Abstraktné
Chyby merania napätia môžu spôsobiť prebíjanie lítium-iónových batérií, čo vedie k tvorbe vnútorných plynov a tvorbe tepla, čo vedie k nekontrolovanému zahrievaniu. Na zníženie tohto rizika je cylindrická batéria vybavená zariadením na prerušenie prúdu (CID), ktoré funguje ako tlakový poistný ventil. Keď vnútorný tlak stúpne, CID môže odpojiť vnútorný obvod batérie. Toto odpojenie však spôsobí náhle zvýšenie odporu batérie, čo spôsobí vážne problémy v sériovo zapojených batériách. V tejto konfigurácii môže na odpojenej batérii klesnúť časť alebo dokonca celé systémové napätie, čím sa výrazne zvýši možnosť vzniku elektrického oblúka. Tento typ oblúka môže zapáliť akýkoľvek unikajúci horľavý plyn, čo vedie ku katastrofálnej poruche.
V sérii testov vykonaných na troch rôznych chemikoch batérií, NMC (nikel-mangán-kobalt), NCA (nikel-kobalt-hliník) a LFP (lítium-železofosfát), sa zistilo, že bezpečnú prevádzku CID nemožno zaručiť pri systémových napätiach presahujúcich 120V. Hoci porovnávacie testy pri dvojnásobku nominálneho napätia batérie nepreukázali rovnaké správanie, tieto zistenia naznačujú, že súčasné bezpečnostné normy, ktoré odporúčajú testovanie pri dvojnásobku menovitého napätia, nemusia úplne riešiť súvisiace riziká. Ďalšie testovanie ukázalo, že sériové spojenie medzi batériou a CID je vo svojej podstate nebezpečné, pretože v najhoršom prípade sa celé napätie systému môže sústrediť na jedinú batériu, čo vedie k potenciálnym poruchám systému.
1. Úvod
S pokrokom v elektrotechnike a elektronike sa moderný život vo veľkej miere spolieha na zariadenia, ako sú smartfóny, tablety, elektrické bicykle, elektrické vozidlá, elektrické náradie a domáce systémy na skladovanie energie. Podľa normy IEC 61140 možno tieto zariadenia rozdeliť do dvoch napäťových úrovní: zariadenia pod 60V AC a 120V DC a zariadenia s rozsahom napätia do 1000V AC a 1500V DC.
Prvý z nich zahŕňa elektrické náradie, elektrické bicykle, notebooky a mobilné telefóny, ktoré sa zvyčajne považujú za bezpečné kvôli ich extrémne nízkemu napätiu. Posledne menované je tiež známe ako nízkonapäťové zariadenia, ako sú elektrické vozidlá s menovitým napätím 400 V DC až 800 V DC. Elektrické vozidlá a iné aplikácie získavajú potrebný prevádzkový výkon z lítium-iónových batérií s maximálnym napätím 4,2 V. Vo všeobecnosti je táto úroveň napätia dostatočná pre smartfóny, ale pre elektrobicykle (36V DC) a elektrické vozidlá (400V DC) je potrebné zapojiť do série približne 10, respektíve 96 batérií.
Lítium-iónové batérie sú obzvlášť citlivé na reakcie prebíjania, ktoré môže viesť k tvorbe plynu vo vnútri batérie. Aby sa zabezpečilo, že každá batéria pracuje v správnom rozsahu, používa sa v batérii systém riadenia batérie (BMS) na monitorovanie parametrov a dosahov. Cylindrické batérie sú navyše vybavené pasívnymi bezpečnostnými systémami, ako sú zariadenia na prerušenie prúdu (CID), ktoré sa používajú na odpojenie vnútorných obvodov batérie, keď dôjde k tvorbe plynu a zvýšeniu tlaku v dôsledku rozkladných reakcií vo vnútri batérie.
V dôsledku odpojenia CID sa zvyšuje potenciálne riziko vzniku elektrického oblúka, čo vedie k otázke, či sú batérie s CID pri sériovom použití nebezpečné. Napríklad elektrické vozidlo so 400 V systémom sa môže stretnúť s technickými problémami, ktoré vedú k tomu, že napätie jednej batérie je veľmi vysoké a presahuje dvojnásobok nominálneho napätia. V tomto prípade je testovanie vykonané počas schvaľovania batérie elektrického vozidla bezvýznamné, pretože použitie CID v tejto situácii môže viesť k nebezpečným situáciám.
Aby sme našli najlepšiu odpoveď na túto otázku, tento článok vykonal rozsiahle testovanie na rôznych úrovniach napätia (120 V DC až 800 V DC), ktoré sa bežne používajú v aplikáciách elektrických a hybridných elektrických vozidiel.
2. Teoretické východiská
Dôsledky prebíjania:Prebíjanie je jednou z najkritickejších situácií pri aplikáciách batérií. V porovnaní s hlbokým vybitím sú následky prebitia závažnejšie, čo môže viesť k rozkladu elektrolytov a katódových materiálov, ako aj k nežiaducim reakciám medzi elektródami a ostatnými komponentmi batérie, čo vedie ku katastrofálnym poruchám batérie, ako sú požiare alebo výbuchy.
Dôvody predražovania:vrátane zlyhania regulátora nabíjania, zlyhania BMS alebo nesprávneho merania napätia. Napríklad, BMS vyvažovanie batérie na základe nesprávnych hodnôt napätia môže v konečnom dôsledku viesť k prebíjaniu a potenciálnemu tepelnému úniku.
Vnútorné reakcie batérií:V závislosti od materiálov a chemikálií použitých v batérii vzniká pri rozklade katódy kyslík (v závislosti od stavu nabitia a materiálu katódy). Kyslík reaguje s uhlíkovými a elektrolytovými rozpúšťadlami, čo vedie k uvoľňovaniu horľavých plynov, ako je oxid uhoľnatý, oxid uhličitý a vodík. V tomto prípade lítium-nikel-mangánové kobaltové elektródy (NMC 622 a NMC 811) a lítium-nikel-kobaltové hliníkové elektródy (NCA) demonštrujú kritickosť, zatiaľ čo lítium-železo-fosfátové elektródy sú považované za najbezpečnejšie materiály kvôli ich nízkemu uvoľňovaniu toxického plynu oxidu uhoľnatého. Elektrolyt je hlavným zodpovedným prvkom za tvorbu plynu v batériách a tvorba plynu v každej batérii vytvára vysoký tlak. Vďaka utesneniu prostredia lítium-iónovými batériami uniká vznikajúci plyn a spolu so stabilným kovovým plášťom môže tlak plynu dosahovať až 20 barov. Pri nekontrolovaných poruchách môžu tieto plyny explodovať.
Bezpečnostné zariadenia:Aby sa znížilo potenciálne nebezpečenstvo zariadení na skladovanie energie, boli prijaté rôzne bezpečnostné zariadenia a kontrolné mechanizmy. Na úrovni batérie sa používajú interné bezpečnostné opatrenia, ako sú zariadenia s pozitívnym teplotným koeficientom (PTC) a zariadenia na prerušenie prúdu (CID), a BMS sa používa ako externé bezpečnostné opatrenie na nepretržité monitorovanie batérie na úrovni systému. PTC zvyšuje odpor a znižuje tok prúdu počas zahrievania, zatiaľ čo CID sa skladá z horného disku a spodného disku. Keď prebitie spôsobí zvýšenie tlaku, horný kotúč sa ohne a zvarový spoj sa zlomí, čím sa odpojí prúdová dráha s aktívnym materiálom. Spustenie CID je podobné otvoreniu spínača pri zaťažení, ktorý môže zapáliť oblúk. Pre cylindrické batérie s CID stačí napätie 18V na vytvorenie oblúka. V sériovom zapojení nemusí jedna batéria dosiahnuť takú vysokú hodnotu napätia, ale môže sa vyskytnúť v systéme, čo môže spôsobiť koncentráciu napätia na jednej batérii, čo ju robí obzvlášť nebezpečnou.
Testovacie normy:Odporúčania OSN o preprave nebezpečného tovaru sú veľmi dôležité pre testovanie batérií, medzi ktorými UN 38.3 T3 špecifikuje viaceré testovacie požiadavky vrátane testovania prebitia. Podľa tejto normy má test prebitia určiť, či je batéria nebezpečná v prípade zneužitia a batéria by sa mala počas testu nabiť na dvojnásobok maximálneho nabíjacieho napätia. Predpis EHK OSN č. 100 je právnym základom pre schvaľovanie elektrických vozidiel Európskou úniou, ktorý popisuje test prebitia batérií elektrických vozidiel. Jedným z dôležitých štandardov je aj príručka FreedomCAR Electrical Energy Storage System Test Manual. Na testovanie prebitia tento štandard používa konštantný jednosmerný nabíjací prúd a napätie by malo byť nastavené na dvojnásobok normálneho napätia. Tieto normy nie vždy spĺňajú požiadavky praktických aplikácií, pretože batérie sú inštalované v sérii v moduloch a napätie môže byť vyššie, čím sa zvyšuje riziko iskrenia pri odpojení CID.
3. Experimentálna časť
Experimentálny dizajn:V teste prebitia sa na porovnávaciu analýzu správania použili tri batérie s rôznymi chemickými vlastnosťami (LFP, NMC a NCA). Dôvodom pre výber týchto batérií je, že LFP má miernu prebíjaciu reakciu, NMC elektróda má silnejšiu reaktivitu ako katódový materiál a NCA oxid uvoľňuje kyslík a spôsobuje tepelný únik. Výber batérií je založený na hlavnom kritériu, ktorým je, že batérie by mali mať CID. Pred experimentom boli vzorky každého typu batérie otvorené a skontrolované.
Testovacie zariadenie:Testovacie zariadenie obsahuje napájací obvod a merací obvod. Merací obvod obsahuje vysokonapäťový merací modul, prúdovú svorku, snímač teploty a zariadenie na zber údajov. Napájací obvod pozostáva zo zdroja napätia, stýkača záťaže a batérie. Test zneužívania prebitia sa uskutočnil vo vonkajších testovacích zariadeniach a na zaznamenávanie udalostí sa použili kamery s vysokým rozlíšením a infračervené kamery.
Proces testovania:Testovanie sa vykonáva podľa testovacej špecifikácie FreedomCAR, ale pri normálnej prevádzkovej teplote batérie. Testovacie zariadenie sa nabije na dvojnásobok menovitého napätia a zber údajov sa zastaví po 30 minútach bez ohľadu na stav reakcie batérie. Reakcia batérie bola vyhodnotená pomocou úrovne nebezpečnosti EUCAR, pričom sa jej správanie rozdelilo do ôsmich úrovní nebezpečnosti. Boli definované tri farebné úrovne, ktoré reprezentujú bezpečné správanie batérie, a vykonala sa binárna logistická regresná analýza.
Testovacie parametre:Vykonajte desať testov na každej batérii pri napäťových úrovniach 120 V, 400 V a 800 V, pretože väčšina elektrických vozidiel je v týchto rozsahoch napätia. Porovnali sme situáciu dvojnásobného menovitého napätia pri vyšších napäťových úrovniach a testoch prebitia FreedomCar, aby sme skontrolovali, či je nebezpečenstvo úmerné napätiu. Podľa údajového listu batérie výrobcu bola zvolená aktuálna úroveň každej batérie, pričom batérie NCA a NMC boli nastavené na 4A a batérie LFP nastavené na 1,5A. Batéria sa nabíja, kým CID nepreruší tok nabíjania alebo kým sa neskončí test, pričom každý test trvá 30 minút.
Analýza údajov:Na štatistické vyhodnotenie údajov sa používa softvér SPSS so zameraním na bezpečnosť batérií. Binárna logistická regresia sa používa na vyhodnotenie na základe binárnych výrazov „bezpečné“ alebo „nebezpečné“. Štatistické vyhodnotenie testu zahŕňa diskrétnu (popisnú) a analytickú (inferenčnú) časť. Test je možné opísať pomocou troch premenných: chemických vlastností (diskrétne kategorické premenné), napätia (premenné škálovania spojitého pomeru) a výsledkov testu (binárne 0-1 premenné, bezpečné a nebezpečné).
4. Výsledky
Klasifikácia výsledkov testov:S cieľom poskytnúť prehľad nespracovaných údajov boli pre sériu testov definované tri kategórie s úrovňami nebezpečnosti 3-5.
Správanie správneho spúšťania CID:Prvá kategória výsledkov testu sumarizuje údaje o správnom správaní CID (stupeň nebezpečenstva 3). Všetky testované batérie mali po prebití počas 10 minút vnútorný tlak vzduchu dostatočný na otvorenie CID, čo spôsobilo vybitie batérie (pokles prúdu, zvýšenie napätia). CID správne prerušil tok prúdu a zabránil ďalšiemu prebíjaniu batérie, klasifikovaný ako bezpečnostný stav a označený ako stupeň nebezpečenstva 3 (zelené bezpečnostné správanie).
CID spustilo nesprávne správanie:Druhá kategória sumarizuje nesprávne správanie spustené CID, pri ktorom CID čiastočne preruší tok prúdu, čo vedie k silnému dymu a zvýšeniu teploty a je klasifikované ako nebezpečný stav 4. stupňa (nebezpečné žlté správanie).
Správanie spustené chybami CID:Posledná kategória zahŕňa údaje spustené chybami CID, kde CID môže iba krátko alebo úplne oddeliť prúd a napätie, a preto nemôže zabrániť prebitiu batérie, čo v konečnom dôsledku vedie k spáleniu alebo výbuchu batérie, klasifikované ako nebezpečný stav úrovne nebezpečenstva 5 alebo vyššej (červená nebezpečné správanie).
5. Diskusia
Obmedzenia testovacích noriem:Podľa štandardov testovania batérií FreedomCAR je ťažké posunúť batériu na bezpečnú hranicu, to znamená, že pri prebití na dvojnásobok menovitého napätia sa batéria nevytlačí do extrémnych hraníc a nebude vykazovať nebezpečné správanie. V rámci tohto rozsahu napätia (2-5V) dokáže CID správne oddeliť kladný a záporný pól bez zapálenia batérie. Testovacie normy však neodrážajú skutočné používanie lítiových batérií. Na trhu skladovania energie existujú vyššie prepojené sériové spínacie systémy s napätím do 800V.
Výkon batérií s rôznymi chemickými vlastnosťami:Vzhľadom na výsledky testovacej série 120 V, chemické batérie NMC a NCA vykazovali prvé kritické správanie batérie, zatiaľ čo chemické batérie LFP boli relatívne bezpečné a nezaznamenali vznietenie alebo požiar s úrovňou nebezpečenstva 5 alebo vyššou. V teste 400 V sa kritické podmienky chemických batérií NMC a NCA zdvojnásobili v porovnaní s testom 120 V, ale batérie LFP možno stále považovať za nekritické. V teste 800 V bol výkon batérií NMC a NCA takmer rovnaký, v štádiu zapaľovania, zatiaľ čo batérie LFP vykazovali prvé kľúčové správanie v porovnaní s testovacími sériami 120 V a 400 V.
Dôvody nebezpečného správania:Pri všetkých batériách klasifikovaných ako „nebezpečné“ nie je možné zastaviť dodávku energie, to znamená, že nabíjací prúd nemôže byť prerušený, čo môže byť spôsobené oblúkom generovaným pri spustení CID, čo spôsobí, že nabíjací prúd bude naďalej prúdiť, čo vedie k malý kontaktný bod medzi anódou a katódou, čo vedie k vysokej prúdovej hustote. Okrem toho je vzdialenosť medzi dvoma kontaktmi vytvorená pri spustení CID veľmi krátka, čo tiež zvyšuje prierazné napätie a môže spôsobiť iskrenie.
6. Záver
Nedostatky súčasných noriem:Na základe výsledkov všetkých testovacích sérií možno konštatovať, že súčasné normy na testovanie bezpečnosti batérií v batériových systémoch sú nedostatočné. V batériovom systéme cylindrických batérií zapojených do série môže odpojenie CID pod vysokým napätím systému viesť k vytvoreniu kritických oblúkov, čo má za následok spálenie batérie alebo výbuch. Preto, ak sú batérie v batériovom systéme zapojené do série, testovanie batérií pri dvojnásobku menovitého napätia nie je dôležité pre bezpečné správanie batérií a je potrebné revidovať súčasné normy. Odporúča sa, aby testovanie vykonávané na úrovni batérie dosahovalo aspoň maximálnu úroveň napätia batériového systému plánovanú na inštaláciu a prevádzku.
Zváženie žiadosti CID:Zistilo sa, že prebíjanie batérie veľmi vysokým napätím zvyšuje potenciál nebezpečenstva. Preto, keď sa v batériovom systéme použije veľké množstvo batérií s CID v sérii, ich použitie by sa malo prehodnotiť, pretože spustenie CID môže viesť ku katastrofálnemu zlyhaniu batérie. Alternatívnym riešením tohto problému je navrhnúť CID batériu, ktorá vydrží také vysoké napätie.