Абстрактный
Ошибки измерения напряжения могут привести к перезарядке литий-ионных аккумуляторов, что приведет к образованию внутренних газов и выделению тепла, что приведет к неконтролируемому нагреву. Чтобы снизить этот риск, цилиндрическая батарея оснащена устройством прерывания тока (УИД), которое действует как клапан сброса давления. Когда внутреннее давление повышается, CID может отключить внутреннюю цепь аккумулятора. Однако это отключение приводит к внезапному повышению сопротивления батареи, что приводит к серьезным проблемам в последовательно соединенных батареях. В этой конфигурации некоторое или даже все напряжение системы может упасть на отключенной батарее, что значительно увеличивает вероятность образования дуги. Дуга этого типа может воспламенить любой выходящий горючий газ, что приведет к катастрофическому отказу.
В серии испытаний, проведенных тремя разными производителями аккумуляторов: NMC (никель-марганец-кобальт), NCA (никель-кобальт-алюминий) и LFP (литий-железо-фосфат), было обнаружено, что безопасная работа CID не может быть гарантирована при напряжении системы, превышающем 120В. Хотя сравнительные испытания при удвоенном номинальном напряжении батареи не показали такого же поведения, эти результаты позволяют предположить, что действующие стандарты безопасности, которые рекомендуют проводить испытания при удвоенном номинальном напряжении, могут не полностью устранить связанные с этим риски. Дальнейшие испытания показали, что последовательное соединение между аккумулятором и CID по своей сути опасно, поскольку в худшем случае все напряжение системы может быть сконцентрировано на одной батарее, что приведет к потенциальным сбоям системы.
1. Введение
С развитием электротехники и электронной техники современная жизнь во многом зависит от таких устройств, как смартфоны, планшеты, электрические велосипеды, электромобили, электроинструменты и домашние системы хранения энергии. Согласно стандарту IEC 61140, эти устройства можно разделить на два уровня напряжения: устройства ниже 60 В переменного тока и 120 В постоянного тока, а также устройства с диапазоном напряжения до 1000 В переменного тока и 1500 В постоянного тока.
К первым относятся электроинструменты, электрические велосипеды, ноутбуки и мобильные телефоны, которые обычно считаются безопасными из-за чрезвычайно низкого напряжения. Последнее также известно как оборудование низкого напряжения, например, электромобили с номинальным напряжением от 400 В до 800 В постоянного тока. Электромобили и другие устройства получают необходимую рабочую мощность от литий-ионных аккумуляторов с максимальным напряжением 4,2 В. Вообще говоря, такого уровня напряжения достаточно для смартфонов, но для электровелосипедов (36 В постоянного тока) и электромобилей (400 В постоянного тока) необходимо последовательно соединить примерно 10 и 96 аккумуляторов соответственно.
Литий-ионные аккумуляторы особенно чувствительны к реакциям перезаряда, которые могут привести к образованию газа внутри аккумулятора. Чтобы гарантировать, что каждая батарея работает в правильном диапазоне, в батарее используется система управления батареями (BMS) для мониторинга параметров и диапазонов. Кроме того, цилиндрические батареи оснащены системами пассивной безопасности, такими как устройства прерывания тока (УИД), которые используются для отключения внутренних цепей батареи, когда происходит газообразование и повышение давления из-за реакций разложения внутри батареи.
Из-за отключения CID возрастает потенциальный риск возникновения дуги, что приводит к вопросу о том, опасны ли батареи с CID при последовательном использовании. Например, электромобиль с системой напряжением 400 В может столкнуться с техническими проблемами, которые приводят к тому, что напряжение одной батареи становится очень высоким, вдвое превышая номинальное напряжение. В этом случае испытания, проводимые при одобрении аккумулятора электромобиля, бессмысленны, поскольку использование CID в этой ситуации может привести к опасным ситуациям.
Чтобы найти лучший ответ на этот вопрос, в этой статье были проведены обширные испытания при различных уровнях напряжения (от 120 В до 800 В постоянного тока), обычно используемых в электрических и гибридных электромобилях.
2. Теоретическая основа
Последствия перезарядки:Перезарядка является одной из наиболее критических ситуаций при использовании аккумуляторов. По сравнению с глубокой разрядкой последствия перезарядки более серьезны и могут привести к разложению электролитов и катодных материалов, а также к неблагоприятным реакциям между электродами и другими компонентами батареи, что приводит к катастрофическим отказам батареи, таким как пожары или взрывы.
Причины завышения цен:включая неисправность контроллера зарядки, неисправность BMS или неправильное измерение напряжения. Например, балансировка батареи BMS на основе неправильных значений напряжения может в конечном итоге привести к перезарядке и потенциальному перегреву.
Внутренние реакции батарей:В зависимости от материалов и химикатов, используемых в аккумуляторе, при разложении катода выделяется кислород (в зависимости от состояния зарядки и материала катода). Кислород реагирует с углеродом и растворителями электролитов, в результате чего выделяются горючие газы, такие как окись углерода, диоксид углерода и водород. При этом литий-никель-марганцево-кобальтовые электроды (NMC 622 и NMC 811) и литий-никель-кобальт-алюминиевые электроды (NCA) демонстрируют критичность, а литий-железо-фосфатные электроды считаются наиболее безопасными материалами из-за низкого выделения токсичного газа угарного газа. Электролит является основным элементом, ответственным за газообразование в батареях, а образование газа в каждой батарее создает высокое давление. Благодаря герметизации окружающей среды литий-ионными батареями образующийся газ выходит наружу, а вместе с устойчивым металлическим корпусом давление газа может достигать 20 бар. В случае неконтролируемых отказов эти газы могут взорваться.
Устройства безопасности:Чтобы снизить потенциальную опасность оборудования для хранения энергии, используются различные устройства безопасности и механизмы управления. Внутренние меры безопасности, такие как устройства с положительным температурным коэффициентом (PTC) и устройства прерывания тока (CID), используются на уровне батареи, а BMS используется в качестве внешней меры безопасности для постоянного мониторинга батареи на уровне системы. PTC увеличивает сопротивление и уменьшает ток при нагреве, тогда как CID состоит из верхнего и нижнего дисков. Когда перезаряд вызывает повышение давления, верхний диск прогибается и сварное соединение разрушается, тем самым отключая путь тока с активным материалом. Запуск CID аналогичен размыканию переключателя под нагрузкой, что может привести к воспламенению дуги. Для цилиндрических аккумуляторов с CID для образования дуги достаточно напряжения 18В. При последовательном соединении одна батарея может не достичь такого высокого значения напряжения, но это может произойти в системе, что может вызвать концентрацию напряжения на одной батарее, что делает ее особенно опасной.
Стандарты тестирования:Рекомендации Организации Объединенных Наций по перевозке опасных грузов очень важны для испытаний аккумуляторов, среди которых UN 38.3 T3 определяет многочисленные требования к испытаниям, включая испытание на перезарядку. Согласно этому стандарту, испытание на перезарядку предназначено для определения того, опасна ли батарея в случае неправильного обращения, и во время испытания батарею следует заряжать до удвоенного максимального зарядного напряжения. Правовой основой для утверждения электромобилей Европейским Союзом являются Правила ЕЭК ООН № 100, в которых описывается испытание аккумуляторов электромобилей на перезаряд. Руководство по тестированию системы хранения электрической энергии FreedomCAR также является одним из важных стандартов. Для тестирования перезаряда в этом стандарте используется постоянный зарядный ток постоянного тока, а напряжение должно быть установлено в два раза выше нормального напряжения. Эти стандарты не всегда соответствуют требованиям практического применения, поскольку батареи устанавливаются последовательно в модулях и напряжение может быть выше, что увеличивает риск возникновения дуги при отключении CID.
3. Экспериментальный участок
Экспериментальный дизайн:В тесте на перезарядку для сравнительного анализа поведения использовались три батареи с разными химическими свойствами (LFP, NMC и NCA). Причина выбора этих батарей заключается в том, что LFP имеет мягкую реакцию перезаряда, электрод NMC имеет более сильную реактивность в качестве материала катода, а оксид NCA выделяет кислород и вызывает температурный разгон. Выбор аккумуляторов осуществляется по основному критерию: аккумуляторы должны иметь CID. Перед экспериментом образцы каждого типа батарей были вскрыты и проверены.
Тестовое устройство:Испытательное устройство включает в себя силовую цепь и схему измерения. Схема измерения включает в себя модуль измерения высокого напряжения, токовые клещи, датчик температуры и оборудование для сбора данных. Силовая цепь состоит из источника напряжения, контактора нагрузки и аккумулятора. Испытание на злоупотребление завышенной зарядкой проводилось на открытых испытательных площадках, а для записи событий использовались камеры высокого разрешения и инфракрасные камеры.
Процесс тестирования:Тестирование проводится в соответствии со спецификацией тестирования FreedomCAR, но при нормальной рабочей температуре аккумулятора. Испытательное оборудование заряжается до напряжения, вдвое превышающего номинальное, а сбор данных прекращается через 30 минут, независимо от состояния реакции аккумулятора. Реакцию аккумулятора оценивали с помощью уровня опасности EUCAR, разделив его поведение на восемь уровней опасности. Были определены три уровня цвета, отражающие безопасное поведение батареи, и был проведен бинарный логистический регрессионный анализ.
Параметры теста:Проведите десять испытаний каждой батареи при напряжениях 120 В, 400 В и 800 В, поскольку большинство электромобилей находятся в этих диапазонах напряжений. Мы сравнили ситуацию с двойным номинальным напряжением на более высоких уровнях напряжения и тесты на перезарядку FreedomCar, чтобы проверить, пропорциональна ли опасность напряжению. В соответствии с паспортом батареи производителя был выбран уровень тока каждой батареи: батареи NCA и NMC были установлены на ток 4 А, а батареи LFP - на 1,5 А. Аккумулятор заряжается до тех пор, пока CID не прервет процесс зарядки или пока тест не будет завершен, причем каждый тест длится 30 минут.
Анализ данных:Программное обеспечение SPSS используется для статистической оценки данных с упором на безопасность аккумуляторов. Бинарная логистическая регрессия используется для оценки на основе двоичных выражений «безопасно» или «небезопасно». Статистическая оценка теста включает дискретную (описательную) и аналитическую (инференциальную) части. Испытание можно описать с помощью трех переменных: химических свойств (дискретные категориальные переменные), напряжения (переменные непрерывного масштабирования отношения) и результатов испытания (двоичные переменные 0-1, безопасные и небезопасные).
4. Результаты
Классификация результатов испытаний:Чтобы обеспечить обзор исходных данных, для серии испытаний были определены три категории с уровнями опасности 3-5.
Поведение правильного запуска CID:Первая категория результатов испытаний суммирует данные о правильном поведении CID (уровень опасности 3). Все протестированные аккумуляторы после перезарядки в течение 10 минут имели внутреннее давление воздуха, достаточное для открытия CID, вызывающего разрядку аккумулятора (падение тока, повышение напряжения). CID правильно прервал протекание тока и предотвратил дальнейшую перезарядку аккумулятора, что классифицируется как состояние безопасности и отмечено уровнем опасности 3 (зеленый уровень безопасности).
CID вызвал неправильное поведение:Вторая категория суммирует неправильное поведение, вызванное CID, при котором CID частично прерывает ток, что приводит к сильному задымлению и повышению температуры, и классифицируется как небезопасное состояние уровня опасности 4 (желтый небезопасное поведение).
Поведение, вызванное ошибками CID:Последняя категория включает данные, вызванные ошибками CID, где CID может лишь на короткое время или полностью разделить ток и напряжение и, следовательно, не может предотвратить перезаряд батареи, что в конечном итоге приводит к возгоранию или взрыву батареи, классифицируемому как небезопасное состояние уровня опасности 5 или выше (красный цвет). небезопасное поведение).
5. Обсуждение
Ограничения стандартов тестирования:Согласно стандартам тестирования батарей FreedomCAR, трудно довести батарею до безопасного предела, то есть при перезарядке при удвоенном номинальном напряжении батарея не будет доведена до крайних пределов и не будет проявлять опасное поведение. В этом диапазоне напряжений (2-5В) CID может правильно разделить положительный и отрицательный полюсы, не воспламеняя батарею. Однако стандарты тестирования не отражают фактическое использование литиевых батарей. На рынке накопления энергии существуют более высокие взаимосвязанные системы последовательной коммутации с напряжением до 800В.
Характеристики аккумуляторов с разными химическими свойствами:Учитывая результаты серии испытаний 120 В, химические батареи NMC и NCA продемонстрировали первое критическое поведение батареи, в то время как химические батареи LFP были относительно безопасными и не подвергались возгоранию или возгоранию с уровнем опасности 5 или выше. При испытании 400 В критические условия химических батарей NMC и NCA увеличились вдвое по сравнению с испытанием 120 В, но батареи LFP по-прежнему можно считать некритическими. В тесте на 800 В производительность батарей NMC и NCA была практически одинаковой на этапе зажигания, тогда как батареи LFP показали первое ключевое поведение по сравнению с сериями испытаний на 120 В и 400 В.
Причины небезопасного поведения:Для всех батарей, классифицированных как «небезопасные», подачу энергии нельзя остановить, то есть нельзя прервать зарядный ток, что может быть связано с дугой, возникающей при срабатывании CID, в результате чего зарядный ток продолжает течь, что приводит к небольшая точка контакта между анодом и катодом, что приводит к высокой плотности тока. Кроме того, расстояние между двумя контактами, создаваемое при срабатывании CID, очень мало, что также увеличивает напряжение пробоя и может вызвать искрение.
6. Заключение
Недостатки действующих стандартов:По результатам всех серий испытаний можно сделать вывод, что действующие стандарты испытаний безопасности батарей в аккумуляторных системах недостаточны. В аккумуляторной системе из цилиндрических батарей, соединенных последовательно, отключение УИС при высоком напряжении системы может привести к образованию критических дуг, приводящих к возгоранию или взрыву батареи. Следовательно, если батареи соединены последовательно в аккумуляторной системе, тестирование батарей при удвоенном номинальном напряжении не имеет значения для безопасного поведения батарей, и действующие стандарты должны быть пересмотрены. Рекомендуется, чтобы тестирование, проводимое на уровне батареи, достигало как минимум максимального уровня напряжения аккумуляторной системы, запланированной для установки и эксплуатации.
Рассмотрение заявки CID:Было обнаружено, что перезарядка аккумулятора очень высоким напряжением увеличивает потенциальную опасность. Поэтому, когда в аккумуляторной системе последовательно используется большое количество батарей с CID, их применение следует пересмотреть, поскольку срабатывание CID может привести к катастрофическому выходу батареи из строя. Альтернативным решением этой проблемы является разработка батареи CID, способной выдерживать такое высокое напряжение.