae extremadamente bajo debido a un cortocircuito.
Compare lo anterior con su proyecto de bricolaje o pasatiempos RC donde el usuario final es responsable de integrar los componentes del subsistema de la batería y garantizar que funcionen juntos de manera segura (los componentes son las celdas, la placa de protección BMS/PCM, el dispositivo y el cargador). Hay muchos obstáculos que lo impiden. El usuario puede carecer de conocimientos suficientes. Es posible que el usuario no tenga acceso a hojas de datos e información técnica, que generalmente no está disponible para los consumidores (los fabricantes de celdas desaconsejan encarecidamente el uso directo por parte del consumidor, por ejemplo, recientemente, Sony envió una orden de cese y desistimiento a una tienda de vapeo de Nueva York que vende celdas Sony 18650; consulte a continuación) . Falta de protocolos de comunicación estándar como SBS = Smart Battery Systemen el mundo RC/hobby limita la comunicación entre subsistemas, lo que aumenta enormemente la dificultad de diseñar mecanismos de seguridad sofisticados como los de los portátiles.
Aquí hay un ejemplo de palabras reales: una pregunta del foro de soporte de medidor de gas de batería de TI.
Me pregunto si estos fusibles químicos son un elemento obligatorio de los paquetes de baterías de iones de litio. Estoy trabajando con un proveedor chino de paquetes de iones de litio y produjeron un diseño de paquete basado en un IC de indicador de combustible bq20z45-R1, pero no había un circuito de fusible químico. Además, no había un circuito integrado de protección contra sobrevoltaje secundario como el bq29412. ¿Se requieren el fusible químico y el bq29412 (o un IC similar) para aplicaciones comerciales de paquetes de baterías de iones de litio? ¿Existe un requisito reglamentario? Por cierto, estoy trabajando en el diseño de un dispositivo médico.
Arriba tenemos un ejemplo de un paquete de baterías que carece del segundo y tercer nivel de protección contra sobrecarga descrito anteriormente. Tales omisiones de características de seguridad son comunes en muchos sistemas de administración de baterías más económicos. Por no hablar de algunos fabricantes chinos improvisados que exageran enormemente el nivel de protección implementado. Para reconocer tales omisiones y comprender sus ramificaciones, cuando el usuario final es el ingeniero, debe tener un conocimiento previo adecuado en el campo. Su falta podría dar lugar a diseños con graves defectos de seguridad. Es por eso que los fabricantes de celulares de renombre como LG, Panasonic, Samsung, Sanyo y Sony se niegan a tratar directamente con los consumidores. Los riesgos son demasiado grandes si uno no tiene los conocimientos adecuados para garantizar un diseño seguro.
A continuación se muestra la carta de Sony mencionada anteriormente. Esto es típico de la actitud de los fabricantes de celdas acreditados con respecto a los graves riesgos de seguridad que plantea el uso de celdas sueltas por parte de los consumidores.
Para mayor comodidad, a continuación se encuentran los enlaces que figuran en la carta:
Incendios y explosiones de cigarrillos electrónicos , Administración de Incendios de EE. UU., FEMA, octubre de 2014
Seguridad de la batería , Asociación de Tecnología del Consumidor.
Creo que tu información está desactualizada.
Tenía un compañero de trabajo al que le gustaban los aviones RC. Fueron los primeros en adoptar la tecnología LiIon porque son livianos y tienen mucha potencia.
Relató cómo tenían dos modos de falla, uno de los cuales era incindiario. Los aviones explotarían literalmente en una bola de fuego durante el vuelo.
Las celdas comerciales eventuales tienen, leí más tarde, múltiples características de seguridad diferentes integradas en las unidades vendibles, requeridas por la ley.
Ahora están a salvo, siempre y cuando no rompas o rompas uno, o permitas que se caliente demasiado. El control del calor es parte del diseño del dispositivo terminado: es posible que tenga una ventilación deficiente o una fusión térmica incorrecta y, por lo tanto, permita que se vuelva crítico. Algunos productos más nuevos no son tan seguros, en particular las "celdas de bolsa" que no tienen la durabilidad para manipularse sin estar integradas en un dispositivo diseñado correctamente .
Por lo tanto, aprenda a usarlos de manera segura y conozca los detalles específicos de las piezas que elige para su diseño.
Todas las grandes respuestas. Aquí hay uno corto. Uno de 7,4 voltios. La batería de 5 amperios por hora tiene 37 vatios por hora de energía, o 133,200 julios. Compare con los 873 julios de energía de boca de un .357 Magnum. El truco es no dejar que se salga un montón de una sola vez por sobrecalentamiento o aplastamiento.
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