Abstrakt
Spänningsmätningsfel kan orsaka överladdning av litiumjonbatterier, vilket leder till bildning av interna gaser och värmeutveckling, vilket resulterar i okontrollerad uppvärmning. För att minska denna risk är det cylindriska batteriet utrustat med en strömavbrottsanordning (CID), som fungerar som en övertrycksventil. När det interna trycket stiger kan CID koppla bort batteriets interna krets. Men denna frånkoppling gör att batteriet plötsligt blir högt i motstånd, vilket orsakar allvarliga problem i seriekopplade batterier. I denna konfiguration kan en del eller till och med hela systemspänningen falla på det frånkopplade batteriet, vilket avsevärt ökar risken för ljusbågar. Denna typ av ljusbåge kan antända all läckande brandfarlig gas, vilket leder till katastrofala fel.
I en serie tester utförda på tre olika batterikemister, NMC (nickelmangankobolt), NCA (nickelkoboltaluminium) och LFP (litiumjärnfosfat), fann man att säker drift av CID inte kan garanteras vid systemspänningar som överstiger 120V. Även om jämförande tester vid två gånger den nominella batterispänningen inte visade samma beteende, tyder dessa fynd på att nuvarande säkerhetsstandarder som rekommenderar testning vid två gånger den nominella spänningen kanske inte helt tar itu med riskerna. Ytterligare tester har visat att seriekopplingen mellan batteriet och CID i sig är farlig, eftersom i värsta fall kan hela systemspänningen koncentreras på ett enda batteri, vilket leder till potentiella systemfel.
1. Introduktion
Med framstegen inom elektrisk och elektronisk teknik är det moderna livet starkt beroende av enheter som smartphones, surfplattor, elcyklar, elfordon, elverktyg och energilagringssystem för hemmet. Enligt IEC 61140-standarden kan dessa enheter delas in i två spänningsnivåer: enheter under 60V AC och 120V DC, och enheter med spänningsområden upp till 1000V AC och 1500V DC.
Det förstnämnda inkluderar elverktyg, elcyklar, bärbara datorer och mobiltelefoner, som vanligtvis anses vara säkra på grund av sin extremt låga spänning. Den senare är också känd som lågspänningsutrustning, såsom elfordon med en nominell spänning på 400V DC till 800V DC. Elfordon och andra applikationer får den erforderliga driftkraften från litiumjonbatterier, med en maximal spänning på 4,2V. Generellt sett är denna spänningsnivå tillräcklig för smartphones, men för elcyklar (36V DC) och elfordon (400V DC) behöver cirka 10 respektive 96 batterier seriekopplas.
Litiumjonbatterier är särskilt känsliga för överladdningsreaktioner, vilket kan leda till att det bildas gas inuti batteriet. För att säkerställa att varje batteri fungerar inom rätt intervall används ett batterihanteringssystem (BMS) i batteriet för att övervaka parametrar och intervall. Dessutom är cylindriska batterier utrustade med passiva säkerhetssystem såsom strömavbrottsanordningar (CID), som används för att koppla bort batteriets interna kretsar när gasbildning och tryckökning uppstår på grund av nedbrytningsreaktioner inuti batteriet.
På grund av frånkopplingen av CID ökar den potentiella risken för ljusbågsbildning, vilket leder till frågan om batterier med CID är farliga när de används i serie. Till exempel kan ett elfordon med ett 400V-system stöta på tekniska problem som resulterar i att en enstaka batterispänning blir mycket hög och överstiger två gånger den nominella spänningen. I det här fallet är testningen som utförs under godkännandet av elfordonsbatteriet meningslös eftersom användning av CID i denna situation kan leda till farliga situationer.
För att hitta det bästa svaret på denna fråga genomförde den här artikeln omfattande tester på olika spänningsnivåer (120V DC till 800V DC) som vanligtvis används i elektriska och hybridelektriska fordonsapplikationer.
2. Teoretisk bakgrund
Konsekvenserna av överladdning:Överladdning är en av de mest kritiska situationerna i batteriapplikationer. Jämfört med djupurladdning är konsekvenserna av överladdning allvarligare, vilket kan leda till nedbrytning av elektrolyter och katodmaterial, såväl som negativa reaktioner mellan elektroder och andra batterikomponenter, vilket resulterar i katastrofala batterihaverier såsom bränder eller explosioner.
Orsaker till överladdning:inklusive laddningskontrollfel, BMS-fel eller felaktig spänningsmätning. Till exempel kan BMS-balansering av batteriet baserat på felaktiga spänningsvärden i slutändan leda till överladdning och potentiell termisk rusning.
Batteriernas inre reaktioner:Beroende på de material och kemikalier som används i batteriet produceras syre vid katodnedbrytning (beroende på laddningstillstånd och katodmaterial). Syre reagerar med kol- och elektrolytlösningsmedel, vilket resulterar i frigöring av brandfarliga gaser som kolmonoxid, koldioxid och väte. I det här fallet visar litiumnickel-mangankoboltelektroder (NMC 622 och NMC 811) och litiumnickelkoboltaluminiumelektroder (NCA) kritikalitet, medan litiumjärnfosfatelektroder anses vara de säkraste materialen på grund av deras låga utsläpp av giftig kolmonoxidgas. Elektrolyt är det huvudsakliga elementet för gasgenerering i batterier, och gasbildningen i varje batteri skapar högt tryck. På grund av tätningen av miljön med litiumjonbatterier försvinner den genererade gasen och tillsammans med det stabila metallskalet kan gastrycket nå upp till 20 bar. Vid okontrollerade felhändelser kan dessa gaser explodera.
Säkerhetsanordningar:För att minska de potentiella riskerna med energilagringsutrustning antas olika säkerhetsanordningar och kontrollmekanismer. Interna säkerhetsåtgärder såsom positiv temperaturkoefficient (PTC) enheter och strömavbrottsanordningar (CID) används på batterinivå, och BMS används som en extern säkerhetsåtgärd för att kontinuerligt övervaka batteriet på systemnivå. PTC ökar motståndet och minskar strömflödet under uppvärmning, medan CID består av en toppskiva och en bottenskiva. När överladdning orsakar en ökning av trycket kommer den övre skivan att böjas och svetsfogen kommer att gå sönder, vilket kopplar bort strömvägen med det aktiva materialet. Att trigga CID liknar att öppna en switch under belastning, vilket kan antända en ljusbåge. För cylindriska batterier med CID är en spänning på 18V tillräcklig för att generera en ljusbåge. I en seriekoppling kan det hända att ett enskilt batteri inte når ett så högt spänningsvärde, men det kan förekomma i systemet, vilket kan orsaka spänningskoncentration på ett batteri, vilket gör det extra farligt.
Teststandarder:FN:s rekommendationer om transport av farligt gods är mycket viktiga för batteritestning, bland vilka UN 38.3 T3 specificerar flera testkrav, inklusive överladdningstestning. Enligt denna standard ska överladdningstestet avgöra om batteriet är farligt vid missbruk och batteriet ska laddas till två gånger den maximala laddningsspänningen under testet. UN ECE-föreskrifter nr 100 är den rättsliga grunden för godkännande av elfordon av Europeiska Unionen, som beskriver överladdningstest av elfordonsbatterier. FreedomCARs testmanual för elektrisk energilagringssystem är också en av de viktiga standarderna. För överladdningstestning använder denna standard en konstant DC-laddningsström och spänningen bör ställas in på två gånger den normala spänningen. Dessa standarder uppfyller inte alltid kraven för praktiska tillämpningar, eftersom batterierna är installerade i serie i moduler och spänningen kan vara högre, vilket ökar risken för ljusbågar när CID kopplas bort.
3. Experimentdel
Experimentell design:I överladdningstestet användes tre batterier med olika kemiska egenskaper (LFP, NMC och NCA) för jämförande beteendeanalys. Anledningen till att man väljer dessa batterier är att LFP har en mild överladdningsreaktion, NMC-elektrod har starkare reaktivitet som katodmaterial, och NCA-oxid frigör syre och orsakar termisk rusning. Valet av batterier baseras på huvudkriterierna, som är att batterierna ska ha ett CID. Före experimentet öppnades och inspekterades prover av varje batterityp.
Testanordning:Testanordningen inkluderar en kraftkrets och en mätkrets. Mätkretsen inkluderar en högspänningsmätmodul, strömtång, temperatursensor och datainsamlingsutrustning. Strömkretsen består av en spänningskälla, en lastkontaktor och ett batteri. Överladdningsmissbrukstestet utfördes i utomhustestanläggningar och högupplösta kameror och infraröda kameror användes för att spela in händelserna.
Testprocess:Testningen utförs enligt FreedomCARs testspecifikation, men vid normal drifttemperatur för batteriet. Testutrustningen laddas till dubbelt så hög märkspänning och datainsamlingen avbryts efter 30 minuter, oavsett batteriets reaktionstillstånd. Batteriets reaktion utvärderades med hjälp av EUCAR-risknivån och delade upp dess beteende i åtta risknivåer. Tre färgnivåer definierades för att representera batteriets säkra beteende, och binär logistisk regressionsanalys utfördes.
Testparametrar:Utför tio tester på varje batteri vid spänningsnivåer på 120V, 400V och 800V, eftersom de flesta elfordon ligger inom dessa spänningsområden. Vi jämförde situationen med dubbel märkspänning i högre spänningsnivåer och FreedomCar överladdningstester för att kontrollera om faran är proportionell mot spänningen. Enligt tillverkarens batteridatablad valdes aktuell nivå för varje batteri, med NCA- och NMC-batterier inställda på 4A och LFP-batterier inställda på 1,5A. Batteriet laddas tills CID avbryter laddningsflödet eller testet avslutas, varvid varje test varar i 30 minuter.
Dataanalys:SPSS mjukvara används för statistisk utvärdering av data, med fokus på batteriernas säkerhet. Binär logistisk regression används för utvärdering baserad på binära uttryck för "säker" eller "osäker". Den statistiska utvärderingen av testet inkluderar diskreta (beskrivande) och analytiska (inferentiella) delar. Testet kan beskrivas med hjälp av tre variabler: kemiska egenskaper (diskreta kategoriska variabler), spänning (kontinuerliga kvotskalningsvariabler) och testresultat (binära 0-1 variabler, säkra och osäkra).
4. Resultat
Klassificering av testresultat:För att ge en översikt över rådata har tre kategorier med faronivåer 3-5 definierats för testserien.
Beteendet för att utlösa CID korrekt:Den första testresultatkategorin sammanfattar data om korrekt beteende hos CID (risknivå 3). Alla testade batterier hade, efter att ha överladdats i 10 minuter, tillräckligt med inre lufttryck för att öppna CID, vilket orsakade batteriutsläpp (strömfall, spänningsökning). CID avbröt strömflödet korrekt och förhindrade ytterligare överladdning av batteriet, klassificerat som ett säkerhetstillstånd och markerat som risknivå 3 (grönt säkerhetsbeteende).
CID utlöste felaktigt beteende:Den andra kategorin sammanfattar CID-utlöst felaktigt beteende, där CID delvis avbryter strömflödet, vilket resulterar i kraftig rök- och temperaturökning, och klassificeras som risknivå 4 för osäkert tillstånd (gult osäkert beteende).
Beteende utlöst av CID-fel:Den sista kategorin inkluderar data som utlösts av CID-fel, där CID endast kortvarigt eller helt kan separera ström och spänning, och därför inte kan förhindra batteriöverladdning, vilket i slutändan leder till batteriförbränning eller explosion, klassificerat som ett osäkert tillstånd av risknivå 5 eller högre (röd osäkert beteende).
5. Diskussion
Begränsningar för teststandarder:Enligt FreedomCARs standarder för batteritestning är det svårt att pressa batteriet till den säkra gränsen, det vill säga när det överladdas till dubbelt så hög märkspänning, kommer batteriet inte att pressas till extrema gränser och kommer inte att uppvisa farligt beteende. Inom detta spänningsområde (2-5V) kan CID separera de positiva och negativa polerna korrekt utan att tända batteriet. Teststandarderna återspeglar dock inte den faktiska användningen av litiumbatterier. På energilagringsmarknaden finns det högre sammankopplade seriekopplingssystem med spänningar upp till 800V.
Prestanda för batterier med olika kemiska egenskaper:Med tanke på resultaten från 120V-testserien uppvisade NMC- och NCA-kemiska batterier det första kritiska batteribeteendet, medan LFP-kemiska batterier var relativt säkra och inte upplevde antändning eller brand med en risknivå på 5 eller högre. I 400V-testet fördubblades de kritiska förhållandena för NMC- och NCA-kemibatterier jämfört med 120V-testet, men LFP-batterier kan fortfarande betraktas som icke-kritiska. I 800V-testet var prestandan för NMC- och NCA-batterier nästan densamma, i tändningsstadiet, medan LFP-batterier visade det första nyckelbeteendet jämfört med 120V- och 400V-testserierna.
Orsaker till osäkert beteende:För alla batterier som klassificeras som "osäkra" kan energitillförseln inte stoppas, det vill säga att laddningsströmmen inte kan avbrytas, vilket kan bero på att ljusbågen som genereras när CID utlöses, vilket gör att laddningsströmmen fortsätter att flyta, vilket resulterar i en liten kontaktpunkt mellan anoden och katoden, vilket leder till hög strömtäthet. Dessutom är avståndet mellan de två kontakterna som skapas när CID utlöses mycket kort, vilket också ökar genomslagsspänningen och kan orsaka ljusbågsbildning.
6. Slutsats
Brister med nuvarande standarder:Baserat på resultaten från alla testserier kan man dra slutsatsen att de nuvarande standarderna för att testa batterisäkerhet i batterisystem är otillräckliga. I batterisystemet för cylindriska batterier kopplade i serie kan frånkopplingen av CID under hög systemspänning leda till bildandet av kritiska bågar, vilket resulterar i batteriförbränning eller explosion. Om batterierna är seriekopplade i batterisystemet är därför batteritestning vid två gånger märkspänningen inte viktig för batteriernas säkra beteende, och de nuvarande standarderna måste revideras. Det rekommenderas att testerna som utförs på batterinivå åtminstone ska nå den maximala spänningsnivån för batterisystemet som är planerat för installation och drift.
Övervägande för CID-ansökan:Det har visat sig att överladdning av batteriet med mycket hög spänning ökar risken för fara. Därför, när ett stort antal batterier med CID används i serie i batterisystemet, bör deras tillämpning omprövas, eftersom utlösande av CID kan leda till katastrofala batterifel. Den alternativa lösningen på detta problem är att designa ett CID-batteri som tål så hög spänning.