Resum
Els errors de mesurament de la tensió poden provocar una sobrecàrrega de les bateries d'ió de liti, donant lloc a la formació de gasos interns i a la generació de calor, donant lloc a un escalfament incontrolat. Per reduir aquest risc, la bateria cilíndrica està equipada amb un dispositiu d'interrupció de corrent (CID), que actua com a vàlvula d'alleujament de pressió. Quan la pressió interna augmenta, el CID pot desconnectar el circuit intern de la bateria. No obstant això, aquesta desconnexió fa que la bateria tingui una resistència sobtada elevada, causant problemes greus a les bateries connectades en sèrie. En aquesta configuració, part o fins i tot tota la tensió del sistema pot caure a la bateria desconnectada, augmentant molt la possibilitat d'arc. Aquest tipus d'arc pot encendre qualsevol gas inflamable que s'escapi, provocant una fallada catastròfica.
En una sèrie de proves realitzades en tres químics de bateries diferents, NMC (níquel manganès cobalt), NCA (níquel cobalt alumini) i LFP (liti ferro fosfat), es va trobar que el funcionament segur del CID no es pot garantir a tensions del sistema superiors 120V. Tot i que les proves comparatives al doble de la tensió nominal de la bateria no van mostrar el mateix comportament, aquestes troballes suggereixen que els estàndards de seguretat actuals que recomanen provar al doble de la tensió nominal poden no abordar completament els riscos implicats. Les proves posteriors han demostrat que la connexió en sèrie entre la bateria i el CID és intrínsecament perillosa, ja que en el pitjor dels casos, la tensió sencera del sistema es pot concentrar en una sola bateria, provocant possibles errors del sistema.
1. Introducció
Amb l'avenç de l'enginyeria elèctrica i electrònica, la vida moderna depèn en gran mesura de dispositius com ara telèfons intel·ligents, tauletes, bicicletes elèctriques, vehicles elèctrics, eines elèctriques i sistemes d'emmagatzematge d'energia domèstic. Segons l'estàndard IEC 61140, aquests dispositius es poden dividir en dos nivells de tensió: dispositius per sota de 60 V AC i 120 V DC, i dispositius amb rangs de tensió de fins a 1000 V AC i 1500 V DC.
El primer inclou eines elèctriques, bicicletes elèctriques, ordinadors portàtils i telèfons mòbils, que normalment es consideren segurs per la seva tensió extremadament baixa. Aquest últim també es coneix com a equips de baixa tensió, com ara vehicles elèctrics amb una tensió nominal de 400 V CC a 800 V CC. Els vehicles elèctrics i altres aplicacions obtenen la potència de funcionament requerida a partir de bateries d'ions de liti, amb una tensió màxima de 4,2 V. En termes generals, aquest nivell de tensió és suficient per als telèfons intel·ligents, però per a les bicicletes elèctriques (36V DC) i els vehicles elèctrics (400V DC), aproximadament 10 i 96 bateries s'han de connectar en sèrie, respectivament.
Les bateries d'ions de liti són especialment sensibles a les reaccions de sobrecàrrega, que poden provocar la formació de gas a l'interior de la bateria. Per garantir que cada bateria funcioni dins del rang correcte, s'utilitza un sistema de gestió de la bateria (BMS) a la bateria per controlar els paràmetres i els rangs. A més, les bateries cilíndriques estan equipades amb sistemes de seguretat passiva com els dispositius d'interrupció de corrent (CID), que s'utilitzen per desconnectar els circuits interns de la bateria quan es produeix la formació de gas i l'augment de pressió a causa de reaccions de descomposició a l'interior de la bateria.
A causa de la desconnexió del CID, el risc potencial d'arc augmenta, la qual cosa fa que es pregunti si les bateries amb CID són perilloses quan s'utilitzen en sèrie. Per exemple, un vehicle elèctric amb un sistema de 400 V pot trobar problemes tècnics que fan que la tensió d'una sola bateria sigui molt alta, superant el doble de la tensió nominal. En aquest cas, les proves realitzades durant l'homologació de la bateria del vehicle elèctric no tenen sentit perquè utilitzar CID en aquesta situació pot provocar situacions perilloses.
Per tal de trobar la millor resposta a aquesta pregunta, aquest article va realitzar proves exhaustives a diferents nivells de tensió (de 120 V CC a 800 V CC) que s'utilitzen habitualment en aplicacions de vehicles elèctrics i híbrids.
2. Fonaments teòrics
Conseqüències de la sobrecàrrega:La sobrecàrrega és una de les situacions més crítiques en les aplicacions de la bateria. En comparació amb la descàrrega profunda, les conseqüències de la sobrecàrrega són més greus, la qual cosa pot provocar la descomposició d'electròlits i materials càtodics, així com reaccions adverses entre elèctrodes i altres components de la bateria, donant lloc a fallades catastròfiques de la bateria com incendis o explosions.
Motius de la sobrecàrrega:inclosa la fallada del controlador de càrrega, la fallada del BMS o la mesura incorrecta de la tensió. Per exemple, el BMS que equilibra la bateria basant-se en valors de voltatge incorrectes pot provocar, en última instància, una sobrecàrrega i una possible fuga tèrmica.
Reaccions internes de les bateries:Segons els materials i els productes químics utilitzats a la bateria, l'oxigen es produeix durant la descomposició del càtode (segons l'estat de càrrega i el material del càtode). L'oxigen reacciona amb els dissolvents de carboni i electròlits, donant lloc a l'alliberament de gasos inflamables com ara monòxid de carboni, diòxid de carboni i hidrogen. En aquest cas, els elèctrodes de liti níquel manganès cobalt (NMC 622 i NMC 811) i els elèctrodes de liti níquel cobalt alumini (NCA) demostren la seva criticitat, mentre que els elèctrodes de liti i ferro fosfat es consideren els materials més segurs a causa del seu baix alliberament de monòxid de carboni tòxic. L'electròlit és el principal element responsable de la generació de gas a les bateries, i la formació de gas a cada bateria estableix una alta pressió. A causa del segellat del medi ambient mitjançant bateries d'ions de liti, el gas generat s'escapa i, juntament amb la carcassa metàl·lica estable, la pressió del gas pot arribar als 20 bar. En casos de fallada no controlada, aquests gasos poden explotar.
Dispositius de seguretat:Per tal de reduir els perills potencials dels equips d'emmagatzematge d'energia, s'adopten diversos dispositius de seguretat i mecanismes de control. Les mesures de seguretat internes, com ara dispositius de coeficient de temperatura positiu (PTC) i dispositius d'interrupció de corrent (CID) s'utilitzen a nivell de bateria, i el BMS s'utilitza com a mesura de seguretat externa per controlar contínuament la bateria a nivell del sistema. El PTC augmenta la resistència i redueix el flux de corrent durant l'escalfament, mentre que el CID consta d'un disc superior i un disc inferior. Quan la sobrecàrrega provoca un augment de la pressió, el disc superior es doblegarà i la junta soldada es trencarà, desconnectant així el camí actual amb el material actiu. Activar el CID és similar a obrir un interruptor sota càrrega, que pot encendre un arc. Per a bateries cilíndriques amb CID, una tensió de 18V és suficient per generar un arc. En una connexió en sèrie, és possible que una sola bateria no assoleixi un valor de tensió tan alt, però pot ocórrer al sistema, cosa que pot provocar una concentració de voltatge en una bateria, cosa que la fa especialment perillosa.
Normes de prova:Les Recomanacions de les Nacions Unides sobre el transport de mercaderies perilloses són molt importants per a les proves de bateries, entre les quals la ONU 38.3 T3 especifica diversos requisits de prova, incloses les proves de sobrecàrrega. Segons aquesta norma, la prova de sobrecàrrega és determinar si la bateria és perillosa en cas d'abús, i la bateria s'ha de carregar al doble de la tensió de càrrega màxima durant la prova. El Reglament ONU ECE núm. 100 és la base legal per a l'homologació de vehicles elèctrics per part de la Unió Europea, que descriu la prova de sobrecàrrega de les bateries dels vehicles elèctrics. El manual de proves d'abús del sistema d'emmagatzematge d'energia elèctrica de FreedomCAR també és un dels estàndards importants. Per a les proves de sobrecàrrega, aquesta norma utilitza un corrent de càrrega de CC constant i la tensió s'ha de configurar al doble de la tensió normal. Aquests estàndards no sempre compleixen els requisits de les aplicacions pràctiques, ja que les bateries s'instal·len en sèrie en mòduls i la tensió pot ser més elevada, augmentant el risc d'arc quan es desconnecta el CID.
3. Secció experimental
Disseny experimental:En la prova de sobrecàrrega, es van utilitzar tres bateries amb propietats químiques diferents (LFP, NMC i NCA) per a l'anàlisi comparativa del comportament. El motiu per triar aquestes bateries és que LFP té una reacció de sobrecàrrega lleu, l'elèctrode NMC té una reactivitat més forta com a material de càtode i l'òxid NCA allibera oxigen i provoca una fuga tèrmica. La selecció de les bateries es basa en els criteris principals, que és que les bateries han de tenir un CID. Abans de l'experiment, es van obrir i inspeccionar mostres de cada tipus de bateria.
Dispositiu de prova:El dispositiu de prova inclou un circuit d'alimentació i un circuit de mesura. El circuit de mesura inclou un mòdul de mesura d'alta tensió, una pinça de corrent, un sensor de temperatura i un equip d'adquisició de dades. El circuit d'alimentació consta d'una font de tensió, un contactor de càrrega i una bateria. La prova d'abús de sobrecàrrega es va dur a terme a instal·lacions de proves a l'aire lliure i es van utilitzar càmeres d'alta definició i càmeres d'infrarojos per gravar els esdeveniments.
Procés de prova:La prova es realitza segons l'especificació de prova FreedomCAR, però a la temperatura de funcionament normal de la bateria. L'equip de prova es carrega al doble de la tensió nominal i la recollida de dades s'atura al cap de 30 minuts, independentment de l'estat de reacció de la bateria. La reacció de la bateria es va avaluar mitjançant el nivell de perill EUCAR, dividint el seu comportament en vuit nivells de perill. Es van definir tres nivells de color per representar el comportament segur de la bateria i es va realitzar una anàlisi de regressió logística binària.
Paràmetres de prova:Realitzeu deu proves a cada bateria a nivells de tensió de 120 V, 400 V i 800 V, ja que la majoria dels vehicles elèctrics es troben dins d'aquests rangs de tensió. Hem comparat la situació de la doble tensió nominal en nivells de tensió més alts i les proves de sobrecàrrega de FreedomCar per comprovar si el perill és proporcional a la tensió. Segons el full de dades de la bateria del fabricant, es va seleccionar el nivell actual de cada bateria, amb les bateries NCA i NMC ajustades a 4A i les bateries LFP a 1,5A. La bateria es carrega fins que el CID interromp el flux de càrrega o s'acaba la prova, amb una durada de cada prova de 30 minuts.
Anàlisi de dades:El programari SPSS s'utilitza per a l'avaluació estadística de les dades, amb un focus en la seguretat de les bateries. La regressió logística binària s'utilitza per a l'avaluació basada en expressions binàries de "segur" o "insegur". L'avaluació estadística de la prova inclou parts discretes (descriptives) i analítiques (inferencials). La prova es pot descriure mitjançant tres variables: propietats químiques (variables categòriques discretes), tensió (variables d'escala de relació contínua) i resultats de la prova (variables binàries 0-1, segures i no segures).
4. Resultats
Classificació dels resultats de la prova:Per tal de proporcionar una visió general de les dades en brut, s'han definit tres categories amb nivells de perill 3-5 per a la sèrie de proves.
Comportament d'activar correctament CID:La primera categoria de resultats de la prova resumeix les dades sobre el comportament correcte del CID (nivell de perill 3). Totes les bateries provades, després de sobrecarregar-se durant 10 minuts, tenien una pressió d'aire interna suficient per obrir el CID, provocant l'esgotament de la bateria (caiguda de corrent, augment de voltatge). El CID va interrompre correctament el flux de corrent i va evitar una sobrecàrrega addicional de la bateria, classificada com a condició de seguretat i marcada com a nivell de perill 3 (comportament de seguretat verda).
CID ha provocat un comportament incorrecte:La segona categoria resumeix el comportament incorrecte provocat pel CID, en què el CID interromp parcialment el flux de corrent, donant lloc a un fort fum i un augment de la temperatura, i es classifica com a nivell de perill de condicions insegures 4 (comportament groc insegur).
Comportament provocat per errors de CID:L'última categoria inclou dades provocades per errors CID, on el CID només pot separar breument o completament el corrent i la tensió i, per tant, no pot evitar la sobrecàrrega de la bateria, que finalment condueix a la combustió o l'explosió de la bateria, classificada com a condició insegura de nivell de perill 5 o superior (vermell). comportament insegur).
5. Discussió
Limitacions dels estàndards de prova:Segons els estàndards de proves de bateries de FreedomCAR, és difícil empènyer la bateria al límit segur, és a dir, quan es sobrecarrega al doble de la tensió nominal, la bateria no es veurà empès a límits extrems i no mostrarà un comportament perillós. Dins d'aquest rang de tensió (2-5V), el CID pot separar correctament els pols positiu i negatiu sense encendre la bateria. Tanmateix, els estàndards de prova no reflecteixen l'ús real de les bateries de liti. Al mercat d'emmagatzematge d'energia, hi ha sistemes de commutació en sèrie interconnectats més alts amb tensions de fins a 800V.
El rendiment de les bateries amb diferents propietats químiques:Tenint en compte els resultats de la sèrie de proves de 120 V, les bateries químiques NMC i NCA van mostrar el primer comportament crític de la bateria, mentre que les bateries químiques LFP eren relativament segures i no van experimentar ignició ni foc amb un nivell de perill de 5 o superior. A la prova de 400 V, les condicions crítiques de les bateries de química NMC i NCA es van duplicar en comparació amb la prova de 120 V, però les bateries LFP encara es poden considerar no crítiques. A la prova de 800 V, el rendiment de les bateries NMC i NCA va ser gairebé el mateix, en l'etapa d'encesa, mentre que les bateries LFP van mostrar el primer comportament clau en comparació amb les sèries de proves de 120V i 400V.
Motius del comportament insegur:Per a totes les bateries classificades com a "insegures", no es pot aturar el subministrament d'energia, és a dir, no es pot interrompre el corrent de càrrega, que pot ser degut a l'arc generat quan s'activa el CID, fent que el corrent de càrrega continuï fluint, donant lloc a un petit punt de contacte entre l'ànode i el càtode, donant lloc a una alta densitat de corrent. A més, la distància entre els dos contactes creats quan s'activa el CID és molt curta, la qual cosa també augmenta la tensió de ruptura i pot provocar arcs.
6. Conclusió
Deficiències dels estàndards actuals:A partir dels resultats de totes les sèries de proves, es pot concloure que els estàndards actuals per provar la seguretat de les bateries als sistemes de bateries són insuficients. En el sistema de bateries de bateries cilíndriques connectades en sèrie, la desconnexió del CID sota una alta tensió del sistema pot provocar la formació d'arcs crítics, donant lloc a una combustió o explosió de la bateria. Per tant, si les bateries es connecten en sèrie al sistema de bateries, les proves de bateries al doble de la tensió nominal no són importants per al comportament segur de les bateries i s'han de revisar els estàndards actuals. Es recomana que les proves realitzades a nivell de bateria assoleixin almenys el nivell de tensió màxim del sistema de bateria previst per a la instal·lació i el funcionament.
Consideració per a la sol·licitud de CID:S'ha trobat que sobrecarregar la bateria amb una tensió molt alta augmenta el potencial de perill. Per tant, quan s'utilitzen un gran nombre de bateries amb CID en sèrie al sistema de bateries, s'ha de reconsiderar la seva aplicació, ja que l'activació del CID pot provocar una fallada catastròfica de la bateria. La solució alternativa a aquest problema és dissenyar una bateria CID que pugui suportar una tensió tan alta.