Анотація
Помилки вимірювання напруги можуть призвести до перезаряду літій-іонних акумуляторів, що призведе до утворення внутрішніх газів і виділення тепла, що призведе до неконтрольованого нагрівання. Щоб зменшити цей ризик, циліндрична батарея оснащена пристроєм переривання струму (CID), який діє як клапан скидання тиску. Коли внутрішній тиск підвищується, CID може від'єднати внутрішній ланцюг акумулятора. Однак це від’єднання призводить до того, що акумулятор раптово стає високим у опорі, що спричиняє серйозні проблеми в послідовно з’єднаних акумуляторах. У цій конфігурації частина або навіть уся напруга системи може впасти на від’єднаній батареї, що значно збільшує ймовірність виникнення дуги. Цей тип дуги може запалити будь-який горючий газ, що виділяється, що призведе до катастрофічної несправності.
У серії випробувань, проведених на трьох різних хіміках акумуляторів, NMC (нікель-марганець-кобальт), NCA (нікель-кобальт-алюміній) і LFP (літій-залізо-фосфат), було виявлено, що безпечна робота CID не може бути гарантована при системній напрузі, що перевищує 120В. Хоча порівняльні випробування при вдвічі вищій від номінальної напруги батареї не показали такої самої поведінки, ці висновки свідчать про те, що поточні стандарти безпеки, які рекомендують випробування при вдвічі вищій від номінальної напруги, можуть не повністю врахувати ризики. Подальше тестування показало, що послідовне з’єднання між батареєю та CID за своєю суттю є небезпечним, оскільки в найгіршому випадку вся напруга системи може бути зосереджена на одній батареї, що призведе до потенційних збоїв системи.
1. Вступ
З розвитком електротехніки та електронної техніки сучасне життя значною мірою залежить від таких пристроїв, як смартфони, планшети, електричні велосипеди, електромобілі, електроінструменти та домашні системи зберігання енергії. Відповідно до стандарту IEC 61140 ці пристрої можна розділити на два рівні напруги: пристрої з напругою нижче 60 В змінного струму та 120 В постійного струму та пристрої з діапазоном напруги до 1000 В змінного струму та 1500 В постійного струму.
До перших належать електричні інструменти, електричні велосипеди, ноутбуки та мобільні телефони, які зазвичай вважаються безпечними через їх надзвичайно низьку напругу. Останнє також відоме як обладнання низької напруги, наприклад електромобілі з номінальною напругою від 400 В постійного струму до 800 В постійного струму. Електромобілі та інші програми отримують необхідну робочу потужність від літій-іонних акумуляторів з максимальною напругою 4,2 В. Загалом, цього рівня напруги достатньо для смартфонів, але для електровелосипедів (36 В постійного струму) та електромобілів (400 В постійного струму) необхідно послідовно з’єднати приблизно 10 і 96 батарей відповідно.
Літій-іонні акумулятори особливо чутливі до реакцій перезаряджання, що може призвести до утворення газу всередині акумулятора. Щоб переконатися, що кожна батарея працює в межах правильного діапазону, в батареї використовується система керування батареєю (BMS) для моніторингу параметрів і діапазонів. Крім того, циліндричні батареї оснащені пасивними системами безпеки, такими як пристрої переривання струму (CID), які використовуються для відключення внутрішніх ланцюгів батареї, коли відбувається газоутворення та підвищення тиску внаслідок реакцій розкладання всередині батареї.
Через від’єднання CID підвищується потенційний ризик утворення дуги, що призводить до питання про те, чи є батареї з CID небезпечними при послідовному використанні. Наприклад, електромобіль із системою 400 В може зіткнутися з технічними проблемами, які призведуть до того, що напруга однієї батареї буде дуже високою, вдвічі перевищуючи номінальну напругу. У цьому випадку тестування, проведене під час схвалення батареї електромобіля, є безглуздим, оскільки використання CID у цій ситуації може призвести до небезпечних ситуацій.
Щоб знайти найкращу відповідь на це запитання, у цій статті було проведено масштабне тестування на різних рівнях напруги (від 120 В постійного струму до 800 В постійного струму), які зазвичай використовуються в електричних і гібридних електромобілях.
2. Теоретичні основи
Наслідки перезарядки:Перезарядка є однією з найбільш критичних ситуацій в акумуляторах. Порівняно з глибоким розрядом наслідки перезарядження більш серйозні, що може призвести до розкладання електролітів і катодних матеріалів, а також до несприятливих реакцій між електродами та іншими компонентами акумулятора, що призведе до катастрофічних збоїв акумулятора, таких як пожежі або вибухи.
Причини перенарахування:включно з несправністю контролера зарядки, несправністю BMS або неправильним вимірюванням напруги. Наприклад, балансування батареї BMS на основі неправильних значень напруги може зрештою призвести до перезаряду та потенційного перегріву.
Внутрішні реакції батарей:Залежно від матеріалів і хімікатів, які використовуються в акумуляторі, під час розкладання катода утворюється кисень (залежно від рівня заряду та матеріалу катода). Кисень реагує з вуглецем і розчинниками електролітів, що призводить до виділення легкозаймистих газів, таких як оксид вуглецю, вуглекислий газ і водень. У цьому випадку літій-нікель-марганцево-кобальтові електроди (NMC 622 і NMC 811) і літій-нікель-кобальт-алюмінієві електроди (NCA) демонструють критичність, тоді як літій-залізо-фосфатні електроди вважаються найбезпечнішими матеріалами через низьке виділення токсичного чадного газу. Електроліт є основним елементом, відповідальним за газоутворення в батареях, і утворення газу в кожній батареї створює високий тиск. Завдяки герметизації навколишнього середовища літій-іонними батареями утворений газ виходить назовні, а разом зі стабільною металевою оболонкою тиск газу може досягати 20 бар. У разі неконтрольованої відмови ці гази можуть вибухнути.
Запобіжні пристрої:Щоб зменшити потенційну небезпеку, пов’язану з обладнанням для накопичення енергії, застосовуються різні пристрої безпеки та механізми контролю. Внутрішні заходи безпеки, такі як пристрої позитивного температурного коефіцієнта (PTC) і пристрої переривання струму (CID), використовуються на рівні акумулятора, а BMS використовується як зовнішній захід безпеки для постійного моніторингу акумулятора на рівні системи. PTC збільшує опір і зменшує струм під час нагрівання, тоді як CID складається з верхнього та нижнього дисків. Коли надмірне заряджання викликає підвищення тиску, верхній диск зігнеться, а зварне з’єднання розірветься, тим самим роз’єднавши шлях струму з активним матеріалом. Запуск CID подібний до розмикання вимикача під навантаженням, що може запалити дугу. Для циліндричних акумуляторів з CID для утворення дуги достатньо напруги 18В. При послідовному з’єднанні одна батарея може не досягти такого високого значення напруги, але це може статися в системі, що може спричинити концентрацію напруги на одній батареї, що робить її особливо небезпечною.
Стандарти тестування:Рекомендації Організації Об’єднаних Націй щодо перевезення небезпечних вантажів є дуже важливими для випробувань акумуляторів, серед яких UN 38.3 T3 визначає численні вимоги до випробувань, включаючи випробування на перезаряд. Відповідно до цього стандарту перевірка на перезарядження полягає в тому, щоб визначити, чи є батарея небезпечною у разі неправильного використання, і під час перевірки батарею слід заряджати до подвоєної максимальної напруги заряджання. Регламент ЄЕК ООН № 100 є правовою основою для схвалення електромобілів Європейським Союзом, який описує випробування акумуляторів електромобілів на перезарядку. Також одним із важливих стандартів є Посібник із випробувань системи зберігання електроенергії FreedomCAR. Для перевірки перезаряду цей стандарт використовує постійний зарядний струм постійного струму, а напруга повинна бути встановлена вдвічі вище нормальної напруги. Ці стандарти не завжди відповідають вимогам практичного застосування, оскільки батареї встановлюються послідовно в модулях і напруга може бути вищою, що збільшує ризик виникнення дуги, коли CID від’єднано.
3. Експериментальна ділянка
Експериментальний дизайн:У тесті на перезарядку для порівняльного аналізу поведінки використовували три батареї з різними хімічними властивостями (LFP, NMC і NCA). Причина вибору цих батарей полягає в тому, що LFP має помірну реакцію перезаряду, електрод NMC має більшу реакційну здатність як матеріал катода, а оксид NCA вивільняє кисень і викликає термічний витік. Вибір акумуляторів базується на головному критерії, який полягає в тому, що акумулятори повинні мати CID. Перед експериментом зразки кожного типу батареї розкривали та перевіряли.
Тестовий пристрій:Тестовий пристрій містить ланцюг живлення та ланцюг вимірювання. Схема вимірювання включає високовольтний вимірювальний модуль, струмові кліщі, датчик температури та обладнання для збору даних. Схема живлення складається з джерела напруги, контактора навантаження та батареї. Тест на зловживання завищеною платою проводився на відкритому повітрі, а для запису подій використовувалися камери високої чіткості та інфрачервоні камери.
Процес тестування:Тестування проводиться відповідно до специфікації тестування FreedomCAR, але при нормальній робочій температурі акумулятора. Тестове обладнання заряджається до напруги, що вдвічі перевищує номінальну, і збір даних припиняється через 30 хвилин, незалежно від стану реакції батареї. Реакцію батареї оцінювали за допомогою рівня небезпеки EUCAR, розділивши її поведінку на вісім рівнів небезпеки. Для представлення безпечної поведінки батареї було визначено три рівні кольору, а також проведено бінарний логістичний регресійний аналіз.
Параметри тесту:Проведіть десять випробувань кожної батареї за рівнів напруги 120 В, 400 В і 800 В, оскільки більшість електромобілів знаходяться в цих діапазонах напруги. Ми порівняли ситуацію з подвійною номінальною напругою при вищих рівнях напруги та тести на перезарядку FreedomCar, щоб перевірити, чи небезпека пропорційна напрузі. Згідно з паспортом батареї виробника, було вибрано поточний рівень заряду кожної батареї, для батарей NCA та NMC встановлено значення 4 А, а для батарей LFP — 1,5 А. Акумулятор заряджається, доки CID не перерве потік заряджання або тест не завершиться, причому кожен тест триває 30 хвилин.
Аналіз даних:Програмне забезпечення SPSS використовується для статистичної оцінки даних з акцентом на безпеку батарей. Двійкова логістична регресія використовується для оцінки на основі двійкових виразів «безпечного» або «небезпечного». Статистична оцінка тесту включає дискретну (описову) та аналітичну (інференційну) частини. Тест можна описати за допомогою трьох змінних: хімічних властивостей (дискретні категоричні змінні), напруги (змінні безперервного масштабування співвідношення) і результатів тесту (бінарні 0-1 змінні, безпечні та небезпечні).
4. Результати
Класифікація результатів випробувань:Щоб забезпечити огляд необроблених даних, для серії тестів було визначено три категорії з рівнями небезпеки 3-5.
Поведінка правильного запуску CID:Перша категорія результатів тестування підсумовує дані про правильну поведінку CID (рівень небезпеки 3). Усі перевірені батареї після перезарядження протягом 10 хвилин мали внутрішній тиск повітря, достатній для відкриття CID, що спричинило розряд батареї (падіння струму, підвищення напруги). CID правильно перервав потік струму та запобіг подальшому перезарядженню батареї, що класифікується як умова безпеки та позначено як рівень небезпеки 3 (зелена безпечна поведінка).
CID викликав неправильну поведінку:Друга категорія підсумовує неправильну поведінку, викликану CID, коли CID частково перериває струм, що призводить до сильного задимлення та підвищення температури, і класифікується як небезпечний рівень небезпеки 4 (жовта небезпечна поведінка).
Поведінка, викликана помилками CID:Остання категорія включає дані, викликані помилками CID, де CID може лише короткочасно або повністю відокремити струм і напругу, і тому не може запобігти перезарядженню батареї, що зрештою призводить до займання або вибуху батареї, класифікованого як небезпечний стан рівня небезпеки 5 або вище (червоний небезпечна поведінка).
5. Обговорення
Обмеження стандартів тестування:Відповідно до стандартів тестування батареї FreedomCAR важко довести батарею до безпечної межі, тобто при перезарядженні напругою, що вдвічі перевищує номінальну, батарея не буде досягати крайніх меж і не демонструватиме небезпечної поведінки. У цьому діапазоні напруги (2-5 В) CID може правильно розділити позитивний і негативний полюси, не запалюючи акумулятор. Однак стандарти тестування не відображають фактичного використання літієвих батарей. На ринку накопичувачів енергії існують з’єднані між собою системи послідовної комутації з напругою до 800 В.
Продуктивність акумуляторів з різними хімічними властивостями:Враховуючи результати серії випробувань на 120 В, хімічні батареї NMC і NCA показали першу критичну поведінку батареї, тоді як хімічні батареї LFP були відносно безпечними та не зазнавали займання або пожежі з рівнем небезпеки 5 або вище. У тесті 400 В критичні умови хімічних батарей NMC і NCA подвоїлися порівняно з тестом 120 В, але акумулятори LFP все ще можна вважати некритичними. У тесті 800 В продуктивність батарей NMC і NCA була майже однаковою на етапі запалювання, тоді як батареї LFP показали першу ключову поведінку порівняно з серіями тестів 120 В і 400 В.
Причини небезпечної поведінки:Для всіх акумуляторів, класифікованих як «небезпечні», подачу енергії неможливо зупинити, тобто зарядний струм не можна перервати, що може бути пов’язано з дугою, що утворюється під час спрацьовування CID, що спричиняє продовження зарядного струму, що призводить до мала точка контакту між анодом і катодом, що призводить до високої щільності струму. Крім того, відстань між двома контактами, створеними під час спрацьовування CID, дуже мала, що також збільшує напругу пробою та може спричинити дугу.
6. Висновок
Недоліки діючих стандартів:За результатами всіх серій випробувань можна зробити висновок, що поточні стандарти перевірки безпеки акумуляторів в акумуляторних системах є недостатніми. У акумуляторній системі циліндричних батарей, з’єднаних послідовно, від’єднання CID під високою системною напругою може призвести до утворення критичних дуг, що призведе до згоряння або вибуху батареї. Таким чином, якщо батареї з’єднані послідовно в системі батареї, перевірка батареї за напруги, що вдвічі перевищує номінальну, не є важливою для безпечної поведінки батарей, і поточні стандарти повинні бути переглянуті. Рекомендується, щоб тестування, проведене на рівні батареї, принаймні досягало максимального рівня напруги системи батареї, запланованої для встановлення та експлуатації.
Розгляд програми CID:Було встановлено, що надмірне заряджання акумулятора дуже високою напругою збільшує потенційну небезпеку. Тому, коли велика кількість батарей з CID використовується послідовно в акумуляторній системі, їх застосування слід переглянути, оскільки спрацьовування CID може призвести до катастрофічного виходу батареї з ладу. Альтернативним рішенням цієї проблеми є розробка батареї CID, яка може витримувати таку високу напругу.