Abstraktní
Chyby měření napětí mohou způsobit přebíjení lithium-iontových baterií, což vede k tvorbě vnitřních plynů a vývinu tepla, což má za následek nekontrolované zahřívání. Pro snížení tohoto rizika je válcová baterie vybavena zařízením pro přerušení proudu (CID), které funguje jako přetlakový ventil. Když vnitřní tlak stoupne, CID může odpojit vnitřní obvod baterie. Toto odpojení však způsobí náhlý nárůst odporu baterie, což způsobuje vážné problémy v sériově zapojených bateriích. V této konfiguraci může na odpojené baterii klesnout část nebo dokonce celé systémové napětí, což značně zvyšuje možnost vzniku elektrického oblouku. Tento typ oblouku může zapálit jakýkoli unikající hořlavý plyn, což vede ke katastrofálnímu selhání.
V sérii testů provedených na třech různých chemikách baterií, NMC (nikl-mangan-kobalt), NCA (nikl-kobalt-hliník) a LFP (lithium-železo fosfát), bylo zjištěno, že bezpečný provoz CID nelze zaručit při napětích překračujících 120V. Ačkoli srovnávací testy při dvojnásobném jmenovitém napětí baterie neukázaly stejné chování, tato zjištění naznačují, že současné bezpečnostní normy, které doporučují testování při dvojnásobném jmenovitém napětí, nemusí plně řešit související rizika. Další testování ukázalo, že sériové spojení mezi baterií a CID je ze své podstaty nebezpečné, protože v nejhorším případě se celé napětí systému může soustředit na jedinou baterii, což vede k potenciálním poruchám systému.
1. Úvod
S pokrokem v elektrotechnice a elektrotechnice se moderní život do značné míry opírá o zařízení, jako jsou chytré telefony, tablety, elektrická kola, elektrická vozidla, elektrické nářadí a domácí systémy pro ukládání energie. Podle normy IEC 61140 lze tato zařízení rozdělit do dvou napěťových úrovní: zařízení pod 60V AC a 120V DC a zařízení s rozsahem napětí do 1000V AC a 1500V DC.
První zahrnuje elektrické nářadí, elektrická kola, notebooky a mobilní telefony, které jsou obvykle považovány za bezpečné kvůli jejich extrémně nízkému napětí. Posledně uvedené je také známé jako nízkonapěťová zařízení, jako jsou elektrická vozidla se jmenovitým napětím 400 V DC až 800 V DC. Elektromobily a další aplikace získávají požadovaný provozní výkon z lithium-iontových baterií s maximálním napětím 4,2 V. Obecně lze říci, že tato úroveň napětí je dostatečná pro chytré telefony, ale pro elektrokola (36V DC) a elektromobily (400V DC) je potřeba zapojit do série přibližně 10, respektive 96 baterií.
Lithium-iontové baterie jsou zvláště citlivé na reakce přebíjení, které může vést k tvorbě plynu uvnitř baterie. Aby bylo zajištěno, že každá baterie bude fungovat ve správném rozsahu, je v baterii použit systém správy baterií (BMS), který monitoruje parametry a dosahy. Cylindrické baterie jsou navíc vybaveny pasivními bezpečnostními systémy, jako jsou zařízení pro přerušení proudu (CID), která se používají k odpojení vnitřních obvodů baterie, když dojde k tvorbě plynu a zvýšení tlaku v důsledku rozkladných reakcí uvnitř baterie.
V důsledku odpojení CID se zvyšuje potenciální riziko elektrického oblouku, což vede k otázce, zda jsou baterie s CID při sériovém použití nebezpečné. Například elektrické vozidlo se systémem 400 V se může setkat s technickými problémy, které vedou k tomu, že napětí jedné baterie je velmi vysoké a překračuje dvojnásobek jmenovitého napětí. V tomto případě je testování prováděné během schvalování baterie elektrického vozidla bezvýznamné, protože použití CID v této situaci může vést k nebezpečným situacím.
Abychom našli nejlepší odpověď na tuto otázku, provedl tento článek rozsáhlé testování na různých úrovních napětí (120 V DC až 800 V DC), které se běžně používají v aplikacích elektrických a hybridních elektrických vozidel.
2. Teoretická východiska
Důsledky přebíjení:Přebíjení je jednou z nejkritičtějších situací v aplikacích baterií. Ve srovnání s hlubokým vybitím jsou důsledky přebíjení vážnější, což může vést k rozkladu elektrolytů a materiálů katody a také k nepříznivým reakcím mezi elektrodami a ostatními součástmi baterie, což má za následek katastrofální poruchy baterie, jako jsou požáry nebo výbuchy.
Důvody přebíjení:včetně selhání regulátoru nabíjení, selhání BMS nebo nesprávného měření napětí. Například BMS vyvažování baterie na základě nesprávných hodnot napětí může nakonec vést k přebíjení a potenciálnímu tepelnému úniku.
Vnitřní reakce baterií:V závislosti na materiálech a chemikáliích použitých v baterii vzniká při rozkladu katody kyslík (v závislosti na stavu nabití a materiálu katody). Kyslík reaguje s uhlíkovými a elektrolytovými rozpouštědly, což vede k uvolňování hořlavých plynů, jako je oxid uhelnatý, oxid uhličitý a vodík. V tomto případě lithium-nikl-manganové kobaltové elektrody (NMC 622 a NMC 811) a lithium-nikl-kobaltové hliníkové elektrody (NCA) prokazují kritičnost, zatímco lithium-železofosfátové elektrody jsou považovány za nejbezpečnější materiály kvůli jejich nízkému uvolňování toxického plynu oxidu uhelnatého. Elektrolyt je hlavním zodpovědným prvkem za tvorbu plynu v bateriích a tvorba plynu v každé baterii vytváří vysoký tlak. Díky utěsnění prostředí lithium-iontovými bateriemi uniká vzniklý plyn a spolu se stabilním kovovým pláštěm může tlak plynu dosáhnout až 20 barů. Při nekontrolovaných poruchách mohou tyto plyny explodovat.
Bezpečnostní zařízení:Aby se snížilo potenciální nebezpečí zařízení pro skladování energie, byla přijata různá bezpečnostní zařízení a kontrolní mechanismy. Na úrovni baterie se používají interní bezpečnostní opatření, jako jsou zařízení s kladným teplotním koeficientem (PTC) a zařízení pro přerušení proudu (CID), a BMS se používá jako externí bezpečnostní opatření pro nepřetržité monitorování baterie na úrovni systému. PTC zvyšuje odpor a snižuje tok proudu během zahřívání, zatímco CID se skládá z horního disku a spodního disku. Když přebití způsobí zvýšení tlaku, horní kotouč se ohne a svar se zlomí, čímž se odpojí proudová dráha s aktivním materiálem. Spuštění CID je podobné otevření spínače pod zatížením, které může zapálit oblouk. U cylindrických baterií s CID stačí k vytvoření oblouku napětí 18V. V sériovém zapojení nemusí jednotlivá baterie dosáhnout tak vysokého napětí, ale může se vyskytnout v systému, což může způsobit koncentraci napětí na jedné baterii, což je zvláště nebezpečné.
Testovací standardy:Pro testování baterií jsou velmi důležitá doporučení Organizace spojených národů pro přepravu nebezpečného zboží, mezi nimiž UN 38.3 T3 specifikuje více testovacích požadavků, včetně testování přebíjení. Podle této normy má test přebití určit, zda je baterie nebezpečná v případě zneužití, a baterie by měla být během testu nabita na dvojnásobek maximálního nabíjecího napětí. Předpis EHK OSN č. 100 je právním základem pro schvalování elektromobilů Evropskou unií, který popisuje test přebíjení akumulátorů elektromobilů. Jedním z důležitých standardů je také příručka FreedomCAR Electrical Energy Storage System Abuse Test Manual. Pro testování přebití tento standard používá konstantní stejnosměrný nabíjecí proud a napětí by mělo být nastaveno na dvojnásobek normálního napětí. Tyto normy ne vždy splňují požadavky praktických aplikací, protože baterie jsou instalovány sériově v modulech a napětí může být vyšší, což zvyšuje riziko oblouku při odpojení CID.
3. Experimentální část
Experimentální design:V testu přebití byly pro srovnávací analýzu chování použity tři baterie s různými chemickými vlastnostmi (LFP, NMC a NCA). Důvodem pro výběr těchto baterií je, že LFP má mírnou přebíjecí reakci, NMC elektroda má silnější reaktivitu jako katodový materiál a NCA oxid uvolňuje kyslík a způsobuje tepelný únik. Výběr baterií je založen na hlavním kritériu, kterým je, že baterie by měly mít CID. Před experimentem byly vzorky každého typu baterie otevřeny a zkontrolovány.
Testovací zařízení:Testovací zařízení obsahuje silový obvod a měřicí obvod. Měřicí obvod obsahuje vysokonapěťový měřicí modul, proudovou svorku, teplotní senzor a zařízení pro sběr dat. Napájecí obvod se skládá ze zdroje napětí, zátěžového stykače a baterie. Test zneužití přebití byl proveden ve venkovních testovacích zařízeních a k záznamu událostí byly použity kamery s vysokým rozlišením a infračervené kamery.
Proces testování:Testování se provádí podle testovací specifikace FreedomCAR, ale při normální provozní teplotě baterie. Testovací zařízení je nabito na dvojnásobek jmenovitého napětí a sběr dat se zastaví po 30 minutách, bez ohledu na stav reakce baterie. Reakce baterie byla vyhodnocena pomocí úrovně nebezpečí EUCAR, přičemž její chování bylo rozděleno do osmi úrovní nebezpečí. Byly definovány tři barevné úrovně, které reprezentují bezpečné chování baterie, a byla provedena binární logistická regresní analýza.
Parametry testu:Proveďte deset testů na každé baterii při napěťových úrovních 120 V, 400 V a 800 V, protože většina elektrických vozidel je v těchto napěťových rozsazích. Porovnali jsme situaci dvojnásobného jmenovitého napětí ve vyšších napěťových úrovních a testy přebíjení FreedomCar, abychom ověřili, zda je nebezpečí úměrné napětí. Podle datového listu baterií výrobce byla zvolena aktuální úroveň každé baterie, přičemž baterie NCA a NMC byly nastaveny na 4A a baterie LFP nastaveny na 1,5A. Baterie se nabíjí, dokud CID nepřeruší nabíjecí tok nebo dokud není test ukončen, přičemž každý test trvá 30 minut.
Analýza dat:Pro statistické vyhodnocení dat se používá software SPSS se zaměřením na bezpečnost baterií. Binární logistická regrese se používá pro hodnocení na základě binárních výrazů „bezpečné“ nebo „nebezpečné“. Statistické vyhodnocení testu zahrnuje diskrétní (popisnou) a analytickou (inferenční) část. Test lze popsat pomocí tří proměnných: chemických vlastností (diskrétní kategoriální proměnné), napětí (proměnné škálování spojitého poměru) a výsledků testu (binární 0-1 proměnné, bezpečné a nebezpečné).
4. Výsledky
Klasifikace výsledků testu:Abychom poskytli přehled nezpracovaných údajů, byly pro sérii testů definovány tři kategorie s úrovněmi nebezpečnosti 3-5.
Chování správného spouštění CID:První kategorie výsledků testu shrnuje údaje o správném chování CID (stupeň nebezpečí 3). Všechny testované baterie měly po 10 minutách přebití dostatečný vnitřní tlak vzduchu k otevření CID, což způsobilo vyčerpání baterie (pokles proudu, zvýšení napětí). CID správně přerušil tok proudu a zabránil dalšímu přebíjení baterie, klasifikováno jako bezpečnostní stav a označeno stupněm nebezpečí 3 (zelené bezpečnostní chování).
CID spustilo nesprávné chování:Druhá kategorie shrnuje nesprávné chování vyvolané CID, při kterém CID částečně přeruší tok proudu, což má za následek silný kouř a nárůst teploty, a je klasifikováno jako nebezpečný stav 4. stupně (žluté nebezpečné chování).
Chování vyvolané chybami CID:Poslední kategorie zahrnuje data spouštěná chybami CID, kde CID může pouze krátce nebo úplně oddělit proud a napětí, a proto nemůže zabránit přebití baterie, což nakonec vede ke spálení nebo výbuchu baterie, klasifikované jako nebezpečný stav úrovně nebezpečí 5 nebo vyšší (červená nebezpečné chování).
5. Diskuse
Omezení testovacích standardů:Podle standardů FreedomCAR pro testování baterií je obtížné posunout baterii na bezpečnou mez, to znamená, že při přebití dvojnásobným jmenovitým napětím nebude baterie vytlačena do extrémních limitů a nebude vykazovat nebezpečné chování. V tomto rozsahu napětí (2-5V) dokáže CID správně oddělit kladný a záporný pól, aniž by došlo k zapálení baterie. Testovací standardy však neodrážejí skutečné použití lithiových baterií. Na trhu skladování energie existují vyšší propojené sériové spínací systémy s napětím do 800V.
Výkon baterií s různými chemickými vlastnostmi:Vzhledem k výsledkům 120V testovací série vykazovaly chemické baterie NMC a NCA první kritické chování baterií, zatímco chemické baterie LFP byly relativně bezpečné a nezaznamenaly vznícení nebo požár s úrovní nebezpečí 5 nebo vyšší. V testu 400 V se kritické podmínky chemických baterií NMC a NCA zdvojnásobily ve srovnání s testem 120 V, ale baterie LFP lze stále považovat za nekritické. V testu 800V byl výkon baterií NMC a NCA téměř stejný, ve fázi zapalování, zatímco baterie LFP vykazovaly první klíčové chování ve srovnání s testovacími sériemi 120V a 400V.
Důvody pro nebezpečné chování:U všech baterií klasifikovaných jako „nebezpečné“ nelze zastavit dodávku energie, to znamená, že nabíjecí proud nemůže být přerušen, což může být způsobeno obloukem generovaným při spuštění CID, což způsobí, že nabíjecí proud pokračuje v toku, což má za následek malý kontaktní bod mezi anodou a katodou, což vede k vysoké proudové hustotě. Kromě toho je vzdálenost mezi dvěma kontakty vytvořená při spuštění CID velmi krátká, což také zvyšuje průrazné napětí a může způsobit jiskření.
6. Závěr
Nedostatky současných norem:Na základě výsledků všech testovacích sérií lze usoudit, že současné normy pro testování bezpečnosti baterií v bateriových systémech jsou nedostatečné. V bateriovém systému válcových baterií zapojených do série může odpojení CID pod vysokým systémovým napětím vést ke vzniku kritických oblouků, což má za následek spálení baterie nebo explozi. Pokud jsou tedy baterie v bateriovém systému zapojeny sériově, není testování baterií při dvojnásobném jmenovitém napětí pro bezpečné chování baterií důležité a musí být revidovány současné normy. Doporučuje se, aby testování prováděné na úrovni baterie dosáhlo alespoň maximální úrovně napětí bateriového systému plánovaného pro instalaci a provoz.
Zvažování žádosti CID:Bylo zjištěno, že přebíjení baterie velmi vysokým napětím zvyšuje potenciál nebezpečí. Proto, když je v bateriovém systému použito velké množství baterií s CID v sérii, měla by být jejich aplikace přehodnocena, protože spuštění CID může vést ke katastrofálnímu selhání baterie. Alternativním řešením tohoto problému je navržení CID baterie, která vydrží tak vysoké napětí.