Abstract
Greške u mjerenju napona mogu uzrokovati prekomjerno punjenje litijum-jonskih baterija, što dovodi do stvaranja unutrašnjih plinova i stvaranja topline, što rezultira nekontroliranim zagrijavanjem. Kako bi se smanjio ovaj rizik, cilindrična baterija je opremljena uređajem za prekid struje (CID), koji djeluje kao ventil za smanjenje tlaka. Kada unutrašnji pritisak poraste, CID može isključiti unutrašnji krug baterije. Međutim, ovo isključenje dovodi do toga da baterija iznenada postane visokog otpora, uzrokujući ozbiljne probleme u serijski povezanim baterijama. U ovoj konfiguraciji, neki ili čak cijeli sistemski napon može pasti na isključenoj bateriji, što uvelike povećava mogućnost nastanka luka. Ova vrsta luka može zapaliti bilo koji zapaljivi plin koji izlazi, što može dovesti do katastrofalnog kvara.
U nizu testova sprovedenih na tri različita hemičara baterija, NMC (nikl mangan kobalt), NCA (nikl kobalt aluminijum) i LFP (litijum gvožđe fosfat), otkriveno je da se siguran rad CID-a ne može garantovati pri naponima sistema koji prelaze 120V. Iako uporedni testovi na dvostruko većem nazivnom naponu baterije nisu pokazali isto ponašanje, ovi nalazi sugeriraju da trenutni sigurnosni standardi koji preporučuju testiranje na dvostruko većem nazivnom naponu možda neće u potpunosti riješiti rizike koji su uključeni. Dalja testiranja su pokazala da je serijska veza između baterije i CID-a sama po sebi opasna, jer u najgorem slučaju, cijeli napon sistema može biti koncentrisan na jednu bateriju, što dovodi do potencijalnih kvarova sistema.
1. Uvod
Sa napretkom elektrotehnike i elektronike, savremeni život se u velikoj meri oslanja na uređaje kao što su pametni telefoni, tableti, električni bicikli, električna vozila, električni alati i kućni sistemi za skladištenje energije. Prema standardu IEC 61140, ovi uređaji se mogu podijeliti u dva napona: uređaji ispod 60V AC i 120V DC i uređaji sa naponom do 1000V AC i 1500V DC.
Prvi uključuje električne alate, električne bicikle, laptope i mobilne telefone, koji se obično smatraju sigurnima zbog svog izuzetno niskog napona. Potonji je također poznat kao oprema niskog napona, kao što su električna vozila sa nominalnim naponom od 400V DC do 800V DC. Električna vozila i druge aplikacije dobijaju potrebnu radnu snagu iz litijum-jonskih baterija, maksimalnog napona od 4,2V. Uopšteno govoreći, ovaj nivo napona je dovoljan za pametne telefone, ali za električne bicikle (36V DC) i električna vozila (400V DC) potrebno je oko 10 odnosno 96 baterija serijski spojiti.
Litijum-jonske baterije su posebno osjetljive na reakcije prekomjernog punjenja, koje mogu dovesti do stvaranja plina unutar baterije. Kako bi se osiguralo da svaka baterija radi unutar ispravnog raspona, u bateriji se koristi sistem upravljanja baterijom (BMS) za praćenje parametara i raspona. Osim toga, cilindrične baterije su opremljene pasivnim sigurnosnim sistemima kao što su uređaji za prekid struje (CID), koji se koriste za isključivanje unutrašnjih krugova baterije kada dođe do stvaranja plina i povećanja tlaka zbog reakcija raspadanja unutar baterije.
Zbog isključenja CID-a, potencijalni rizik od nastanka luka se povećava, što dovodi do pitanja da li su baterije sa CID-om opasne kada se koriste u seriji. Na primjer, električno vozilo sa sistemom od 400 V može naići na tehničke probleme koji rezultiraju vrlo visokim naponom jedne baterije, što prelazi dvostruko veći napon od nominalnog. U ovom slučaju, testiranje provedeno tijekom odobrenja akumulatora električnog vozila je besmisleno jer korištenje CID-a u ovoj situaciji može dovesti do opasnih situacija.
Kako bi se pronašao najbolji odgovor na ovo pitanje, u ovom članku je provedeno opsežno testiranje na različitim nivoima napona (120V DC do 800V DC) koji se obično koriste u električnim i hibridnim električnim vozilima.
2. Teorijska osnova
Posljedice prekomjernog punjenja:Prekomjerno punjenje je jedna od najkritičnijih situacija u aplikacijama baterija. U poređenju sa dubokim pražnjenjem, posledice prepunjenja su ozbiljnije, što može dovesti do raspadanja elektrolita i katodnog materijala, kao i neželjenih reakcija između elektroda i drugih komponenti baterije, što rezultira katastrofalnim kvarovima baterije kao što su požari ili eksplozije.
Razlozi za prekomjerno punjenje:uključujući kvar kontrolera punjenja, kvar BMS-a ili pogrešno mjerenje napona. Na primjer, BMS balansiranje baterije na osnovu netačnih vrijednosti napona može u konačnici dovesti do prekomjernog punjenja i potencijalnog termičkog bijega.
Unutrašnje reakcije baterija:U zavisnosti od materijala i hemikalija koje se koriste u bateriji, kiseonik se proizvodi tokom razgradnje katode (u zavisnosti od stanja punjenja i materijala katode). Kisik reagira s ugljikom i otapalima elektrolita, što rezultira oslobađanjem zapaljivih plinova kao što su ugljični monoksid, ugljični dioksid i vodik. U ovom slučaju, litijum-nikl-mangan-kobalt elektrode (NMC 622 i NMC 811) i litijum-nikl-kobalt-aluminijumske elektrode (NCA) pokazuju kritičnost, dok se litijum-željezo-fosfatne elektrode smatraju najsigurnijim materijalima zbog malog oslobađanja toksičnog gasa ugljen-monoksida. Elektrolit je glavni odgovorni element za stvaranje plina u baterijama, a stvaranje plina u svakoj bateriji uspostavlja visoki tlak. Zbog zatvaranja okoline litijum-jonskim baterijama, nastali gas izlazi, a zajedno sa stabilnom metalnom školjkom, pritisak gasa može dostići i do 20 bara. U slučaju nekontrolisanog kvara, ovi gasovi mogu eksplodirati.
Sigurnosni uređaji:Kako bi se smanjile potencijalne opasnosti od opreme za skladištenje energije, usvojeni su različiti sigurnosni uređaji i kontrolni mehanizmi. Interne sigurnosne mjere kao što su uređaji sa pozitivnim temperaturnim koeficijentom (PTC) i uređaji za prekid struje (CID) se koriste na nivou baterije, a BMS se koristi kao eksterna sigurnosna mjera za kontinuirano praćenje baterije na nivou sistema. PTC povećava otpor i smanjuje protok struje tokom grijanja, dok se CID sastoji od gornjeg i donjeg diska. Kada prekomjerno punjenje uzrokuje povećanje tlaka, gornji disk će se saviti i zavareni spoj će se slomiti, čime će se prekinuti strujni put s aktivnim materijalom. Aktiviranje CID-a je slično otvaranju prekidača pod opterećenjem, što može zapaliti luk. Za cilindrične baterije sa CID, napon od 18V je dovoljan za stvaranje luka. U serijskoj vezi, jedna baterija možda neće dostići tako visoku vrijednost napona, ali može doći do toga u sistemu, što može uzrokovati koncentraciju napona na jednoj bateriji, što je čini posebno opasnom.
Standardi testiranja:Preporuke Ujedinjenih nacija o transportu opasnog tereta su veoma važne za testiranje baterija, među kojima UN 38.3 T3 navodi višestruke zahtjeve za testiranje, uključujući testiranje prekomjernog punjenja. Prema ovom standardu, test prekomjernog punjenja je da se utvrdi da li je baterija opasna u slučaju zloupotrebe, a bateriju treba napuniti do dvostrukog maksimalnog napona punjenja tokom testa. UN ECE Uredba br. 100 je pravni osnov za odobravanje električnih vozila od strane Evropske unije, koji opisuje ispitivanje prekomjernog punjenja baterija električnih vozila. Priručnik za testiranje zloupotrebe sistema skladištenja električne energije FreedomCAR također je jedan od važnih standarda. Za testiranje prekomjernog punjenja, ovaj standard koristi konstantnu DC struju punjenja i napon bi trebao biti postavljen na dvostruko veći od normalnog napona. Ovi standardi ne ispunjavaju uvijek zahtjeve praktične primjene, jer su baterije instalirane u seriji u modulima i napon može biti veći, povećavajući rizik od stvaranja luka kada je CID isključen.
3. Eksperimentalni dio
Eksperimentalni dizajn:U testu prekomjernog punjenja, tri baterije s različitim kemijskim svojstvima (LFP, NMC i NCA) korištene su za uporednu analizu ponašanja. Razlog za odabir ovih baterija je taj što LFP ima blagu reakciju prekomjernog punjenja, NMC elektroda ima jaču reaktivnost kao katodni materijal, a NCA oksid oslobađa kisik i uzrokuje toplinski bijeg. Odabir baterija se zasniva na glavnom kriteriju, a to je da baterije moraju imati CID. Prije eksperimenta, uzorci svake vrste baterija su otvoreni i pregledani.
Uređaj za testiranje:Uređaj za testiranje uključuje strujni krug i mjerni krug. Mjerni krug uključuje visokonaponski mjerni modul, strujnu stezaljku, temperaturni senzor i opremu za prikupljanje podataka. Strujni krug se sastoji od izvora napona, kontaktora opterećenja i baterije. Test zloupotrebe prekomjernog naplate proveden je u prostorijama za testiranje na otvorenom, a za snimanje događaja korištene su kamere visoke definicije i infracrvene kamere.
Proces testiranja:Testiranje se provodi prema specifikaciji testiranja FreedomCAR, ali na normalnoj radnoj temperaturi baterije. Oprema za testiranje se puni do dvostrukog nazivnog napona, a prikupljanje podataka prestaje nakon 30 minuta, bez obzira na stanje reakcije baterije. Reakcija baterije je procijenjena korištenjem EUCAR nivoa opasnosti, dijeleći njeno ponašanje na osam nivoa opasnosti. Definisana su tri nivoa boja koji predstavljaju bezbedno ponašanje baterije, a sprovedena je binarna logistička regresiona analiza.
Parametri testa:Izvršite deset testova na svakoj bateriji na naponskim nivoima od 120V, 400V i 800V, jer se većina električnih vozila nalazi u tim naponskim rasponima. Uporedili smo situaciju dvostrukog nazivnog napona na višim naponskim nivoima i FreedomCar testove prekomjernog punjenja kako bismo provjerili je li opasnost proporcionalna naponu. Prema podacima proizvođača o bateriji, odabran je trenutni nivo svake baterije, sa NCA i NMC baterijama postavljenim na 4A i LFP baterijama na 1.5A. Baterija se puni sve dok CID ne prekine tok punjenja ili se test ne završi, pri čemu svaki test traje 30 minuta.
Analiza podataka:SPSS softver se koristi za statističku evaluaciju podataka, sa fokusom na sigurnost baterija. Binarna logistička regresija se koristi za evaluaciju zasnovanu na binarnim izrazima "sigurno" ili "nesigurno". Statistička evaluacija testa uključuje diskretne (deskriptivne) i analitičke (inferencijalne) dijelove. Test se može opisati korištenjem tri varijable: hemijskih svojstava (diskretne kategoričke varijable), napona (stalne varijable skaliranja omjera) i rezultata testa (binarne 0-1 varijable, sigurne i nesigurne).
4. Rezultati
Klasifikacija rezultata ispitivanja:Kako bi se pružio pregled neobrađenih podataka, definirane su tri kategorije sa nivoima opasnosti 3-5 za seriju testova.
Ponašanje ispravnog pokretanja CID-a:Prva kategorija rezultata testa sumira podatke o ispravnom ponašanju CID-a (nivo opasnosti 3). Sve testirane baterije, nakon 10 minuta prepunjene, imale su unutrašnji pritisak vazduha dovoljan da se otvori CID, što je dovelo do ispuštanja baterije (pad struje, porast napona). CID je ispravno prekinuo strujni tok i spriječio daljnje prepunjavanje baterije, klasificiran kao sigurnosni uvjet i označen kao nivo opasnosti 3 (zeleno sigurnosno ponašanje).
CID je pokrenuo pogrešno ponašanje:Druga kategorija sažima pogrešno ponašanje izazvano CID-om, u kojem CID djelimično prekida strujni tok, što rezultira jakim dimom i porastom temperature, i klasificira se kao nivo opasnosti u nebezbednom stanju 4 (žuto nebezbedno ponašanje).
Ponašanje pokrenuto CID greškama:Posljednja kategorija uključuje podatke pokrenute CID greškama, gdje CID može samo nakratko ili potpuno odvojiti struju i napon, te stoga ne može spriječiti prekomjerno punjenje baterije, što u konačnici dovodi do sagorijevanja ili eksplozije baterije, klasificiranog kao nesigurno stanje 5 ili više (crveno) nesigurno ponašanje).
5. Diskusija
Ograničenja standarda testiranja:Prema FreedomCAR standardima za testiranje baterija, teško je gurnuti bateriju do sigurne granice, to jest, kada se prepuni na dvostruko većem nazivnom naponu, baterija neće biti gurnuta do ekstremnih granica i neće pokazivati opasno ponašanje. Unutar ovog raspona napona (2-5V), CID može ispravno odvojiti pozitivne i negativne polove bez paljenja baterije. Međutim, standardi testiranja ne odražavaju stvarnu upotrebu litijumskih baterija. Na tržištu skladištenja energije postoje viši međusobno povezani serijski sklopni sistemi sa naponima do 800V.
Performanse baterija sa različitim hemijskim svojstvima:S obzirom na rezultate serije testova od 120V, hemijske baterije NMC i NCA pokazale su prvo kritično ponašanje baterija, dok su LFP hemijske baterije bile relativno sigurne i nisu doživjele paljenje ili požar sa nivoom opasnosti od 5 ili više. U testu od 400 V, kritični uslovi NMC i NCA hemijskih baterija su se udvostručili u poređenju sa testom od 120 V, ali se LFP baterije i dalje mogu smatrati nekritičnim. U testu od 800V, performanse NMC i NCA baterija su bile skoro iste, u fazi paljenja, dok su LFP baterije pokazale prvo ključno ponašanje u poređenju sa serijom testova od 120V i 400V.
Razlozi za nesigurno ponašanje:Za sve baterije koje su klasifikovane kao "nesigurne", opskrba energijom se ne može zaustaviti, odnosno struja punjenja se ne može prekinuti, što može biti posljedica luka nastalog kada se CID aktivira, što uzrokuje da struja punjenja nastavi teći, što rezultira mala kontaktna tačka između anode i katode, što dovodi do velike gustine struje. Osim toga, razmak između dva kontakta stvorena kada se CID aktivira je vrlo kratka, što također povećava napon proboja i može uzrokovati stvaranje luka.
6. Zaključak
Nedostaci sadašnjih standarda:Na osnovu rezultata svih serija ispitivanja, može se zaključiti da su postojeći standardi za ispitivanje sigurnosti baterija u baterijskim sistemima nedovoljni. U sistemu baterija cilindričnih baterija povezanih u seriju, isključenje CID-a pod visokim naponom sistema može dovesti do stvaranja kritičnih lukova, što rezultira sagorevanjem ili eksplozijom baterije. Stoga, ako su baterije povezane u seriju u sistemu baterija, testiranje baterija na dvostruko većem nazivnom naponu nije važno za bezbedno ponašanje baterija, pa se trenutni standardi moraju revidirati. Preporučuje se da ispitivanje provedeno na nivou baterije treba barem dostići maksimalni nivo napona baterijskog sistema planiranog za instalaciju i rad.
Razmatranje za CID aplikaciju:Utvrđeno je da prekomjerno punjenje baterije vrlo visokim naponom povećava potencijal za opasnost. Stoga, kada se u baterijskom sistemu serijski koristi veliki broj baterija sa CID-om, njihovu primjenu treba preispitati, jer aktiviranje CID-a može dovesti do katastrofalnog kvara baterije. Alternativno rješenje ovog problema je dizajniranje CID baterije koja može izdržati tako visok napon.