Povzetek
Napake pri merjenju napetosti lahko povzročijo prekomerno polnjenje litij-ionskih baterij, kar povzroči nastajanje notranjih plinov in ustvarjanje toplote, kar povzroči nenadzorovano segrevanje. Za zmanjšanje tega tveganja je cilindrična baterija opremljena z napravo za prekinitev toka (CID), ki deluje kot tlačni varnostni ventil. Ko notranji tlak naraste, lahko CID odklopi notranji tokokrog baterije. Vendar ta odklop povzroči, da baterija nenadoma postane visoko uporna, kar povzroči resne težave pri zaporedno povezanih baterijah. V tej konfiguraciji lahko nekaj ali celo celotna sistemska napetost pade na odklopljen akumulator, kar močno poveča možnost iskrenja. Ta vrsta obloka lahko vžge kateri koli uhajajoči vnetljiv plin, kar povzroči katastrofalno okvaro.
V nizu testov, izvedenih na treh različnih proizvajalcih baterij, NMC (nikelj-mangan-kobalt), NCA (nikelj-kobalt-aluminij) in LFP (litij-železov fosfat), je bilo ugotovljeno, da varnega delovanja CID ni mogoče zagotoviti pri sistemskih napetostih, ki presegajo 120V. Čeprav primerjalni testi pri dvakratni nazivni napetosti akumulatorja niso pokazali enakega obnašanja, te ugotovitve kažejo, da trenutni varnostni standardi, ki priporočajo testiranje pri dvakratni nazivni napetosti, morda ne obravnavajo v celoti vključenih tveganj. Nadaljnje testiranje je pokazalo, da je serijska povezava med baterijo in CID sama po sebi nevarna, saj je v najslabšem primeru lahko celotna napetost sistema koncentrirana na eno samo baterijo, kar vodi do morebitnih okvar sistema.
1. Uvod
Z napredkom električnega in elektronskega inženiringa je sodobno življenje močno odvisno od naprav, kot so pametni telefoni, tablični računalniki, električna kolesa, električna vozila, električna orodja in domači sistemi za shranjevanje energije. V skladu s standardom IEC 61140 lahko te naprave razdelimo na dva napetostna nivoja: naprave pod 60 V AC in 120 V DC ter naprave z napetostnimi razponi do 1000 V AC in 1500 V DC.
V prvo sodijo električna orodja, električna kolesa, prenosni računalniki in mobilni telefoni, ki običajno veljajo za varne zaradi izjemno nizke napetosti. Slednja je znana tudi kot nizkonapetostna oprema, kot so električna vozila z nazivno napetostjo od 400 V DC do 800 V DC. Električna vozila in druge aplikacije pridobijo potrebno delovno moč iz litij-ionskih baterij z največjo napetostjo 4,2 V. Na splošno ta napetost zadostuje za pametne telefone, za električna kolesa (36 V DC) in električna vozila (400 V DC) pa je treba zaporedno povezati približno 10 oziroma 96 baterij.
Litij-ionske baterije so še posebej občutljive na reakcije prekomernega polnjenja, ki lahko povzročijo nastajanje plina v bateriji. Za zagotovitev, da vsaka baterija deluje v pravilnem območju, se v bateriji uporablja sistem za upravljanje baterije (BMS) za spremljanje parametrov in dosegov. Poleg tega so cilindrične baterije opremljene s pasivnimi varnostnimi sistemi, kot so naprave za prekinitev toka (CID), ki se uporabljajo za odklop notranjih tokokrogov baterije, ko pride do tvorbe plina in povečanja tlaka zaradi reakcij razgradnje znotraj baterije.
Zaradi odklopa CID se potencialna nevarnost iskrenja poveča, kar vodi do vprašanja, ali so baterije s CID nevarne, če se uporabljajo v seriji. Na primer, električno vozilo s sistemom 400 V lahko naleti na tehnične težave, zaradi katerih je napetost ene same baterije zelo visoka in presega dvakratno nazivno napetost. V tem primeru je testiranje, izvedeno med homologacijo baterije električnega vozila, nesmiselno, ker lahko uporaba CID v tej situaciji povzroči nevarne situacije.
Da bi našli najboljši odgovor na to vprašanje, smo v tem članku izvedli obsežno testiranje na različnih nivojih napetosti (120 V DC do 800 V DC), ki se običajno uporabljajo v električnih in hibridnih električnih vozilih.
2. Teoretična izhodišča
Posledice prekomernega polnjenja:Prekomerno polnjenje je ena najbolj kritičnih situacij pri aplikacijah baterij. V primerjavi z globoko izpraznitvijo so posledice prekomernega polnjenja resnejše, kar lahko privede do razgradnje elektrolitov in katodnih materialov ter neželenih reakcij med elektrodami in drugimi komponentami baterije, kar povzroči katastrofalne okvare baterije, kot so požari ali eksplozije.
Razlogi za prekomerno polnjenje:vključno z okvaro krmilnika polnjenja, okvaro BMS ali nepravilno meritvijo napetosti. Na primer, BMS, ki uravnava baterijo na podlagi nepravilnih vrednosti napetosti, lahko na koncu privede do prekomernega polnjenja in potencialnega toplotnega pobega.
Notranje reakcije baterij:Odvisno od materialov in kemikalij, uporabljenih v bateriji, med razgradnjo katode nastaja kisik (odvisno od stanja napolnjenosti in materiala katode). Kisik reagira z ogljikom in elektrolitnimi topili, kar povzroči sproščanje vnetljivih plinov, kot so ogljikov monoksid, ogljikov dioksid in vodik. V tem primeru litij-nikelj-mangan-kobaltne elektrode (NMC 622 in NMC 811) in litij-nikelj-kobalt-aluminijeve elektrode (NCA) izkazujejo kritičnost, medtem ko elektrode iz litij-železovega fosfata veljajo za najvarnejše materiale zaradi nizkega sproščanja strupenega plina ogljikovega monoksida. Elektrolit je glavni odgovorni element za nastajanje plina v baterijah, tvorba plina v vsaki bateriji pa vzpostavlja visok tlak. Zaradi tesnjenja okolja z litij-ionskimi baterijami nastali plin uhaja, skupaj s stabilno kovinsko lupino pa lahko tlak plina doseže do 20 barov. Pri nenadzorovanih okvarah lahko ti plini eksplodirajo.
Varnostne naprave:Da bi zmanjšali potencialne nevarnosti opreme za shranjevanje energije, so sprejete različne varnostne naprave in krmilni mehanizmi. Notranji varnostni ukrepi, kot so naprave s pozitivnim temperaturnim koeficientom (PTC) in naprave za prekinitev toka (CID), se uporabljajo na ravni baterije, BMS pa se uporablja kot zunanji varnostni ukrep za stalno spremljanje baterije na ravni sistema. PTC poveča odpornost in zmanjša pretok toka med segrevanjem, medtem ko je CID sestavljen iz zgornjega in spodnjega diska. Ko prekomerno polnjenje povzroči povečanje tlaka, se zgornji disk upogne in zvarjeni spoj se zlomi, s čimer se prekine tokovna pot z aktivnim materialom. Sprožitev CID je podobna odpiranju stikala pod obremenitvijo, kar lahko vname oblok. Pri cilindričnih baterijah s CID za nastanek obloka zadostuje napetost 18 V. Pri zaporedni povezavi posamezna baterija morda ne doseže tako visoke vrednosti napetosti, lahko pa pride do nje v sistemu, kar lahko povzroči koncentracijo napetosti na eni bateriji, kar je še posebej nevarno.
Standardi testiranja:Priporočila Združenih narodov o prevozu nevarnega blaga so zelo pomembna za testiranje akumulatorjev, med katerimi UN 38.3 T3 določa več zahtev glede testiranja, vključno s testiranjem prenapolnjenosti. V skladu s tem standardom se s preskusom prenapolnjenosti ugotovi, ali je baterija nevarna v primeru zlorabe, baterijo pa je treba med preskusom napolniti do dvakratne največje polnilne napetosti. Uredba UN ECE št. 100 je pravna podlaga za odobritev električnih vozil s strani Evropske unije, ki opisuje preskus prenapolnjenosti baterij električnih vozil. Priročnik za testiranje zlorabe sistema za shranjevanje električne energije FreedomCAR je prav tako eden od pomembnih standardov. Za testiranje prenapolnjenosti ta standard uporablja konstanten enosmerni polnilni tok, napetost pa mora biti nastavljena na dvakratno običajno napetost. Ti standardi ne izpolnjujejo vedno zahtev praktičnih aplikacij, saj so baterije nameščene zaporedno v modulih in napetost je lahko višja, kar poveča tveganje obloka, ko je CID odklopljen.
3. Eksperimentalni del
Eksperimentalna zasnova:V testu prenapolnjenosti so bile za primerjalno analizo obnašanja uporabljene tri baterije z različnimi kemijskimi lastnostmi (LFP, NMC in NCA). Razlog za izbiro teh baterij je, da ima LFP blago reakcijo prenapolnjenosti, NMC elektroda ima močnejšo reaktivnost kot katodni material, NCA oksid pa sprošča kisik in povzroča toplotni beg. Izbira baterij temelji na glavnem kriteriju, to je, da morajo imeti baterije CID. Pred poskusom smo vzorce vsake vrste baterij odprli in pregledali.
Testna naprava:Testna naprava vključuje napajalni in merilni krog. Merilno vezje vključuje visokonapetostni merilni modul, tokovne klešče, temperaturni senzor in opremo za zajemanje podatkov. Napajalni tokokrog je sestavljen iz vira napetosti, obremenitvenega kontaktorja in baterije. Preskus zlorabe previsokih stroškov je bil izveden v preskusnih prostorih na prostem, za snemanje dogodkov pa so bile uporabljene kamere visoke ločljivosti in infrardeče kamere.
Postopek testiranja:Testiranje poteka v skladu s specifikacijo testiranja FreedomCAR, vendar pri normalni delovni temperaturi baterije. Testna oprema se napolni na dvakratno nazivno napetost, zbiranje podatkov pa se po 30 minutah ustavi, ne glede na reakcijsko stanje baterije. Reakcija baterije je bila ovrednotena s stopnjo nevarnosti EUCAR, pri čemer je njeno obnašanje razdeljeno na osem stopenj nevarnosti. Določeni so bili trije barvni nivoji, ki predstavljajo varno obnašanje baterije, in izvedena je bila binarna logistična regresijska analiza.
Testni parametri:Izvedite deset testov na vsaki bateriji pri napetostnih nivojih 120 V, 400 V in 800 V, saj je večina električnih vozil znotraj teh napetostnih razponov. Primerjali smo situacijo dvojne nazivne napetosti pri višjih nivojih napetosti in teste prenapolnjenosti FreedomCar, da bi preverili, ali je nevarnost sorazmerna z napetostjo. V skladu s podatkovnim listom o baterijah proizvajalca je bila izbrana trenutna raven vsake baterije, pri čemer sta bateriji NCA in NMC nastavljeni na 4 A, bateriji LFP pa na 1,5 A. Baterija se polni, dokler CID ne prekine toka polnjenja ali dokler se test ne konča, pri čemer vsak test traja 30 minut.
Analiza podatkov:Programska oprema SPSS se uporablja za statistično vrednotenje podatkov, s poudarkom na varnosti baterij. Binarna logistična regresija se uporablja za vrednotenje na podlagi binarnih izrazov "varno" ali "nevarno". Statistična ocena testa vključuje diskretni (opisni) in analitični (inferenčni) del. Preskus je mogoče opisati s tremi spremenljivkami: kemijskimi lastnostmi (diskretne kategorične spremenljivke), napetostjo (spremenljivke za zvezno skaliranje razmerja) in rezultati preskusa (binarne 0-1 spremenljivke, varne in nevarne).
4. Rezultati
Razvrstitev rezultatov preskusa:Da bi zagotovili pregled nad neobdelanimi podatki, so bile za preskusno serijo opredeljene tri kategorije s stopnjami nevarnosti 3-5.
Obnašanje pravilnega sprožitve CID:Prva kategorija rezultatov testa povzema podatke o pravilnem obnašanju CID (stopnja nevarnosti 3). Vse preizkušene baterije so imele po 10-minutnem prekomernem polnjenju notranji zračni tlak, ki je zadostoval za odpiranje CID, kar je povzročilo izpraznitev baterije (padec toka, povečanje napetosti). CID je pravilno prekinil tok in preprečil nadaljnje prekomerno polnjenje akumulatorja, klasificiran kot varnostni pogoj in označen kot stopnja nevarnosti 3 (zeleno varnostno obnašanje).
CID je sprožil nepravilno vedenje:Druga kategorija povzema nepravilno vedenje, ki ga sproži CID, pri katerem CID delno prekine trenutni tok, kar povzroči močan dim in dvig temperature, in je razvrščeno kot nevarno stanje 4. stopnje nevarnosti (rumeno nevarno vedenje).
Vedenje, ki ga sprožijo napake CID:Zadnja kategorija vključuje podatke, ki jih sprožijo napake CID, pri čemer lahko CID le za kratek čas ali popolnoma loči tok in napetost in zato ne more preprečiti prekomernega polnjenja akumulatorja, kar na koncu povzroči vžig ali eksplozijo akumulatorja, razvrščeno kot nevarno stanje stopnje nevarnosti 5 ali višje (rdeča nevarno vedenje).
5. Razprava
Omejitve standardov testiranja:V skladu s standardi testiranja baterij FreedomCAR je baterijo težko potisniti do varne meje, to pomeni, da pri prekomernem polnjenju pri dvakratni nazivni napetosti baterija ne bo potisnjena do skrajnih meja in ne bo kazala nevarnega vedenja. Znotraj tega napetostnega območja (2-5V) lahko CID pravilno loči pozitivni in negativni pol, ne da bi vžgal baterijo. Vendar standardi testiranja ne odražajo dejanske uporabe litijevih baterij. Na trgu za shranjevanje energije obstajajo višji medsebojno povezani serijski preklopni sistemi z napetostmi do 800 V.
Učinkovitost baterij z različnimi kemijskimi lastnostmi:Glede na rezultate serije testov 120 V so kemične baterije NMC in NCA pokazale prvo kritično obnašanje baterije, medtem ko so bile kemične baterije LFP razmeroma varne in niso doživele vžiga ali požara s stopnjo nevarnosti 5 ali več. Pri preskusu 400 V so se kritični pogoji kemičnih baterij NMC in NCA podvojili v primerjavi s preskusom 120 V, vendar se baterije LFP še vedno lahko štejejo za nekritične. V testu 800 V je bila zmogljivost baterij NMC in NCA skoraj enaka, v fazi vžiga, medtem ko so baterije LFP pokazale prvo ključno obnašanje v primerjavi s serijama testov 120 V in 400 V.
Razlogi za nevarno vedenje:Pri vseh baterijah, ki so razvrščene kot "nevarne", dovoda energije ni mogoče ustaviti, to pomeni, polnilnega toka ni mogoče prekiniti, kar je lahko posledica obloka, ki nastane ob sprožitvi CID, zaradi česar polnilni tok teče naprej, kar povzroči majhna kontaktna točka med anodo in katodo, kar vodi do visoke gostote toka. Poleg tega je razdalja med dvema kontaktoma, ustvarjenima ob sprožitvi CID, zelo kratka, kar prav tako poveča prebojno napetost in lahko povzroči iskrenje.
6. Zaključek
Pomanjkljivosti trenutnih standardov:Na podlagi rezultatov vseh testnih serij je mogoče sklepati, da so trenutni standardi za testiranje varnosti baterij v baterijskih sistemih nezadostni. V baterijskem sistemu cilindričnih baterij, povezanih zaporedno, lahko odklop CID pod visoko sistemsko napetostjo povzroči nastanek kritičnih oblokov, kar povzroči vžig ali eksplozijo baterije. Zato, če so baterije zaporedno povezane v baterijskem sistemu, testiranje baterij pri dvakratni nazivni napetosti ni pomembno za varno obnašanje baterij, zato je treba trenutne standarde revidirati. Priporočljivo je, da testiranje, opravljeno na nivoju akumulatorja, doseže vsaj najvišjo napetost akumulatorskega sistema, načrtovanega za namestitev in delovanje.
Upoštevanje aplikacije CID:Ugotovljeno je bilo, da prekomerno polnjenje baterije z zelo visoko napetostjo poveča možnost nevarnosti. Zato je treba, kadar se v baterijskem sistemu zaporedno uporablja veliko število baterij s CID, ponovno razmisliti o njihovi uporabi, saj lahko proženje CID povzroči katastrofalno okvaro baterije. Alternativna rešitev tega problema je oblikovanje baterije CID, ki lahko prenese tako visoko napetost.