Abstrakti
Jännitteen mittausvirheet voivat aiheuttaa litiumioniakkujen ylilataamista, mikä johtaa sisäisten kaasujen muodostumiseen ja lämmön muodostumiseen, mikä johtaa hallitsemattomaan kuumenemiseen. Tämän riskin vähentämiseksi sylinterimäinen akku on varustettu virrankatkaisulaitteella (CID), joka toimii paineenalennusventtiilinä. Kun sisäinen paine nousee, CID voi irrottaa akun sisäisen piirin. Tämä katkaisu saa kuitenkin akun yhtäkkiä suureksi vastuksen, mikä aiheuttaa vakavia ongelmia sarjaan kytketyissä akuissa. Tässä kokoonpanossa osa tai jopa koko järjestelmän jännite voi pudota irrotetun akun päällä, mikä lisää huomattavasti kipinöintimahdollisuutta. Tämän tyyppinen kaari voi sytyttää kaikki ulos purkautuvat palavat kaasut, mikä johtaa katastrofaaliseen vikaan.
Kolmella eri akkukemistillä, NMC (nikkeli-mangaanikoboltti), NCA (nikkelikobolttialumiini) ja LFP (litiumrautafosfaatti) tehdyissä testeissä havaittiin, että CID:n turvallista toimintaa ei voida taata järjestelmäjännitteillä, jotka ylittävät. 120V. Vaikka vertailevat testit kaksinkertaisella nimellisjännitteellä eivät osoittaneet samaa käyttäytymistä, nämä havainnot viittaavat siihen, että nykyiset turvallisuusstandardit, jotka suosittelevat testaamista kaksinkertaisella nimellisjännitteellä, eivät välttämättä ota täysin huomioon asiaan liittyviä riskejä. Lisätestaukset ovat osoittaneet, että akun ja CID:n välinen sarjayhteys on luonnostaan vaarallinen, sillä pahimmassa tapauksessa koko järjestelmän jännite voi keskittyä yhteen akkuun, mikä johtaa mahdollisiin järjestelmähäiriöihin.
1. Johdanto
Sähkö- ja elektroniikkatekniikan edistymisen myötä nykyaikainen elämä on vahvasti riippuvainen laitteista, kuten älypuhelimista, tableteista, sähköpolkupyöristä, sähköajoneuvoista, sähkötyökaluista ja kodin energian varastointijärjestelmistä. IEC 61140 -standardin mukaan nämä laitteet voidaan jakaa kahteen jännitetasoon: alle 60 V AC ja 120 V DC laitteisiin sekä laitteisiin, joiden jännitealue on enintään 1000 V AC ja 1500 V DC.
Edellinen sisältää sähkötyökalut, sähköpyörät, kannettavat tietokoneet ja matkapuhelimet, joita pidetään yleensä turvallisina niiden erittäin alhaisen jännitteen vuoksi. Jälkimmäinen tunnetaan myös pienjännitealueen laitteina, kuten sähköautot, joiden nimellisjännite on 400 V DC - 800 V DC. Sähköajoneuvot ja muut sovellukset saavat tarvittavan käyttötehon litiumioniakuista, joiden jännite on enintään 4,2 V. Yleisesti ottaen tämä jännitetaso riittää älypuhelimille, mutta sähköpolkupyörille (36 V DC) ja sähköajoneuvoille (400 V DC) on sarjaan kytkettävä noin 10 ja 96 akkua.
Litiumioniakut ovat erityisen herkkiä ylilatausreaktioihin, jotka voivat johtaa kaasun muodostumiseen akun sisällä. Sen varmistamiseksi, että jokainen akku toimii oikealla alueella, akussa käytetään akunhallintajärjestelmää (BMS) parametrien ja alueiden valvontaan. Lisäksi sylinterimäiset akut on varustettu passiivisilla turvajärjestelmillä, kuten virrankatkaisulaitteet (CID), joilla katkaistaan akun sisäiset piirit, kun akun sisällä tapahtuvien hajoamisreaktioiden seurauksena tapahtuu kaasun muodostumista ja paineen nousua.
CID:n katkaisemisen vuoksi mahdollinen kipinöintiriski kasvaa, mikä johtaa kysymykseen, ovatko CID-akut vaarallisia sarjassa käytettäessä. Esimerkiksi 400 V:n järjestelmällä varustetussa sähköajoneuvossa saattaa esiintyä teknisiä ongelmia, joiden seurauksena yksittäisen akun jännite on erittäin korkea, yli kaksinkertainen nimellisjännitteeseen verrattuna. Tässä tapauksessa sähköajoneuvon akun hyväksynnän yhteydessä tehty testaus on merkityksetöntä, koska CID:n käyttö tässä tilanteessa voi johtaa vaarallisiin tilanteisiin.
Parhaan vastauksen löytämiseksi tähän kysymykseen tässä artikkelissa suoritettiin laaja testaus eri jännitetasoilla (120 V DC - 800 V DC), joita käytetään yleisesti sähkö- ja hybridisähköajoneuvoissa.
2. Teoreettinen tausta
Ylilatauksen seuraukset:Ylilataus on yksi kriittisimmistä tilanteista akkusovelluksissa. Syväpurkaukseen verrattuna ylilatauksen seuraukset ovat vakavampia, mikä voi johtaa elektrolyyttien ja katodimateriaalien hajoamiseen sekä elektrodien ja muiden akun osien välisiin haitallisiin reaktioihin, mikä johtaa katastrofaalisiin akkuvioihin, kuten tulipaloihin tai räjähdyksiin.
Syitä ylilataukseen:mukaan lukien latausohjaimen vika, BMS-vika tai virheellinen jännitteen mittaus. Esimerkiksi BMS:n tasapainottaminen akun väärien jännitearvojen perusteella voi lopulta johtaa ylilataukseen ja mahdolliseen lämpökarkaamiseen.
Akkujen sisäiset reaktiot:Akussa käytetyistä materiaaleista ja kemikaaleista riippuen katodin hajoamisen aikana syntyy happea (riippuen lataustilasta ja katodimateriaalista). Happi reagoi hiilen ja elektrolyyttiliuottimien kanssa, jolloin vapautuu palavia kaasuja, kuten hiilimonoksidia, hiilidioksidia ja vetyä. Tässä tapauksessa litiumnikkeli-mangaanikobolttielektrodit (NMC 622 ja NMC 811) ja litiumnikkeli-kobolttialumiinielektrodit (NCA) osoittavat kriittisiä, kun taas litiumrautafosfaattielektrodeja pidetään turvallisimpina materiaaleina, koska ne vapauttavat vähän myrkyllistä hiilimonoksidikaasua. Elektrolyytti on pääasiallinen vastuussa kaasun muodostuksesta akuissa, ja kaasun muodostuminen kussakin akussa muodostaa korkean paineen. Litiumioniakkujen ympäristön tiivistämisen ansiosta syntyvä kaasu karkaa ja yhdessä vakaan metallikuoren kanssa kaasun paine voi nousta jopa 20 baariin. Hallitsemattomissa vikatilanteissa nämä kaasut voivat räjähtää.
Turvalaitteet:Energian varastointilaitteiden mahdollisten vaarojen vähentämiseksi otetaan käyttöön erilaisia turvalaitteita ja ohjausmekanismeja. Akun tasolla käytetään sisäisiä turvatoimia, kuten positiivisen lämpötilakertoimen (PTC) laitteita ja virtakatkoslaitteita (CID), ja BMS:ää käytetään ulkoisena turvatoimenpiteenä akun jatkuvaan valvontaan järjestelmätasolla. PTC lisää vastusta ja vähentää virtaa lämmityksen aikana, kun taas CID koostuu ylälevystä ja alalevystä. Kun ylilataus lisää painetta, ylälevy taipuu ja hitsausliitos katkeaa, mikä katkaisee virran reitin aktiivisen materiaalin kanssa. CID:n laukaiseminen on samanlaista kuin kytkimen avaaminen kuormitettuna, mikä voi sytyttää valokaaren. Sylinterimäisille akuille, joissa on CID, 18 V jännite riittää luomaan kaaren. Sarjakytkennässä yksittäinen akku ei välttämättä saavuta näin korkeaa jännitearvoa, mutta sitä voi tapahtua järjestelmässä, mikä voi aiheuttaa jännitteen keskittymistä yhteen akkuon, mikä tekee siitä erityisen vaarallisen.
Testausstandardit:YK:n vaarallisten aineiden kuljetuksia koskevat suositukset ovat erittäin tärkeitä akkutestauksen kannalta, joista UN 38.3 T3 määrittelee useita testausvaatimuksia, mukaan lukien ylilataustestaus. Tämän standardin mukaan ylilataustestillä määritetään, onko akku vaarallinen väärinkäytön yhteydessä, ja akku tulee ladata testin aikana kaksinkertaiseen enimmäislatausjännitteeseen. UN ECE:n sääntö nro 100 on Euroopan unionin sähköajoneuvojen hyväksynnän oikeusperusta, joka kuvaa sähköajoneuvojen akkujen ylilataustestiä. FreedomCAR Electrical Energy Storage System -väärinkäyttötestikäsikirja on myös yksi tärkeimmistä standardeista. Ylilataustestauksessa tämä standardi käyttää jatkuvaa DC-latausvirtaa ja jännite tulee asettaa kaksinkertaiseksi normaalijännitettä suuremmiksi. Nämä standardit eivät aina täytä käytännön sovellusten vaatimuksia, koska akut asennetaan sarjaan moduuleissa ja jännite voi olla korkeampi, mikä lisää valokaaren riskiä, kun CID irrotetaan.
3. Kokeellinen osa
Kokeellinen suunnittelu:Ylilataustestissä vertailevaan käyttäytymisanalyysiin käytettiin kolmea akkua, joilla oli erilaiset kemialliset ominaisuudet (LFP, NMC ja NCA). Syynä näiden akkujen valintaan on se, että LFP:llä on lievä ylilatausreaktio, NMC-elektrodilla on voimakkaampi reaktiivisuus katodimateriaalina ja NCA-oksidi vapauttaa happea ja aiheuttaa lämpökarkaamista. Akkujen valinta perustuu pääkriteeriin, eli että akuilla tulee olla CID. Ennen koetta näytteet jokaisesta akkutyypistä avattiin ja tarkastettiin.
Testauslaite:Testauslaite sisältää virtapiirin ja mittauspiirin. Mittauspiiri sisältää suurjännitteen mittausmoduulin, virtapitimen, lämpötila-anturin ja tiedonkeruulaitteiston. Virtapiiri koostuu jännitelähteestä, kuormakontaktorista ja akusta. Ylihinnan väärinkäyttötesti tehtiin ulkona testaustiloissa, ja tapahtumien tallentamiseen käytettiin teräväpiirtokameroita ja infrapunakameroita.
Testausprosessi:Testaus suoritetaan FreedomCAR-testausspesifikaatioiden mukaisesti, mutta akun normaalissa käyttölämpötilassa. Testauslaitteisto ladataan kaksinkertaiseen nimellisjännitteeseen, ja tiedonkeruu loppuu 30 minuutin kuluttua akun reaktiotilasta riippumatta. Akun reaktio arvioitiin EUCAR:n vaaratasolla jakamalla sen käyttäytyminen kahdeksaan vaaratasoon. Kolme väritasoa määriteltiin edustamaan akun turvallista käyttäytymistä, ja binäärinen logistinen regressioanalyysi suoritettiin.
Testiparametrit:Suorita kymmenen testiä jokaiselle akulle 120 V, 400 V ja 800 V jännitetasoilla, koska useimmat sähköajoneuvot ovat näillä jännitealueilla. Vertailimme kaksinkertaisen nimellisjännitteen tilannetta korkeammilla jännitetasoilla ja FreedomCarin ylilataustestejä tarkistaaksemme, onko vaara verrannollinen jännitteeseen. Valmistajan akkutietolehden mukaan kunkin akun nykyinen taso valittiin, NCA- ja NMC-akuilla 4A ja LFP-akuilla 1,5A. Akkua ladataan, kunnes CID katkaisee latausvirran tai testi päättyy, ja jokainen testi kestää 30 minuuttia.
Tietojen analysointi:SPSS-ohjelmistoa käytetään tietojen tilastolliseen arviointiin keskittyen akkujen turvallisuuteen. Binaarista logistista regressiota käytetään arvioinnissa, joka perustuu binäärilausekkeisiin "turvallinen" tai "turvaton". Testin tilastollinen arviointi sisältää diskreetin (kuvaavan) ja analyyttisen (päätelmän) osan. Testiä voidaan kuvata käyttämällä kolmea muuttujaa: kemialliset ominaisuudet (erilliset kategoriamuuttujat), jännite (jatkuvasuhteen skaalausmuuttujat) ja testitulokset (binäärimuuttujat 0-1, turvallinen ja vaarallinen).
4. Tulokset
Testitulosten luokitus:Raakatedoista yleiskatsauksen saamiseksi testisarjalle on määritetty kolme luokkaa, joiden vaaratasot ovat 3-5.
CID:n oikein käynnistämisen käyttäytyminen:Ensimmäinen testitulosluokka tiivistää tiedot CID:n oikeasta käyttäytymisestä (vaarataso 3). Kaikissa testatuissa akuissa, kun niitä oli ladattu yli 10 minuuttia, sisäinen ilmanpaine oli riittävä avaamaan CID:n, mikä aiheutti akun tyhjenemisen (virran lasku, jännitteen nousu). CID katkaisi virran oikein ja esti akun ylilataamisen, luokiteltu turvallisuustilanteeksi ja merkitty vaaratasoksi 3 (vihreä turvallisuuskäyttäytyminen).
CID laukaisi virheellisen toiminnan:Toinen luokka tiivistää CID:n laukaiseman virheellisen toiminnan, jossa CID katkaisee virran osittain, mikä johtaa voimakkaaseen savuun ja lämpötilan nousuun, ja se luokitellaan vaarallisten olosuhteiden vaaratasolle 4 (keltainen vaarallinen käyttäytyminen).
CID-virheiden käynnistämä toiminta:Viimeiseen luokkaan kuuluvat CID-virheiden laukaisemat tiedot, joissa CID voi vain hetkellisesti tai kokonaan erottaa virran ja jännitteen, eikä näin ollen voi estää akun ylilatausta, joka lopulta johtaa akun palamiseen tai räjähtämiseen, luokiteltuna vaaralliseksi tilan 5 tai korkeammaksi (punainen) vaarallinen käytös).
5. Keskustelu
Testausstandardien rajoitukset:FreedomCARin akkutestausstandardien mukaan akkua on vaikea työntää turvalliselle rajalle, eli kaksinkertaisella nimellisjännitteellä yliladattuna akku ei työnty äärirajoihin eikä se käyttäytyy vaarallisesti. Tällä jännitealueella (2-5V) CID pystyy erottamaan positiivisen ja negatiivisen navan oikein ilman akkua sytyttämättä. Testausstandardit eivät kuitenkaan heijasta litiumakkujen todellista käyttöä. Energian varastointimarkkinoilla on korkeampia toisiinsa kytkettyjä sarjakytkentäjärjestelmiä, joiden jännite on jopa 800 V.
Erilaisten kemiallisten ominaisuuksien omaavien akkujen suorituskyky:Ottaen huomioon 120 V testisarjan tulokset, NMC- ja NCA-kemialliset akut osoittivat ensimmäistä kriittistä akkukäyttäytymistä, kun taas LFP-kemialliset akut olivat suhteellisen turvallisia eivätkä syttyneet tai syttyneet, jos vaarataso oli 5 tai korkeampi. 400V-testissä NMC- ja NCA-kemiallisten akkujen kriittiset olosuhteet kaksinkertaistuivat 120V-testiin verrattuna, mutta LFP-akkuja voidaan silti pitää ei-kriittisinä. 800 V testissä NMC- ja NCA-akkujen suorituskyky oli lähes sama sytytysvaiheessa, kun taas LFP-akut osoittivat ensimmäistä avainkäyttäytymistä verrattuna 120 V ja 400 V testisarjoihin.
Syitä vaaralliseen käyttäytymiseen:Kaikille "vaarallisiksi luokitelluille akuille" virransyöttöä ei voi pysäyttää, eli latausvirtaa ei voi katkaista, mikä voi johtua CID:n laukaisun yhteydessä syntyvästä kaaresta, joka saa latausvirran jatkamaan virtaa, mikä johtaa pieni kosketuspiste anodin ja katodin välillä, mikä johtaa suureen virrantiheyteen. Lisäksi kahden koskettimen välinen etäisyys, joka syntyy, kun CID laukeaa, on hyvin lyhyt, mikä myös lisää läpilyöntijännitettä ja voi aiheuttaa valokaaren.
6. Johtopäätös
Nykyisten standardien puutteet:Kaikkien testisarjojen tulosten perusteella voidaan päätellä, että nykyiset standardit akkujärjestelmien akkuturvallisuuden testaamiseksi ovat riittämättömiä. Sarjaan kytkettyjen sylinterimäisten akkujen akkujärjestelmässä CID:n irrottaminen korkealla järjestelmäjännitteellä voi johtaa kriittisten valokaarien muodostumiseen, mikä johtaa akun palamiseen tai räjähtämiseen. Siksi, jos akut on kytketty sarjaan akkujärjestelmässä, akun testaus kaksinkertaisella nimellisjännitteellä ei ole tärkeää akkujen turvallisen toiminnan kannalta, ja nykyiset standardit on tarkistettava. On suositeltavaa, että akkutasolla suoritettavan testauksen tulee saavuttaa vähintään asennukseen ja käyttöön suunniteltu akkujärjestelmän maksimijännitetaso.
Huomioitavaa CID-hakemuksessa:On havaittu, että akun ylilataus erittäin korkealla jännitteellä lisää vaaran mahdollisuutta. Siksi, kun akkujärjestelmässä käytetään sarjassa suurta määrää CID-akkuja, niiden käyttöä tulee harkita uudelleen, koska CID:n laukaiseminen voi johtaa katastrofaaliseen akkuvikaan. Vaihtoehtoinen ratkaisu tähän ongelmaan on suunnitella CID-akku, joka kestää niin suurta jännitettä.