Abstrakts
Sprieguma mērīšanas kļūmes var izraisīt litija jonu akumulatoru pārlādēšanu, izraisot iekšējo gāzu veidošanos un siltuma veidošanos, kā rezultātā notiek nekontrolēta karsēšana. Lai samazinātu šo risku, cilindriskais akumulators ir aprīkots ar strāvas pārtraukšanas ierīci (CID), kas darbojas kā spiediena samazināšanas vārsts. Kad iekšējais spiediens paaugstinās, CID var atvienot akumulatora iekšējo ķēdi. Tomēr šī atvienošana izraisa akumulatora strauju pretestību, izraisot nopietnas problēmas sērijveidā pievienotajos akumulatoros. Šajā konfigurācijā daļa vai pat viss sistēmas spriegums var nokrist uz atvienotā akumulatora, ievērojami palielinot loka izvadīšanas iespēju. Šāda veida loks var aizdedzināt jebkuru izplūstošu uzliesmojošu gāzi, izraisot katastrofālu atteici.
Pārbaužu sērijā, kas veikta ar trim dažādiem akumulatoru ķīmiķiem, NMC (niķeļa mangāna kobalts), NCA (niķeļa kobalta alumīnijs) un LFP (litija dzelzs fosfāts), tika konstatēts, ka CID drošu darbību nevar garantēt, ja sistēmas spriegums pārsniedz 120V. Lai gan salīdzinošās pārbaudes ar divreiz lielāku nominālo akumulatora spriegumu neuzrādīja tādu pašu uzvedību, šie atklājumi liecina, ka pašreizējie drošības standarti, kas iesaka testēšanu ar divreiz lielāku nominālo spriegumu, var pilnībā novērst ar to saistītos riskus. Papildu testēšana ir parādījusi, ka seriālais savienojums starp akumulatoru un CID ir bīstams, jo sliktākajā gadījumā viss sistēmas spriegums var tikt koncentrēts uz vienu akumulatoru, izraisot iespējamās sistēmas kļūmes.
1. Ievads
Attīstoties elektrotehnikai un elektroniskajai inženierijai, mūsdienu dzīve lielā mērā ir atkarīga no tādām ierīcēm kā viedtālruņi, planšetdatori, elektriskie velosipēdi, elektriskie transportlīdzekļi, elektroinstrumenti un mājas enerģijas uzglabāšanas sistēmas. Saskaņā ar IEC 61140 standartu šīs ierīces var iedalīt divos sprieguma līmeņos: ierīces, kas ir zem 60 V maiņstrāvas un 120 V līdzstrāvas, un ierīces ar sprieguma diapazonu līdz 1000 V maiņstrāvai un 1500 V līdzstrāvai.
Pirmie ietver elektroinstrumentus, elektriskos velosipēdus, klēpjdatorus un mobilos tālruņus, kas parasti tiek uzskatīti par drošiem to ārkārtīgi zemā sprieguma dēļ. Pēdējais ir pazīstams arī kā zemsprieguma diapazona aprīkojums, piemēram, elektriskie transportlīdzekļi ar nominālo spriegumu no 400 V līdzstrāvas līdz 800 V līdzstrāvai. Elektriskie transportlīdzekļi un citi lietojumi nepieciešamo darba jaudu iegūst no litija jonu akumulatoriem ar maksimālo spriegumu 4,2 V. Vispārīgi runājot, šis sprieguma līmenis ir pietiekams viedtālruņiem, bet elektriskajiem velosipēdiem (36V DC) un elektriskajiem transportlīdzekļiem (400V DC) virknē jāpievieno attiecīgi aptuveni 10 un 96 akumulatori.
Litija jonu akumulatori ir īpaši jutīgi pret pārlādēšanas reakcijām, kas var izraisīt gāzes veidošanos akumulatorā. Lai nodrošinātu, ka katrs akumulators darbojas pareizajā diapazonā, akumulatorā tiek izmantota akumulatora pārvaldības sistēma (BMS), lai uzraudzītu parametrus un diapazonus. Turklāt cilindriskie akumulatori ir aprīkoti ar pasīvām drošības sistēmām, piemēram, strāvas pārtraukšanas ierīcēm (CID), kuras izmanto, lai atvienotu akumulatora iekšējās ķēdes, kad akumulatora iekšienē notiekošo sadalīšanās reakciju dēļ notiek gāzes veidošanās un spiediena palielināšanās.
Sakarā ar CID atvienošanu palielinās iespējamais loka veidošanās risks, kas rada jautājumu par to, vai akumulatori ar CID ir bīstami, ja tos izmanto sērijveidā. Piemēram, elektriskajam transportlīdzeklim ar 400 V sistēmu var rasties tehniskas problēmas, kuru rezultātā viena akumulatora spriegums ir ļoti augsts, divreiz pārsniedzot nominālo spriegumu. Šajā gadījumā elektromobiļa akumulatora apstiprināšanas laikā veiktajai pārbaudei nav nozīmes, jo CID izmantošana šajā situācijā var radīt bīstamas situācijas.
Lai atrastu vislabāko atbildi uz šo jautājumu, šajā rakstā tika veikta plaša pārbaude dažādos sprieguma līmeņos (120V līdzstrāva līdz 800V DC), ko parasti izmanto elektriskajos un hibrīdos elektriskajos transportlīdzekļos.
2. Teorētiskais pamatojums
Pārmaksas sekas:Pārlādēšana ir viena no kritiskākajām situācijām akumulatora lietojumos. Salīdzinot ar dziļo izlādi, pārlādēšanas sekas ir nopietnākas, kas var izraisīt elektrolītu un katoda materiālu sadalīšanos, kā arī negatīvas reakcijas starp elektrodiem un citām akumulatora sastāvdaļām, izraisot katastrofālus akumulatora bojājumus, piemēram, ugunsgrēkus vai sprādzienus.
Pārmaksas iemesli:tostarp uzlādes kontrollera kļūme, BMS kļūme vai nepareizs sprieguma mērījums. Piemēram, BMS balansē akumulatoru, pamatojoties uz nepareizām sprieguma vērtībām, galu galā var izraisīt pārlādēšanu un potenciālu termisku aizbēgšanu.
Bateriju iekšējās reakcijas:Atkarībā no akumulatorā izmantotajiem materiāliem un ķīmiskajām vielām katoda sadalīšanās laikā rodas skābeklis (atkarībā no uzlādes stāvokļa un katoda materiāla). Skābeklis reaģē ar oglekļa un elektrolītu šķīdinātājiem, kā rezultātā izdalās viegli uzliesmojošas gāzes, piemēram, oglekļa monoksīds, oglekļa dioksīds un ūdeņradis. Šajā gadījumā litija niķeļa mangāna kobalta elektrodi (NMC 622 un NMC 811) un litija niķeļa kobalta alumīnija elektrodi (NCA) demonstrē kritiskumu, savukārt litija dzelzs fosfāta elektrodi tiek uzskatīti par drošākajiem materiāliem, jo tiem ir maza toksiskas oglekļa monoksīda gāzes izdalīšanās. Elektrolīts ir galvenais atbildīgais elements gāzes veidošanā akumulatoros, un gāzes veidošanās katrā akumulatorā rada augstu spiedienu. Pateicoties litija jonu akumulatoru vides blīvēšanai, radītā gāze izplūst, un kopā ar stabilu metāla apvalku gāzes spiediens var sasniegt pat 20 bārus. Nekontrolētu bojājumu gadījumos šīs gāzes var eksplodēt.
Drošības ierīces:Lai samazinātu enerģijas uzkrāšanas iekārtu iespējamos apdraudējumus, tiek pieņemtas dažādas drošības ierīces un vadības mehānismi. Akumulatora līmenī tiek izmantoti iekšējie drošības pasākumi, piemēram, pozitīvas temperatūras koeficienta (PTC) ierīces un strāvas pārtraukuma ierīces (CID), un BMS tiek izmantots kā ārējs drošības pasākums, lai nepārtraukti uzraudzītu akumulatoru sistēmas līmenī. PTC palielina pretestību un samazina strāvas plūsmu sildīšanas laikā, savukārt CID sastāv no augšējā diska un apakšējā diska. Ja pārlādēšana izraisa spiediena palielināšanos, augšējais disks salieksies un metinātais savienojums pārtrūks, tādējādi atvienojot strāvas ceļu ar aktīvo materiālu. CID aktivizēšana ir līdzīga slēdža atvēršanai zem slodzes, kas var aizdegties loka. Cilindriskiem akumulatoriem ar CID loka ģenerēšanai pietiek ar 18 V spriegumu. Sērijas savienojumā viens akumulators var nesasniegt tik augstu sprieguma vērtību, taču tas var rasties sistēmā, kas var izraisīt sprieguma koncentrēšanos vienā akumulatorā, padarot to īpaši bīstamu.
Pārbaudes standarti:Apvienoto Nāciju Organizācijas ieteikumi par bīstamo kravu pārvadājumiem ir ļoti svarīgi akumulatoru testēšanai, tostarp ANO 38.3 T3 nosaka vairākas testēšanas prasības, tostarp pārmaksas testēšanu. Saskaņā ar šo standartu pārlādēšanas tests ir paredzēts, lai noteiktu, vai akumulators ir bīstams ļaunprātīgas izmantošanas gadījumā, un testa laikā akumulators jāuzlādē līdz divreiz lielākam uzlādes spriegumam. ANO EEK Noteikumi Nr.100 ir juridiskais pamats elektrisko transportlīdzekļu apstiprināšanai Eiropas Savienībā, kas apraksta elektrisko transportlīdzekļu akumulatoru pārlādēšanas testu. FreedomCAR elektroenerģijas uzglabāšanas sistēmas ļaunprātīgas izmantošanas pārbaudes rokasgrāmata ir arī viens no svarīgiem standartiem. Pārlādēšanas pārbaudei šis standarts izmanto pastāvīgu līdzstrāvas uzlādes strāvu, un spriegumam jābūt iestatītam uz divreiz lielāku par parasto spriegumu. Šie standarti ne vienmēr atbilst praktiskā pielietojuma prasībām, jo akumulatori tiek uzstādīti sērijveidā moduļos un spriegums var būt augstāks, palielinot loka rašanās risku, kad CID tiek atvienots.
3. Eksperimentālā sadaļa
Eksperimentālais dizains:Pārlādes testā salīdzinošai uzvedības analīzei tika izmantoti trīs akumulatori ar dažādām ķīmiskajām īpašībām (LFP, NMC un NCA). Šo akumulatoru izvēles iemesls ir tas, ka LFP ir viegla pārlādes reakcija, NMC elektrodam ir spēcīgāka reaktivitāte kā katoda materiālam, un NCA oksīds atbrīvo skābekli un izraisa termisku aizbēgšanu. Bateriju izvēle tiek veikta, pamatojoties uz galvenajiem kritērijiem, proti, akumulatoriem jābūt ar CID. Pirms eksperimenta tika atvērti un pārbaudīti katra akumulatora tipa paraugi.
Testēšanas ierīce:Testēšanas ierīce ietver strāvas ķēdi un mērīšanas ķēdi. Mērīšanas ķēdē ietilpst augstsprieguma mērīšanas modulis, strāvas skava, temperatūras sensors un datu iegūšanas aprīkojums. Strāvas ķēde sastāv no sprieguma avota, slodzes kontaktora un akumulatora. Pārmaksas ļaunprātīgas izmantošanas tests tika veikts āra testēšanas telpās, un notikumu ierakstīšanai tika izmantotas augstas izšķirtspējas kameras un infrasarkanās kameras.
Pārbaudes process:Testēšana tiek veikta saskaņā ar FreedomCAR testēšanas specifikāciju, bet akumulatora normālā darba temperatūrā. Testēšanas iekārta tiek uzlādēta līdz divreiz lielākam nominālajam spriegumam, un datu vākšana tiek pārtraukta pēc 30 minūtēm neatkarīgi no akumulatora reakcijas stāvokļa. Akumulatora reakcija tika novērtēta, izmantojot EUCAR bīstamības līmeni, sadalot tā uzvedību astoņos bīstamības līmeņos. Tika definēti trīs krāsu līmeņi, kas atspoguļo akumulatora drošu uzvedību, un tika veikta binārā loģistikas regresijas analīze.
Testa parametri:Veiciet desmit testus katram akumulatoram 120 V, 400 V un 800 V sprieguma līmenī, jo lielākā daļa elektrisko transportlīdzekļu atrodas šajos sprieguma diapazonos. Mēs salīdzinājām dubultā nominālā sprieguma situāciju augstākos sprieguma līmeņos un FreedomCar pārlādēšanas testus, lai pārbaudītu, vai briesmas ir proporcionālas spriegumam. Saskaņā ar ražotāja akumulatora datu lapu tika izvēlēts katra akumulatora pašreizējais līmenis, NCA un NMC akumulatoriem iestatīts 4A un LFP akumulatoriem iestatīts 1,5A. Akumulators tiek uzlādēts, līdz CID pārtrauc uzlādes plūsmu vai tests tiek pārtraukts, un katrs tests ilgst 30 minūtes.
Datu analīze:SPSS programmatūra tiek izmantota datu statistiskai novērtēšanai, koncentrējoties uz akumulatoru drošību. Bināro loģistikas regresiju izmanto, lai novērtētu, pamatojoties uz binārajām izteiksmēm "drošs" vai "nedroši". Testa statistiskais novērtējums ietver diskrētu (aprakstošo) un analītisko (secināmo) daļu. Testu var aprakstīt, izmantojot trīs mainīgos: ķīmiskās īpašības (diskrēti kategoriski mainīgie), spriegumu (nepārtrauktas attiecības mērogošanas mainīgie) un testa rezultātus (binārie 0-1 mainīgie, droši un nedroši).
4. Rezultāti
Pārbaudes rezultātu klasifikācija:Lai sniegtu pārskatu par neapstrādātajiem datiem, testu sērijām ir definētas trīs kategorijas ar bīstamības līmeņiem 3-5.
Pareizas CID aktivizēšanas rīcība:Pirmajā testa rezultātu kategorijā ir apkopoti dati par pareizu CID darbību (3. bīstamības līmenis). Visiem pārbaudītajiem akumulatoriem pēc 10 minūšu pārlādēšanas bija pietiekams iekšējais gaisa spiediens, lai atvērtu CID, izraisot akumulatora izplūdi (strāvas kritums, sprieguma pieaugums). CID pareizi pārtrauca strāvas plūsmu un novērsa turpmāku akumulatora pārlādēšanu, kas klasificēts kā drošības nosacījums un atzīmēts kā 3. bīstamības līmenis (zaļa drošības uzvedība).
KID izraisīja nepareizu darbību:Otrajā kategorijā ir apkopota CID izraisīta nepareiza darbība, kurā CID daļēji pārtrauc strāvas plūsmu, radot spēcīgu dūmu un temperatūras paaugstināšanos, un tā ir klasificēta kā nedroša stāvokļa apdraudējuma 4. līmenis (dzeltena nedroša uzvedība).
Rīcība, ko aktivizē CID kļūdas:Pēdējā kategorijā ietilpst dati, ko izraisa CID kļūdas, kur CID var tikai īslaicīgi vai pilnībā atdalīt strāvu un spriegumu, un tāpēc nevar novērst akumulatora pārlādēšanu, kas galu galā izraisa akumulatora aizdegšanos vai eksploziju, kas klasificēti kā nedroši apstākļi ar 5. vai augstāku bīstamības līmeni (sarkans). nedroša uzvedība).
5. Diskusija
Testēšanas standartu ierobežojumi:Saskaņā ar FreedomCAR akumulatoru testēšanas standartiem ir grūti nospiest akumulatoru līdz drošai robežai, tas ir, pārlādējot ar divreiz lielāku nominālo spriegumu, akumulators netiks nospiests līdz galējām robežām un neuzrādīs bīstamu uzvedību. Šajā sprieguma diapazonā (2-5V) CID var pareizi atdalīt pozitīvo un negatīvo polu, neaizdedzinot akumulatoru. Tomēr testēšanas standarti neatspoguļo litija bateriju faktisko izmantošanu. Enerģijas uzglabāšanas tirgū ir augstākas savstarpēji savienotas sērijas komutācijas sistēmas ar spriegumu līdz 800 V.
Bateriju ar dažādām ķīmiskajām īpašībām veiktspēja:Ņemot vērā 120 V testu sērijas rezultātus, NMC un NCA ķīmiskās baterijas uzrādīja pirmo kritisko akumulatoru darbību, savukārt LFP ķīmiskās baterijas bija salīdzinoši drošas un tām nebija aizdegšanās vai aizdegšanās ar bīstamības līmeni 5 vai augstāku. 400 V testā NMC un NCA ķīmisko akumulatoru kritiskie apstākļi dubultojās salīdzinājumā ar 120 V testu, taču LFP akumulatorus joprojām var uzskatīt par nekritiskiem. 800 V testā NMC un NCA akumulatoru veiktspēja aizdedzes stadijā bija gandrīz vienāda, savukārt LFP akumulatori uzrādīja pirmo galveno darbību salīdzinājumā ar 120 V un 400 V testu sērijām.
Nedrošas uzvedības iemesli:Visām baterijām, kas klasificētas kā "nedrošas", enerģijas padevi nevar apturēt, tas ir, nevar pārtraukt lādēšanas strāvu, kas var būt saistīts ar loku, kas rodas, iedarbinot CID, izraisot uzlādes strāvas plūsmu, kā rezultātā rodas mazs kontaktpunkts starp anodu un katodu, kas rada augstu strāvas blīvumu. Turklāt attālums starp diviem kontaktiem, kas izveidoti, iedarbinot CID, ir ļoti īss, kas arī palielina pārrāvuma spriegumu un var izraisīt loka veidošanos.
6. Secinājums
Pašreizējo standartu trūkumi:Pamatojoties uz visu testu sēriju rezultātiem, var secināt, ka pašreizējie standarti akumulatoru drošības testēšanai akumulatoru sistēmās ir nepietiekami. Virknē savienotu cilindrisku akumulatoru akumulatoru sistēmā CID atvienošana zem augsta sistēmas sprieguma var izraisīt kritisku loku veidošanos, izraisot akumulatora aizdegšanos vai eksploziju. Tāpēc, ja akumulatoru sistēmā ir virknē savienotas baterijas, akumulatoru pārbaude ar divreiz lielāku nominālo spriegumu nav svarīga akumulatoru drošai darbībai, un ir jāpārskata pašreizējie standarti. Ieteicams, lai testēšana, kas veikta akumulatora līmenī, sasniegtu vismaz maksimālo uzstādīšanai un ekspluatācijai paredzēto akumulatora sistēmas sprieguma līmeni.
Apsvērumi saistībā ar CID pieteikumu:Ir konstatēts, ka akumulatora pārlādēšana ar ļoti augstu spriegumu palielina briesmu iespējamību. Tāpēc, ja akumulatoru sistēmā sērijveidā tiek izmantots liels skaits akumulatoru ar CID, to pielietojums ir jāpārskata, jo CID aktivizēšana var izraisīt katastrofālu akumulatora atteici. Alternatīvs šīs problēmas risinājums ir izveidot CID akumulatoru, kas spēj izturēt tik augstu spriegumu.