Abstrakt
Spændingsmålingsfejl kan forårsage overopladning af lithium-ion-batterier, hvilket fører til dannelse af interne gasser og varmeudvikling, hvilket resulterer i ukontrolleret opvarmning. For at reducere denne risiko er det cylindriske batteri udstyret med en strømafbrydelsesanordning (CID), der fungerer som en overtryksventil. Når det interne tryk stiger, kan CID afbryde batteriets interne kredsløb. Men denne afbrydelse får batteriet til pludselig at blive høj i modstand, hvilket forårsager alvorlige problemer i serieforbundne batterier. I denne konfiguration kan noget eller endda hele systemspændingen falde på det afbrudte batteri, hvilket i høj grad øger muligheden for buedannelse. Denne type lysbue kan antænde enhver undslippende brændbar gas, hvilket fører til katastrofalt svigt.
I en række test udført på tre forskellige batterikemikere, NMC (nikkelmangankobolt), NCA (nikkelkoboltaluminium) og LFP (lithiumjernfosfat), blev det fundet, at sikker drift af CID ikke kan garanteres ved systemspændinger, der overstiger 120V. Selvom sammenlignende test ved to gange den nominelle batterispænding ikke viste den samme adfærd, tyder disse resultater på, at nuværende sikkerhedsstandarder, der anbefaler testning ved dobbelt den nominelle spænding, muligvis ikke fuldt ud adresserer de involverede risici. Yderligere test har vist, at den serielle forbindelse mellem batteriet og CID i sagens natur er farlig, da hele systemspændingen i det værste tilfælde kan koncentreres på et enkelt batteri, hvilket fører til potentielle systemfejl.
1. Introduktion
Med fremskridt inden for elektrisk og elektronisk teknik er det moderne liv stærkt afhængig af enheder som smartphones, tablets, elektriske cykler, elektriske køretøjer, elværktøj og energilagringssystemer i hjemmet. I henhold til IEC 61140-standarden kan disse enheder opdeles i to spændingsniveauer: enheder under 60V AC og 120V DC og enheder med spændingsområder op til 1000V AC og 1500V DC.
Førstnævnte omfatter elektrisk værktøj, elektriske cykler, bærbare computere og mobiltelefoner, som normalt betragtes som sikre på grund af deres ekstremt lave spænding. Sidstnævnte er også kendt som lavspændingsudstyr, såsom elektriske køretøjer med en nominel spænding på 400V DC til 800V DC. Elektriske køretøjer og andre applikationer får den nødvendige driftseffekt fra lithium-ion-batterier med en maksimal spænding på 4,2V. Generelt er dette spændingsniveau tilstrækkeligt til smartphones, men for elcykler (36V DC) og elbiler (400V DC) skal der seriekobles henholdsvis ca. 10 og 96 batterier.
Lithium-ion-batterier er særligt følsomme over for overopladningsreaktioner, som kan føre til dannelse af gas inde i batteriet. For at sikre, at hvert batteri fungerer inden for det korrekte område, bruges et Battery Management System (BMS) i batteriet til at overvåge parametre og områder. Derudover er cylindriske batterier udstyret med passive sikkerhedssystemer såsom strømafbrydelsesanordninger (CID'er), som bruges til at afbryde batteriets interne kredsløb, når der opstår gasdannelse og trykstigning på grund af nedbrydningsreaktioner inde i batteriet.
På grund af frakoblingen af CID øges den potentielle risiko for lysbuedannelse, hvilket fører til et spørgsmål om, hvorvidt batterier med CID er farlige, når de bruges i serie. For eksempel kan et elektrisk køretøj med et 400V-system støde på tekniske problemer, der resulterer i, at en enkelt batterispænding er meget høj og overstiger det dobbelte af den nominelle spænding. I dette tilfælde er testning udført under godkendelsen af det elektriske køretøjs batteri meningsløs, fordi brug af CID i denne situation kan føre til farlige situationer.
For at finde det bedste svar på dette spørgsmål udførte denne artikel omfattende tests ved forskellige spændingsniveauer (120V DC til 800V DC), der almindeligvis anvendes i elektriske og hybride elektriske køretøjsapplikationer.
2. Teoretisk baggrund
Konsekvenserne af overopladning:Overopladning er en af de mest kritiske situationer i batteriapplikationer. Sammenlignet med dyb afladning er konsekvenserne af overopladning mere alvorlige, hvilket kan føre til nedbrydning af elektrolytter og katodematerialer, samt uønskede reaktioner mellem elektroder og andre batterikomponenter, hvilket resulterer i katastrofale batterifejl såsom brande eller eksplosioner.
Årsager til overopladning:inklusive ladecontrollerfejl, BMS-fejl eller forkert spændingsmåling. For eksempel kan BMS-afbalancering af batteriet baseret på forkerte spændingsværdier i sidste ende føre til overopladning og potentiel termisk flugt.
Batteriernes interne reaktioner:Afhængigt af de materialer og kemikalier, der anvendes i batteriet, produceres der ilt under katodens nedbrydning (afhængigt af ladetilstanden og katodematerialet). Ilt reagerer med kulstof- og elektrolytopløsningsmidler, hvilket resulterer i frigivelse af brændbare gasser såsom kulilte, kuldioxid og brint. I dette tilfælde udviser lithium-nikkel-mangan-koboltelektroder (NMC 622 og NMC 811) og lithium-nikkel-kobolt-aluminiumelektroder (NCA) kritikalitet, mens lithiumjernphosphatelektroder betragtes som de sikreste materialer på grund af deres lave frigivelse af giftig kuliltegas. Elektrolyt er det hovedansvarlige element for gasdannelse i batterier, og dannelsen af gas i hvert batteri etablerer højt tryk. På grund af forseglingen af miljøet med lithium-ion-batterier slipper den dannede gas ud, og sammen med den stabile metalskal kan gastrykket nå op til 20 bar. I ukontrollerede fejlhændelser kan disse gasser eksplodere.
Sikkerhedsanordninger:For at reducere de potentielle farer ved energilagringsudstyr vedtages forskellige sikkerhedsanordninger og kontrolmekanismer. Interne sikkerhedsforanstaltninger såsom positiv temperaturkoefficient (PTC) enheder og strømafbrydelsesanordninger (CID) bruges på batteriniveau, og BMS bruges som en ekstern sikkerhedsforanstaltning til løbende at overvåge batteriet på systemniveau. PTC øger modstanden og reducerer strømmen under opvarmning, mens CID består af en topskive og en bundskive. Når overladning forårsager en stigning i trykket, vil den øverste skive bøje, og svejsningen vil bryde, hvorved strømvejen med det aktive materiale afbrydes. At udløse CID svarer til at åbne en kontakt under belastning, som kan antænde en lysbue. For cylindriske batterier med CID er en spænding på 18V tilstrækkelig til at generere en lysbue. I en serieforbindelse når et enkelt batteri måske ikke så høj en spændingsværdi, men det kan forekomme i systemet, hvilket kan forårsage spændingskoncentration på ét batteri, hvilket gør det særligt farligt.
Teststandarder:De Forenede Nationers anbefalinger om transport af farligt gods er meget vigtige for batteritestning, blandt hvilke UN 38.3 T3 specificerer flere testkrav, herunder overladningstest. I henhold til denne standard skal overladningstesten afgøre, om batteriet er farligt i tilfælde af misbrug, og batteriet skal oplades til det dobbelte af den maksimale ladespænding under testen. UN ECE-regulativ nr. 100 er det juridiske grundlag for godkendelse af elektriske køretøjer af EU, som beskriver overladningstest af elektriske køretøjers batterier. FreedomCAR Electrical Energy Storage System Abuse Test Manual er også en af de vigtige standarder. Til overladningstestning bruger denne standard en konstant DC-ladestrøm, og spændingen skal indstilles til det dobbelte af den normale spænding. Disse standarder opfylder ikke altid kravene til praktiske anvendelser, da batterierne er installeret i serie i moduler, og spændingen kan være højere, hvilket øger risikoen for lysbuer, når CID'en frakobles.
3. Eksperimentelt afsnit
Eksperimentelt design:I overladningstesten blev tre batterier med forskellige kemiske egenskaber (LFP, NMC og NCA) brugt til sammenlignende adfærdsanalyse. Grunden til at vælge disse batterier er, at LFP har en mild overladningsreaktion, NMC-elektrode har stærkere reaktivitet som katodemateriale, og NCA-oxid frigiver ilt og forårsager termisk løb. Udvælgelsen af batterier er baseret på hovedkriterierne, som er, at batterierne skal have et CID. Før eksperimentet blev prøver af hver batteritype åbnet og inspiceret.
Testenhed:Testanordningen omfatter et strømkredsløb og et målekredsløb. Målekredsløbet inkluderer et højspændingsmålemodul, strømklemme, temperatursensor og dataindsamlingsudstyr. Strømkredsløbet består af en spændingskilde, en belastningskontaktor og et batteri. Overladningsmisbrugstesten blev udført i udendørs testfaciliteter, og højopløsningskameraer og infrarøde kameraer blev brugt til at optage begivenhederne.
Testproces:Testen udføres i henhold til FreedomCAR-testspecifikationen, men ved batteriets normale driftstemperatur. Testudstyret oplades til det dobbelte af den nominelle spænding, og dataindsamlingen stopper efter 30 minutter, uanset batteriets reaktionstilstand. Batteriets reaktion blev evalueret ved hjælp af EUCAR-fareniveauet, idet dets adfærd blev opdelt i otte fareniveauer. Tre farveniveauer blev defineret til at repræsentere batteriets sikre opførsel, og binær logistisk regressionsanalyse blev udført.
Testparametre:Udfør ti test på hvert batteri ved spændingsniveauer på 120V, 400V og 800V, da de fleste elektriske køretøjer er inden for disse spændingsområder. Vi sammenlignede situationen med dobbelt nominel spænding i højere spændingsniveauer og FreedomCar-overladningstest for at kontrollere, om faren er proportional med spændingen. Ifølge producentens batteridatablad blev det aktuelle niveau for hvert batteri valgt, med NCA- og NMC-batterier indstillet til 4A og LFP-batterier indstillet til 1,5A. Batteriet oplades, indtil CID'en afbryder ladeflowet, eller testen afsluttes, hvor hver test varer i 30 minutter.
Dataanalyse:SPSS software bruges til statistisk evaluering af data, med fokus på batteriernes sikkerhed. Binær logistisk regression bruges til evaluering baseret på binære udtryk for "sikker" eller "usikker". Den statistiske evaluering af testen omfatter diskrete (beskrivende) og analytiske (inferentielle) dele. Testen kan beskrives ved hjælp af tre variable: kemiske egenskaber (diskrete kategoriske variabler), spænding (kontinuerlige forhold skaleringsvariabler) og testresultater (binære 0-1 variable, sikre og usikre).
4. Resultater
Klassificering af testresultater:For at give et overblik over rådataene er der defineret tre kategorier med fareniveauer 3-5 for testserien.
Adfærden til korrekt udløsning af CID:Den første testresultatkategori opsummerer dataene om den korrekte adfærd af CID (fareniveau 3). Alle testede batterier, efter at have været overopladet i 10 minutter, havde internt lufttryk tilstrækkeligt til at åbne CID, hvilket forårsagede batteriudstødning (strømfald, spændingsstigning). CID afbrød strømmen korrekt og forhindrede yderligere overopladning af batteriet, klassificeret som en sikkerhedstilstand og markeret som fareniveau 3 (grøn sikkerhedsadfærd).
CID udløste forkert adfærd:Den anden kategori opsummerer CID-udløst forkert adfærd, hvor CID delvist afbryder strømflowet, hvilket resulterer i kraftig røg og temperaturstigning, og er klassificeret som usikre tilstandsfareniveau 4 (gul usikker adfærd).
Adfærd udløst af CID-fejl:Den sidste kategori omfatter data udløst af CID-fejl, hvor CID kun kort eller fuldstændigt kan adskille strøm og spænding, og derfor ikke kan forhindre batterioveropladning, hvilket i sidste ende fører til batteriforbrænding eller eksplosion, klassificeret som en usikker tilstand på fareniveau 5 eller højere (rød usikker adfærd).
5. Diskussion
Begrænsninger af teststandarder:I henhold til FreedomCARs batteriteststandarder er det svært at skubbe batteriet til den sikre grænse, det vil sige, at når det overoplades ved dobbelt den nominelle spænding, vil batteriet ikke blive skubbet til ekstreme grænser og vil ikke udvise farlig adfærd. Inden for dette spændingsområde (2-5V) kan CID adskille de positive og negative poler korrekt uden at antænde batteriet. Teststandarderne afspejler dog ikke den faktiske brug af lithiumbatterier. På energilagringsmarkedet er der højere sammenkoblede seriekoblingssystemer med spændinger op til 800V.
Ydeevnen af batterier med forskellige kemiske egenskaber:I betragtning af resultaterne af 120V testserien udviste NMC og NCA kemiske batterier den første kritiske batteriadfærd, mens LFP kemiske batterier var relativt sikre og ikke oplevede antændelse eller brand med et fareniveau på 5 eller højere. I 400V-testen fordobledes de kritiske forhold for NMC- og NCA-kemibatterier sammenlignet med 120V-testen, men LFP-batterier kan stadig betragtes som ikke-kritiske. I 800V-testen var ydeevnen af NMC- og NCA-batterier næsten den samme i tændingsfasen, mens LFP-batterier viste den første nøgleadfærd sammenlignet med 120V- og 400V-testserierne.
Årsager til usikker adfærd:For alle batterier, der er klassificeret som "usikre", kan energiforsyningen ikke stoppes, det vil sige, at ladestrømmen ikke kan afbrydes, hvilket kan skyldes den lysbue, der genereres, når CID udløses, hvilket får ladestrømmen til at fortsætte med at løbe, hvilket resulterer i en lille kontaktpunkt mellem anoden og katoden, hvilket fører til høj strømtæthed. Derudover er afstanden mellem de to kontakter, der skabes, når CID udløses, meget kort, hvilket også øger gennembrudsspændingen og kan forårsage lysbuer.
6. Konklusion
Mangler ved nuværende standarder:Baseret på resultaterne af alle testserier kan det konkluderes, at de nuværende standarder for test af batterisikkerhed i batterisystemer er utilstrækkelige. I batterisystemet af cylindriske batterier forbundet i serie, kan afbrydelse af CID under høj systemspænding føre til dannelse af kritiske lysbuer, hvilket resulterer i batteriforbrænding eller eksplosion. Hvis batterierne er serieforbundne i batterisystemet, er batteritestning ved dobbelt den nominelle spænding derfor ikke vigtig for batteriernes sikre opførsel, og de nuværende standarder skal revideres. Det anbefales, at test udført på batteriniveau mindst skal nå det maksimale spændingsniveau for batterisystemet, der er planlagt til installation og drift.
Overvejelse for CID-ansøgning:Det har vist sig, at overopladning af batteriet med meget høj spænding øger risikoen for fare. Derfor, når et stort antal batterier med CID bruges i serie i batterisystemet, bør deres anvendelse genovervejes, da udløsning af CID kan føre til katastrofalt batterisvigt. Den alternative løsning på dette problem er at designe et CID-batteri, der kan modstå så høj spænding.