Absztrakt
A feszültségmérés hibái a lítium-ion akkumulátorok túltöltését okozhatják, ami belső gázok képződéséhez és hőtermeléshez vezethet, ami ellenőrizetlen felmelegedést eredményez. Ennek a kockázatnak a csökkentése érdekében a hengeres akkumulátor egy árammegszakító eszközzel (CID) van felszerelve, amely nyomáshatároló szelepként működik. Amikor a belső nyomás emelkedik, a CID leválaszthatja az akkumulátor belső áramkörét. Ez a leválasztás azonban az akkumulátor hirtelen nagy ellenállását okozza, ami komoly problémákat okoz a sorosan csatlakoztatott akkumulátorokban. Ebben a konfigurációban a rendszer feszültségének egy része vagy akár az egész rendszer feszültsége leeshet a leválasztott akkumulátoron, ami nagymértékben növeli az ívképződés lehetőségét. Az ilyen típusú ív meggyújthat minden kiszabaduló gyúlékony gázt, ami katasztrofális meghibásodáshoz vezethet.
Három különböző akkumulátor vegyészen, az NMC-n (nikkel-mangán-kobalt), az NCA-n (nikkel-kobalt-alumínium) és az LFP-n (lítium-vas-foszfát) végzett tesztek során megállapították, hogy a CID biztonságos működése nem garantálható a rendszerfeszültséget meghaladó feszültségeknél. 120V. Bár a névleges akkumulátorfeszültség kétszeresénél végzett összehasonlító tesztek nem mutatták ki ugyanezt a viselkedést, ezek az eredmények arra utalnak, hogy a jelenlegi biztonsági szabványok, amelyek kétszeres névleges feszültség mellett javasolják a tesztelést, nem feltétlenül kezelik teljes mértékben az ezzel járó kockázatokat. További vizsgálatok kimutatták, hogy az akkumulátor és a CID közötti soros kapcsolat eleve veszélyes, mivel a legrosszabb esetben a teljes rendszerfeszültség egyetlen akkumulátorra koncentrálódhat, ami potenciális rendszerhibákhoz vezethet.
1. Bevezetés
Az elektromos és elektronikai technika fejlődésével a modern élet nagymértékben függ olyan eszközöktől, mint az okostelefonok, táblagépek, elektromos kerékpárok, elektromos járművek, elektromos szerszámok és otthoni energiatároló rendszerek. Az IEC 61140 szabvány szerint ezek az eszközök két feszültségszintre oszthatók: 60 V AC és 120 V DC alatti készülékekre, valamint 1000 V AC és 1500 V DC feszültségtartományig terjedő eszközökre.
Az előbbiek közé tartoznak az elektromos szerszámok, elektromos kerékpárok, laptopok, mobiltelefonok, amelyeket általában rendkívül alacsony feszültségük miatt biztonságosnak tartanak. Ez utóbbit alacsony feszültségű tartományú berendezéseknek is nevezik, mint például a 400 V DC és 800 V DC névleges feszültségű elektromos járművek. Az elektromos járművek és egyéb alkalmazások a szükséges működési teljesítményt lítium-ion akkumulátorokból nyerik, legfeljebb 4,2 V feszültséggel. Általánosságban elmondható, hogy ez a feszültségszint az okostelefonokhoz elegendő, de az elektromos kerékpárokhoz (36 V DC) és az elektromos járművekhez (400 V DC) körülbelül 10, illetve 96 akkumulátort kell sorba kötni.
A lítium-ion akkumulátorok különösen érzékenyek a túltöltési reakciókra, amelyek gázképződéshez vezethetnek az akkumulátor belsejében. Annak biztosítására, hogy minden akkumulátor a megfelelő tartományon belül működjön, az akkumulátorban akkumulátorkezelő rendszert (BMS) használnak a paraméterek és tartományok figyelésére. Ezenkívül a hengeres akkumulátorok passzív biztonsági rendszerekkel vannak felszerelve, például árammegszakító eszközökkel (CID), amelyek az akkumulátor belső áramköreinek leválasztására szolgálnak, amikor az akkumulátoron belüli bomlási reakciók következtében gázképződés és nyomásnövekedés következik be.
A CID szétkapcsolása miatt megnő az ívképződés lehetséges kockázata, ami felveti a kérdést, hogy a CID-vel ellátott akkumulátorok veszélyesek-e soros használat esetén. Például egy 400 V-os rendszerrel rendelkező elektromos jármű műszaki problémákba ütközhet, amelyek azt eredményezik, hogy egyetlen akkumulátor feszültsége nagyon magas, meghaladja a névleges feszültség kétszeresét. Ebben az esetben az elektromos jármű akkumulátorának engedélyezése során végzett tesztelés értelmetlen, mert ebben a helyzetben a CID használata veszélyes helyzetekhez vezethet.
A kérdésre adott legjobb válasz megtalálása érdekében ez a cikk kiterjedt tesztelést hajtott végre az elektromos és hibrid elektromos járművekben általánosan használt különböző feszültségszinteken (120 V DC és 800 V DC között).
2. Elméleti háttér
A túltöltés következményei:A túltöltés az egyik legkritikusabb helyzet az akkumulátoros alkalmazásokban. A mélykisüléshez képest a túltöltés súlyosabb következményekkel járhat, ami az elektrolitok és a katódanyagok lebomlásához, valamint az elektródák és más akkumulátor-alkatrészek közötti nemkívánatos reakciókhoz vezethet, ami katasztrofális akkumulátor-meghibásodásokhoz, például tűzhöz vagy robbanáshoz vezethet.
A túltöltés okai:beleértve a töltésvezérlő meghibásodását, a BMS meghibásodását vagy a hibás feszültségméréseket. Például az akkumulátor helytelen feszültségértékek alapján történő kiegyensúlyozása a BMS végső soron túltöltéshez és potenciális hőkieséshez vezethet.
Az akkumulátorok belső reakciói:Az akkumulátorban használt anyagoktól és vegyszerektől függően a katódbomlás során oxigén keletkezik (a töltési állapottól és a katód anyagától függően). Az oxigén reakcióba lép szénnel és elektrolit oldószerekkel, ami gyúlékony gázok, például szén-monoxid, szén-dioxid és hidrogén felszabadulását eredményezi. Ebben az esetben a lítium-nikkel-mangán-kobalt-elektródák (NMC 622 és NMC 811) és a lítium-nikkel-kobalt-alumínium-elektródák (NCA) kritikusak, míg a lítium-vas-foszfát-elektródák a legbiztonságosabb anyagoknak tekinthetők, mivel alacsony a mérgező szén-monoxid-gáz felszabadulása. Az elektrolit a fő felelős elem az akkumulátorok gáztermeléséért, és az egyes akkumulátorokban a gázképződés magas nyomást hoz létre. A környezet lítium-ion akkumulátorok általi lezárása miatt a keletkező gáz eltávozik, és a stabil fémhéjjal együtt a gáznyomás elérheti a 20 bar-t is. Kontrollálatlan meghibásodás esetén ezek a gázok felrobbanhatnak.
Biztonsági eszközök:Az energiatároló berendezések lehetséges veszélyeinek csökkentése érdekében különféle biztonsági berendezéseket és vezérlő mechanizmusokat alkalmaznak. Belső biztonsági intézkedéseket, például pozitív hőmérsékleti együtthatót (PTC) és árammegszakító eszközöket (CID) használnak az akkumulátor szintjén, és a BMS-t külső biztonsági intézkedésként használják az akkumulátor folyamatos ellenőrzésére a rendszer szintjén. A PTC növeli az ellenállást és csökkenti az áramot fűtés közben, míg a CID egy felső és egy alsó lemezből áll. Ha a túltöltés nyomásnövekedést okoz, a felső tárcsa meggörbül és a hegesztett kötés elszakad, ezáltal megszakad az áramút az aktív anyaggal. A CID indítása hasonló a kapcsoló terhelés alatti kinyitásához, amely ívet gyújthat meg. CID-vel rendelkező hengeres akkumulátorok esetén 18 V feszültség elegendő az ív létrehozásához. Soros kapcsolásnál előfordulhat, hogy egyetlen akkumulátor nem ér el ekkora feszültségértéket, de előfordulhat a rendszerben, ami egy akkumulátoron feszültségkoncentrációt okozhat, ami különösen veszélyessé teszi azt.
Vizsgálati szabványok:Az ENSZ veszélyes áruk szállítására vonatkozó ajánlásai nagyon fontosak az akkumulátortesztek szempontjából, amelyek között az UN 38.3 T3 többféle vizsgálati követelményt ír elő, beleértve a túltöltési vizsgálatot is. E szabvány szerint a túltöltési teszt célja annak megállapítása, hogy az akkumulátor veszélyes-e visszaélés esetén, és a teszt során az akkumulátort a maximális töltőfeszültség kétszeresére kell tölteni. Az elektromos járművek Európai Unió általi jóváhagyásának jogalapja az ENSZ-EGB 100. számú előírása, amely leírja az elektromos járművek akkumulátorainak túltöltési tesztjét. A FreedomCAR elektromos energiatároló rendszerrel való visszaélés vizsgálati kézikönyve szintén az egyik fontos szabvány. A túltöltés teszteléséhez ez a szabvány állandó DC töltőáramot használ, és a feszültséget a normál feszültség kétszeresére kell állítani. Ezek a szabványok nem mindig felelnek meg a gyakorlati alkalmazások követelményeinek, mivel az akkumulátorok sorba vannak beépítve modulokba, és a feszültség magasabb lehet, ami növeli az ívképződés kockázatát a CID leválasztásakor.
3. Kísérleti rész
Kísérleti tervezés:A túltöltési tesztben három különböző kémiai tulajdonságú akkumulátort (LFP, NMC és NCA) használtak az összehasonlító viselkedéselemzéshez. Azért választották ezeket az akkumulátorokat, mert az LFP enyhe túltöltési reakciót mutat, az NMC elektródának katódanyagaként erősebb a reakcióképessége, az NCA-oxid pedig oxigént szabadít fel és hőkiáramlást okoz. Az akkumulátorok kiválasztása a fő kritériumok alapján történik, azaz, hogy az akkumulátoroknak CID-vel kell rendelkezniük. A kísérlet előtt az egyes akkumulátortípusok mintáit felbontották és megvizsgálták.
Teszteszköz:A vizsgálóberendezés egy tápáramkört és egy mérőáramkört tartalmaz. A mérőáramkör tartalmaz egy nagyfeszültségű mérőmodult, árambilincset, hőmérséklet-érzékelőt és adatgyűjtő berendezést. Az áramkör egy feszültségforrásból, egy terhelési kontaktorból és egy akkumulátorból áll. A túlterhelési visszaélés tesztjét kültéri vizsgáló létesítményekben végezték, az események rögzítésére nagyfelbontású kamerákat és infravörös kamerákat használtak.
Tesztelési folyamat:A tesztelés a FreedomCAR tesztspecifikációja szerint történik, de az akkumulátor normál üzemi hőmérsékletén. A vizsgálóberendezés a névleges feszültség kétszeresére töltődik, és az adatgyűjtés 30 perc után leáll, függetlenül az akkumulátor reakcióállapotától. Az akkumulátor reakcióját az EUCAR veszélyességi szint segítségével értékelték, viselkedését nyolc veszélyességi szintre osztva. Három színszintet határoztunk meg az akkumulátor biztonságos viselkedésének reprezentálására, és bináris logisztikus regressziós elemzést végeztünk.
Vizsgálati paraméterek:Végezzen tíz tesztet minden akkumulátoron 120 V, 400 V és 800 V feszültségszinten, mivel a legtöbb elektromos jármű ezen feszültségtartományon belül van. Összehasonlítottuk a dupla névleges feszültség helyzetét magasabb feszültségszinteknél és a FreedomCar túltöltési tesztjeit, hogy ellenőrizzük, arányos-e a veszély a feszültséggel. A gyártó akkumulátor adatlapja szerint minden akkumulátor aktuális szintje lett kiválasztva, az NCA és NMC akkumulátorok 4A, az LFP akkumulátorok pedig 1,5 A. Az akkumulátor addig töltődik, amíg a CID meg nem szakítja a töltési folyamatot, vagy a teszt le nem fejeződik, minden teszt 30 percig tart.
Adatelemzés:Az SPSS szoftvert az adatok statisztikai értékelésére használják, különös tekintettel az akkumulátorok biztonságára. A bináris logisztikus regressziót a "biztonságos" vagy "nem biztonságos" bináris kifejezéseken alapuló értékeléshez használják. A teszt statisztikai értékelése diszkrét (leíró) és elemző (következtető) részből áll. A teszt három változóval írható le: kémiai tulajdonságok (diszkrét kategorikus változók), feszültség (folyamatos arányú skálázási változók) és vizsgálati eredmények (bináris 0-1 változók, biztonságos és nem biztonságos).
4. Eredmények
A vizsgálati eredmények osztályozása:A nyers adatok áttekintése érdekében a tesztsorozathoz három kategóriát határoztak meg 3-5 veszélyességi szintekkel.
A CID helyes aktiválásának viselkedése:Az első vizsgálati eredmény kategória a CID helyes viselkedésére vonatkozó adatokat foglalja össze (3. veszélyességi szint). Minden tesztelt akkumulátor 10 perces túltöltés után elegendő belső légnyomással rendelkezett a CID nyitásához, ami az akkumulátor lemerülését okozta (áramcsökkenés, feszültségnövekedés). A CID megfelelően megszakította az áramáramlást, és megakadályozta az akkumulátor további túltöltését, biztonsági állapotnak minősítve és 3-as veszélyességi szintként (zöld biztonsági viselkedés) megjelölve.
A CID hibás viselkedést váltott ki:A második kategória a CID által kiváltott helytelen viselkedést foglalja össze, amelyben a CID részben megszakítja az áram áramlását, ami erős füstöt és hőmérséklet-emelkedést eredményez, és a nem biztonságos állapot veszélyének 4-es szintje (sárga nem biztonságos viselkedés).
CID-hibák által kiváltott viselkedés:Az utolsó kategóriába tartoznak a CID hibák által kiváltott adatok, ahol a CID csak rövid ideig vagy teljesen képes elkülöníteni az áramot és a feszültséget, ezért nem tudja megakadályozni az akkumulátor túltöltését, ami végső soron az akkumulátor égéséhez vagy robbanásához vezet, és az 5-ös vagy magasabb veszélyességi fokozatú (piros) nem biztonságos állapotnak minősül. nem biztonságos viselkedés).
5. Vita
A tesztelési szabványok korlátai:A FreedomCAR akkumulátortesztelési szabványai szerint nehéz az akkumulátort a biztonságos határértékre tolni, vagyis a névleges feszültség kétszeresénél túltöltéskor az akkumulátor nem szorul extrém határok közé, és nem mutat veszélyes viselkedést. Ezen a feszültségtartományon belül (2-5V) a CID megfelelően el tudja választani a pozitív és negatív pólust anélkül, hogy az akkumulátort meggyújtaná. A vizsgálati szabványok azonban nem tükrözik a lítium akkumulátorok tényleges használatát. Az energiatárolási piacon léteznek magasabb összekapcsolt soros kapcsolórendszerek, 800 V-ig terjedő feszültséggel.
A különböző kémiai tulajdonságokkal rendelkező akkumulátorok teljesítménye:A 120 V-os tesztsorozat eredményeit figyelembe véve az NMC és az NCA vegyi akkumulátorok mutatták az első kritikus akkumulátor-viselkedést, míg az LFP vegyi akkumulátorok viszonylag biztonságosak voltak, és nem tapasztaltak 5-ös vagy magasabb veszélyességi szintű gyulladást vagy tüzet. A 400 V-os tesztben az NMC és NCA kémiai akkumulátorok kritikus körülményei megduplázódtak a 120 V-os teszthez képest, de az LFP akkumulátorok továbbra is nem kritikusnak tekinthetők. A 800 V-os tesztben az NMC és NCA akkumulátorok teljesítménye közel azonos volt a gyújtás szakaszában, míg az LFP akkumulátorok mutatták az első kulcsfontosságú viselkedést a 120 V-os és 400 V-os tesztsorozatokhoz képest.
A nem biztonságos viselkedés okai:Minden „nem biztonságos” besorolású akkumulátor esetében nem lehet leállítani az energiaellátást, vagyis a töltőáramot nem lehet megszakítani, ami a CID kioldásakor keletkező ívnek köszönhető, aminek következtében a töltőáram tovább folyik, ami egy kis érintkezési pont az anód és a katód között, ami nagy áramsűrűséget eredményez. Ezenkívül a két érintkező közötti távolság, amely a CID indításakor keletkezik, nagyon rövid, ami szintén növeli az áttörési feszültséget, és ívképződést okozhat.
6. Következtetés
A jelenlegi szabványok hiányosságai:Az összes tesztsorozat eredményei alapján megállapítható, hogy az akkumulátor-rendszerek akkumulátorbiztonságának tesztelésére vonatkozó jelenlegi szabványok nem elegendőek. A sorba kapcsolt hengeres akkumulátorok akkumulátorrendszerében a CID nagy rendszerfeszültség alatti lekapcsolása kritikus ívek kialakulásához vezethet, ami az akkumulátor égéséhez vagy robbanásához vezethet. Ezért, ha az akkumulátorok sorba vannak kötve az akkumulátorrendszerben, az akkumulátorok névleges feszültségének kétszeresével történő tesztelése nem fontos az akkumulátorok biztonságos viselkedése szempontjából, ezért felül kell vizsgálni a jelenlegi szabványokat. Javasoljuk, hogy az akkumulátor szintjén végzett tesztelés legalább elérje az akkumulátorrendszer beépítésre és üzemeltetésre tervezett maximális feszültségszintjét.
A CID kérelmezés szempontjai:Azt találták, hogy az akkumulátor túltöltése nagyon magas feszültséggel növeli a veszély lehetőségét. Ezért, ha nagyszámú CID-vel rendelkező akkumulátort használnak sorba az akkumulátorrendszerben, alkalmazásukat újra kell gondolni, mivel a CID kiváltása katasztrofális akkumulátor-meghibásodáshoz vezethet. A probléma alternatív megoldása egy olyan CID akkumulátor tervezése, amely képes ellenállni az ilyen magas feszültségnek.