Abstraktne
Pinge mõõtmise tõrked võivad põhjustada liitiumioonakude ülelaadimist, mis põhjustab sisemiste gaaside moodustumist ja soojuse teket, mille tulemuseks on kontrollimatu kuumenemine. Selle riski vähendamiseks on silindriline aku varustatud voolukatkestusseadmega (CID), mis toimib rõhualandusventiilina. Kui siserõhk tõuseb, saab CID aku sisemise vooluringi lahti ühendada. See lahtiühendamine põhjustab aga aku äkitselt suure takistuse, põhjustades tõsiseid probleeme järjestikku ühendatud akude puhul. Selles konfiguratsioonis võib osa või isegi kogu süsteemi pinge langeda lahti ühendatud akule, suurendades oluliselt kaare tekkimise võimalust. Seda tüüpi kaar võib süüdata mis tahes väljuva tuleohtliku gaasi, mis võib põhjustada katastroofilist riket.
Kolme erineva akukeemikuga, NMC (nikkel-mangaankoobalt), NCA (nikkel-koobalt-alumiinium) ja LFP-ga (liitiumraudfosfaat) läbi viidud katsete seerias leiti, et CID-i ohutut töötamist ei saa garanteerida, kui süsteemi pinge ületab. 120V. Kuigi võrdlustestid kahekordse nominaalse akupingega ei näidanud sama käitumist, viitavad need leiud sellele, et praegused ohutusstandardid, mis soovitavad katsetada kahekordse nimipingega, ei pruugi sellega kaasnevaid riske täielikult käsitleda. Täiendavad testid on näidanud, et aku ja CID vaheline jadaühendus on oma olemuselt ohtlik, sest halvima stsenaariumi korral võib kogu süsteemi pinge koonduda ühele akule, mis toob kaasa võimalikud süsteemirikked.
1. Sissejuhatus
Elektri- ja elektroonikatehnoloogia edenedes sõltub kaasaegne elu suuresti sellistest seadmetest nagu nutitelefonid, tahvelarvutid, elektrijalgrattad, elektrisõidukid, elektritööriistad ja kodused energiasalvestussüsteemid. Vastavalt standardile IEC 61140 saab need seadmed jagada kaheks pingetasemeks: seadmed alla 60V AC ja 120V DC ning seadmed pingevahemikega kuni 1000V AC ja 1500V DC.
Esimese alla kuuluvad elektritööriistad, elektrijalgrattad, sülearvutid ja mobiiltelefonid, mida peetakse tavaliselt ohutuks nende ülimadala pinge tõttu. Viimast tuntakse ka kui madalpingeala seadmeid, näiteks elektrisõidukeid nimipingega 400V DC kuni 800V DC. Elektrisõidukid ja muud rakendused saavad vajaliku töövõimsuse liitiumioonakudelt, mille maksimaalne pinge on 4,2 V. Üldjoontes on see pingetase nutitelefonide jaoks piisav, kuid elektrijalgrataste (36V DC) ja elektrisõidukite (400V DC) jaoks on vaja järjestikku ühendada vastavalt ligikaudu 10 ja 96 akut.
Liitiumioonakud on eriti tundlikud ülelaadimisreaktsioonide suhtes, mis võivad põhjustada gaasi moodustumist aku sees. Tagamaks, et iga aku töötab õiges vahemikus, kasutatakse akus parameetrite ja vahemike jälgimiseks akuhaldussüsteemi (BMS). Lisaks on silindrilised akud varustatud passiivsete ohutussüsteemidega, nagu voolukatkestusseadmed (CID), mida kasutatakse aku sisemiste ahelate lahtiühendamiseks, kui aku sees toimuvate lagunemisreaktsioonide tõttu tekib gaasi moodustumine ja rõhu tõus.
CID lahtiühendamise tõttu suureneb potentsiaalne kaare tekkimise oht, mistõttu tekib küsimus, kas CID-ga akud on järjestikusel kasutamisel ohtlikud. Näiteks võib 400 V süsteemiga elektrisõidukil tekkida tehnilisi probleeme, mille tulemusena on ühe aku pinge väga kõrge, ületades kaks korda nimipinget. Antud juhul on elektrisõiduki aku tüübikinnituse käigus läbiviidud testimine mõttetu, kuna CID kasutamine sellises olukorras võib tekitada ohtlikke olukordi.
Sellele küsimusele parima vastuse leidmiseks viidi selles artiklis läbi ulatuslikud katsetused erinevatel pingetasemetel (120 V alalisvoolu kuni 800 V alalisvooluni), mida tavaliselt kasutatakse elektri- ja hübriidelektrisõidukites.
2. Teoreetiline taust
Ülelaadimise tagajärjed:Ülelaadimine on akurakendustes üks kriitilisemaid olukordi. Võrreldes sügavtühjenemisega on ülelaadimise tagajärjed tõsisemad, mis võib viia elektrolüütide ja katoodmaterjalide lagunemiseni, samuti elektroodide ja muude akukomponentide vahelised ebasoodsad reaktsioonid, mille tagajärjeks on aku katastroofilised rikked, nagu tulekahjud või plahvatused.
Ületasustamise põhjused:sealhulgas laadimiskontrolleri rike, BMS-i rike või vale pinge mõõtmine. Näiteks võib BMS tasakaalustada akut valede pingeväärtuste alusel, mis võib lõpuks viia ülelaadimiseni ja võimaliku termilise jooksmiseni.
Akude sisemised reaktsioonid:Olenevalt akus kasutatavatest materjalidest ja kemikaalidest tekib katoodlagunemisel hapnikku (olenevalt laadimisolekust ja katoodi materjalist). Hapnik reageerib süsiniku ja elektrolüütide lahustitega, mille tulemusena eralduvad tuleohtlikud gaasid, nagu süsinikmonooksiid, süsinikdioksiid ja vesinik. Sel juhul näitavad liitium-nikkel-mangaan-koobalt-elektroodid (NMC 622 ja NMC 811) ja liitium-nikkel-koobalt-alumiiniumelektroodid (NCA) kriitilist tähtsust, samas kui liitium-raudfosfaat-elektroode peetakse kõige ohutumateks materjalideks nende vähese mürgise süsinikmonooksiidi eraldumise tõttu. Elektrolüüt on peamine vastutav element akudes gaasi tekke eest ja gaasi moodustumine igas akus loob kõrge rõhu. Tänu liitium-ioonakude keskkonna tihendamisele pääseb tekkiv gaas välja ning koos stabiilse metallkestaga võib gaasirõhk ulatuda kuni 20 baarini. Kontrollimatu rikke korral võivad need gaasid plahvatada.
Ohutusseadmed:Energiasalvestite võimalike ohtude vähendamiseks võetakse kasutusele erinevad ohutusseadmed ja juhtimismehhanismid. Aku tasemel kasutatakse sisemisi ohutusmeetmeid, nagu positiivse temperatuuriteguri (PTC) seadmeid ja voolukatkestusseadmeid (CID), ning BMS-i kasutatakse välise ohutusmeetmena, et pidevalt jälgida akut süsteemi tasemel. PTC suurendab takistust ja vähendab vooluhulka kuumutamise ajal, samas kui CID koosneb ülemisest ja alumisest kettast. Kui ülelaadimine põhjustab rõhu tõusu, paindub ülemine ketas ja keevisliide puruneb, katkestades seeläbi voolutee aktiivse materjaliga. CID käivitamine sarnaneb lüliti avamisega koormuse all, mis võib kaare süttida. CID-ga silindriliste akude puhul piisab kaare tekitamiseks pingest 18 V. Jadaühenduses ei pruugi üksik aku nii kõrget pingeväärtust saavutada, kuid see võib süsteemis esineda, mis võib põhjustada pinge koondumise ühel akul, muutes selle eriti ohtlikuks.
Testimisstandardid:ÜRO ohtlike kaupade veo soovitused on akude testimisel väga olulised, nende hulgas on ÜRO standardis 38.3 T3 sätestatud mitu testimisnõuet, sealhulgas ülelaadimise testimine. Selle standardi kohaselt on ülelaadimise test selleks, et teha kindlaks, kas aku on kuritarvitamise korral ohtlik, ja akut tuleks testi ajal laadida maksimaalsest laadimispingest kaks korda kõrgemale. Euroopa Liidu elektrisõidukite tüübikinnituse õiguslikuks aluseks on ÜRO Euroopa Majanduskomisjoni eeskiri nr 100, mis kirjeldab elektrisõidukite akude ülelaadimise testi. FreedomCARi elektrienergia salvestamise süsteemi kuritarvitamise katsejuhend on samuti üks olulisi standardeid. Ülelaadimise testimiseks kasutab see standard pidevat alalisvoolu laadimisvoolu ja pinge tuleks seadistada kahekordsele tavalisest pingest. Need standardid ei vasta alati praktiliste rakenduste nõuetele, kuna akud paigaldatakse järjestikku moodulitena ja pinge võib olla suurem, suurendades CID lahtiühendamisel kaare tekkimise ohtu.
3. Eksperimentaalne osa
Eksperimentaalne disain:Ülelaadimistestis kasutati käitumise võrdlevaks analüüsiks kolme erinevate keemiliste omadustega akut (LFP, NMC ja NCA). Nende akude valimise põhjuseks on see, et LFP-l on kerge ülelaadimisreaktsioon, NMC-elektroodil on katoodmaterjalina tugevam reaktsioonivõime ning NCA-oksiid vabastab hapnikku ja põhjustab termilist äravoolu. Akude valikul lähtutakse peamistest kriteeriumitest, milleks on, et akudel peaks olema CID. Enne katset avati ja kontrolliti iga akutüübi näidised.
Testimisseade:Testimisseade sisaldab toiteahelat ja mõõteahelat. Mõõteahel sisaldab kõrgepinge mõõtmismoodulit, vooluklambrit, temperatuuriandurit ja andmehõiveseadmeid. Toiteahel koosneb pingeallikast, koormuskontaktorist ja akust. Ületasu kuritarvitamise test viidi läbi välikatserajatistes ning sündmuste salvestamiseks kasutati kõrglahutusega kaameraid ja infrapunakaameraid.
Testimisprotsess:Testimine viiakse läbi vastavalt FreedomCARi testimisspetsifikatsioonidele, kuid aku normaalsel töötemperatuuril. Testimisseade laetakse kahekordse nimipingega ja andmete kogumine peatub 30 minuti pärast, olenemata aku reaktsiooniolekust. Aku reaktsiooni hinnati EUCAR ohutaseme abil, jagades selle käitumise kaheksaks ohutasemeks. Määrati kolm värvitaset, mis esindavad aku ohutut käitumist, ja viidi läbi binaarne logistiline regressioonianalüüs.
Testi parameetrid:Tehke iga akuga kümme testimist pingetasemetel 120 V, 400 V ja 800 V, kuna enamik elektrisõidukeid on nendes pingevahemikes. Võrdlesime topeltnimipinge olukorda kõrgematel pingetasemetel ja FreedomCari ülelaadimise teste, et kontrollida, kas oht on võrdeline pingega. Vastavalt tootja aku andmelehele valiti iga aku hetketase, kus NCA ja NMC akud määrati 4A ja LFP akud 1,5A. Akut laetakse seni, kuni CID katkestab laadimisvoo või test lõpetatakse, kusjuures iga test kestab 30 minutit.
Andmete analüüs:SPSS-tarkvara kasutatakse andmete statistiliseks hindamiseks, keskendudes akude ohutusele. Binaarset logistilist regressiooni kasutatakse hindamiseks, mis põhineb binaaravaldistel "ohutu" või "ebaturvaline". Testi statistiline hindamine sisaldab diskreetset (kirjeldavat) ja analüütilist (järelduslikku) osa. Testi saab kirjeldada kolme muutuja abil: keemilised omadused (diskreetsed kategoorilised muutujad), pinge (pideva suhte skaleerimise muutujad) ja testi tulemused (binaarsed 0-1 muutujad, ohutud ja ebaturvalised).
4. Tulemused
Katsetulemuste klassifikatsioon:Algandmetest ülevaate andmiseks on katseseeria jaoks määratletud kolm kategooriat ohutasemetega 3-5.
CID õige käivitamise käitumine:Esimene katsetulemuste kategooria võtab kokku andmed CID õige käitumise kohta (3. ohutase). Kõigil testitud akudel oli pärast 10-minutilist ülelaadimist piisav sisemine õhurõhk CID avamiseks, mis põhjustas aku tühjenemise (voolu langus, pinge tõus). CID katkestas õigesti voolu ja hoidis ära aku edasise ülelaadimise, klassifitseeriti ohutustingimuseks ja märgiti ohutasemeks 3 (roheline ohutuskäitumine).
CID käivitas vale käitumise:Teine kategooria võtab kokku CID käivitatud ebaõige käitumise, mille puhul CID katkestab osaliselt voolu, mille tulemuseks on tugev suits ja temperatuuri tõus, ning klassifitseeritakse ohtliku seisundi ohutasemeks 4 (kollane ebaturvaline käitumine).
CID-tõrgetest põhjustatud käitumine:Viimane kategooria hõlmab andmeid, mis on käivitatud CID-tõrgetest, kus CID suudab voolu ja pinget vaid korraks või täielikult eraldada ning seetõttu ei saa takistada aku ülelaadimist, mis viib lõpuks aku põlemiseni või plahvatamiseni, mis on klassifitseeritud 5. või kõrgema ohutasemega ohtlikuks seisundiks (punane). ebaturvaline käitumine).
5. Arutelu
Testimisstandardite piirangud:FreedomCARi akude testimise standardite kohaselt on akut raske viia ohutu piirini, st kahekordse nimipingega ülelaadimisel ei vii aku äärmuslikesse piiridesse ega avalda ohtlikku käitumist. Selles pingevahemikus (2-5V) suudab CID positiivsed ja negatiivsed poolused õigesti eraldada ilma akut süütamata. Kuid testimisstandardid ei kajasta liitiumakude tegelikku kasutamist. Energiasalvestite turul on kõrgemad omavahel ühendatud järjestiklülitussüsteemid pingega kuni 800V.
Erinevate keemiliste omadustega akude jõudlus:Arvestades 120 V katseseeria tulemusi, näitasid NMC ja NCA keemiaakud esimest kriitilist aku käitumist, samas kui LFP keemiaakud olid suhteliselt ohutud ega süttinud ega süttinud 5 või kõrgema ohutasemega. 400 V testis kahekordistusid NMC ja NCA keemiaakude kriitilised tingimused võrreldes 120 V testiga, kuid LFP akusid võib siiski pidada mittekriitilisteks. 800 V testis oli NMC ja NCA akude jõudlus süütefaasis peaaegu sama, samas kui LFP akud näitasid esimest võtmekäitumist võrreldes 120 V ja 400 V katseseeriaga.
Ebaturvalise käitumise põhjused:Kõigi "ebaturvalisteks" klassifitseeritud akude puhul ei saa energiavarustust peatada, st laadimisvoolu ei saa katkestada, mis võib olla tingitud CID käivitamisel tekkivast kaarest, mis põhjustab laadimisvoolu jätkumist, mille tulemuseks on väike kontaktpunkt anoodi ja katoodi vahel, mis viib suure voolutiheduseni. Lisaks on CID käivitumisel tekkiv kahe kontakti vaheline kaugus väga lühike, mis suurendab ka rikkepinget ja võib põhjustada kaaret.
6. Järeldus
Praeguste standardite puudused:Kõigi katseseeriate tulemuste põhjal võib järeldada, et akusüsteemides kehtivad akuohutuse testimise standardid on ebapiisavad. Järjestikku ühendatud silindriliste akude akusüsteemis võib CID-i lahtiühendamine kõrge süsteemipinge all põhjustada kriitiliste kaare moodustumist, mille tulemuseks on aku põlemine või plahvatus. Seega, kui akud on akusüsteemis järjestikku ühendatud, ei ole akude testimine kahekordse nimipingega akude ohutu käitumise seisukohalt oluline ning kehtivad standardid tuleb üle vaadata. Soovitatav on, et aku tasemel läbiviidav testimine saavutaks vähemalt paigaldamiseks ja kasutamiseks kavandatud akusüsteemi maksimaalse pingetaseme.
CID-rakenduse kaalumine:On leitud, et aku ülelaadimine väga kõrge pingega suurendab ohtu. Seega, kui akusüsteemis kasutatakse järjestikku suurt hulka CID-ga akusid, tuleks nende kasutamine uuesti läbi mõelda, kuna CID-i käivitamine võib viia aku katastroofilise rikkeni. Alternatiivne lahendus sellele probleemile on kujundada CID aku, mis talub nii kõrget pinget.