Abstrak
Kesalahan pengukuran voltan boleh menyebabkan pengecasan berlebihan bateri litium-ion, yang membawa kepada pembentukan gas dalaman dan penjanaan haba, mengakibatkan pemanasan tidak terkawal. Untuk mengurangkan risiko ini, bateri silinder dilengkapi dengan peranti gangguan semasa (CID), yang bertindak sebagai injap pelepas tekanan. Apabila tekanan dalaman meningkat, CID boleh memutuskan litar dalaman bateri. Walau bagaimanapun, pemotongan ini menyebabkan bateri tiba-tiba menjadi tinggi dalam rintangan, menyebabkan masalah serius dalam bateri yang disambungkan secara bersiri. Dalam konfigurasi ini, sebahagian atau bahkan keseluruhan voltan sistem mungkin jatuh pada bateri yang terputus, meningkatkan kemungkinan pengarkaan. Arka jenis ini boleh menyalakan sebarang gas mudah terbakar yang melarikan diri, yang membawa kepada kegagalan bencana.
Dalam satu siri ujian yang dijalankan ke atas tiga ahli kimia bateri berbeza, NMC (nikel mangan kobalt), NCA (nikel kobalt aluminium), dan LFP (lithium besi fosfat), didapati bahawa operasi selamat CID tidak boleh dijamin pada voltan sistem melebihi 120V. Walaupun ujian perbandingan pada dua kali voltan bateri nominal tidak menunjukkan tingkah laku yang sama, penemuan ini mencadangkan bahawa piawaian keselamatan semasa yang mengesyorkan ujian pada voltan terkadar dua kali ganda mungkin tidak menangani sepenuhnya risiko yang terlibat. Ujian lanjut telah menunjukkan bahawa sambungan bersiri antara bateri dan CID sememangnya berbahaya, seperti dalam senario terburuk, keseluruhan voltan sistem boleh tertumpu pada satu bateri, yang membawa kepada kemungkinan kegagalan sistem.
1. Pengenalan
Dengan kemajuan kejuruteraan elektrik dan elektronik, kehidupan moden sangat bergantung pada peranti seperti telefon pintar, tablet, basikal elektrik, kenderaan elektrik, alatan kuasa dan sistem storan tenaga rumah. Menurut piawaian IEC 61140, peranti ini boleh dibahagikan kepada dua tahap voltan: peranti di bawah 60V AC dan 120V DC, dan peranti dengan julat voltan sehingga 1000V AC dan 1500V DC.
Yang pertama termasuk alatan elektrik, basikal elektrik, komputer riba dan telefon bimbit, yang biasanya dianggap selamat kerana voltannya yang sangat rendah. Yang terakhir ini juga dikenali sebagai peralatan julat voltan rendah, seperti kenderaan elektrik dengan voltan nominal 400V DC hingga 800V DC. Kenderaan elektrik dan aplikasi lain memperoleh kuasa operasi yang diperlukan daripada bateri lithium-ion, dengan voltan maksimum 4.2V. Secara umumnya, paras voltan ini mencukupi untuk telefon pintar, tetapi untuk basikal elektrik (36V DC) dan kenderaan elektrik (400V DC), kira-kira 10 dan 96 bateri perlu disambungkan secara bersiri, masing-masing.
Bateri litium ion sangat sensitif terhadap tindak balas pengecasan berlebihan, yang boleh menyebabkan pembentukan gas di dalam bateri. Untuk memastikan setiap bateri beroperasi dalam julat yang betul, Sistem Pengurusan Bateri (BMS) digunakan dalam bateri untuk memantau parameter dan julat. Di samping itu, bateri silinder dilengkapi dengan sistem keselamatan pasif seperti peranti gangguan semasa (CID), yang digunakan untuk memutuskan litar dalaman bateri apabila pembentukan gas dan peningkatan tekanan berlaku akibat tindak balas penguraian di dalam bateri.
Disebabkan oleh pemotongan sambungan CID, potensi risiko pengarkaan meningkat, membawa kepada persoalan sama ada bateri dengan CID berbahaya apabila digunakan secara bersiri. Sebagai contoh, kenderaan elektrik dengan sistem 400V mungkin menghadapi masalah teknikal yang mengakibatkan voltan bateri tunggal menjadi sangat tinggi, melebihi dua kali voltan nominal. Dalam kes ini, ujian yang dijalankan semasa kelulusan bateri kenderaan elektrik tidak bermakna kerana menggunakan CID dalam situasi ini boleh membawa kepada situasi berbahaya.
Untuk mencari jawapan terbaik kepada soalan ini, artikel ini menjalankan ujian meluas pada tahap voltan yang berbeza (120V DC hingga 800V DC) yang biasa digunakan dalam aplikasi kenderaan elektrik elektrik dan hibrid.
2. Latar belakang teori
Akibat pengecasan berlebihan:Pengecasan berlebihan adalah salah satu situasi paling kritikal dalam aplikasi bateri. Berbanding dengan nyahcas dalam, akibat pengecasan berlebihan adalah lebih serius, yang boleh menyebabkan penguraian elektrolit dan bahan katod, serta tindak balas buruk antara elektrod dan komponen bateri lain, mengakibatkan kegagalan bateri yang dahsyat seperti kebakaran atau letupan.
Sebab pengecasan berlebihan:termasuk kegagalan pengawal pengecasan, kegagalan BMS, atau pengukuran voltan yang salah. Sebagai contoh, BMS mengimbangi bateri berdasarkan nilai voltan yang salah akhirnya boleh menyebabkan pengecasan berlebihan dan potensi pelarian haba.
Tindak balas dalaman bateri:Bergantung kepada bahan dan bahan kimia yang digunakan dalam bateri, oksigen terhasil semasa penguraian katod (bergantung kepada keadaan pengecasan dan bahan katod). Oksigen bertindak balas dengan pelarut karbon dan elektrolit, mengakibatkan pembebasan gas mudah terbakar seperti karbon monoksida, karbon dioksida dan hidrogen. Dalam kes ini, elektrod kobalt mangan nikel litium (NMC 622 dan NMC 811) dan elektrod aluminium kobalt nikel litium (NCA) menunjukkan kritikal, manakala elektrod fosfat besi litium dianggap sebagai bahan paling selamat kerana pelepasan gas karbon monoksida toksik yang rendah. Elektrolit adalah elemen bertanggungjawab utama untuk penjanaan gas dalam bateri, dan pembentukan gas dalam setiap bateri mewujudkan tekanan tinggi. Disebabkan oleh pengedap alam sekitar oleh bateri litium-ion, gas yang dihasilkan keluar, dan bersama-sama dengan cangkang logam yang stabil, tekanan gas boleh mencapai sehingga 20 bar. Dalam kejadian kegagalan yang tidak terkawal, gas ini mungkin meletup.
Peranti keselamatan:Untuk mengurangkan potensi bahaya peralatan penyimpanan tenaga, pelbagai peranti keselamatan dan mekanisme kawalan diguna pakai. Langkah keselamatan dalaman seperti peranti pekali suhu positif (PTC) dan peranti gangguan semasa (CID) digunakan pada tahap bateri, dan BMS digunakan sebagai langkah keselamatan luaran untuk memantau bateri secara berterusan pada tahap sistem. PTC meningkatkan rintangan dan mengurangkan aliran arus semasa pemanasan, manakala CID terdiri daripada cakera atas dan cakera bawah. Apabila cas berlebihan menyebabkan peningkatan tekanan, cakera atas akan bengkok dan sambungan yang dikimpal akan pecah, dengan itu memutuskan laluan semasa dengan bahan aktif. Mencetuskan CID adalah serupa dengan membuka suis di bawah beban, yang boleh menyalakan arka. Untuk bateri silinder dengan CID, voltan 18V adalah mencukupi untuk menjana arka. Dalam sambungan bersiri, satu bateri mungkin tidak mencapai nilai voltan setinggi itu, tetapi ia mungkin berlaku dalam sistem, yang boleh menyebabkan kepekatan voltan pada satu bateri, menjadikannya amat berbahaya.
Piawaian ujian:Pengesyoran Pertubuhan Bangsa-Bangsa Bersatu mengenai Pengangkutan Barang Berbahaya adalah sangat penting untuk ujian bateri, antaranya UN 38.3 T3 menentukan pelbagai keperluan ujian, termasuk ujian lebihan caj. Mengikut piawaian ini, ujian cas berlebihan adalah untuk menentukan sama ada bateri berbahaya sekiranya berlaku penyalahgunaan, dan bateri perlu dicas kepada dua kali ganda voltan pengecasan maksimum semasa ujian. Peraturan ECE PBB No. 100 ialah asas undang-undang untuk kelulusan kenderaan elektrik oleh Kesatuan Eropah, yang menerangkan ujian caj berlebihan bateri kenderaan elektrik. Manual Ujian Penyalahgunaan Sistem Penyimpanan Tenaga Elektrik FreedomCAR juga merupakan salah satu piawaian penting. Untuk ujian cas berlebihan, piawaian ini menggunakan arus pengecasan DC malar dan voltan hendaklah ditetapkan kepada dua kali voltan biasa. Piawaian ini tidak selalu memenuhi keperluan aplikasi praktikal, kerana bateri dipasang secara bersiri dalam modul dan voltan mungkin lebih tinggi, meningkatkan risiko arka apabila CID diputuskan.
3. Bahagian eksperimen
Reka bentuk eksperimen:Dalam ujian cas berlebihan, tiga bateri dengan sifat kimia yang berbeza (LFP, NMC, dan NCA) digunakan untuk analisis tingkah laku perbandingan. Sebab untuk memilih bateri ini ialah LFP mempunyai tindak balas cas berlebihan yang sederhana, elektrod NMC mempunyai kereaktifan yang lebih kuat sebagai bahan katod, dan NCA oksida membebaskan oksigen dan menyebabkan pelarian haba. Pemilihan bateri adalah berdasarkan kriteria utama, iaitu bateri harus mempunyai CID. Sebelum percubaan, sampel setiap jenis bateri dibuka dan diperiksa.
Peranti ujian:Peranti ujian termasuk litar kuasa dan litar pengukuran. Litar pengukuran termasuk modul pengukuran voltan tinggi, pengapit semasa, penderia suhu dan peralatan pemerolehan data. Litar kuasa terdiri daripada sumber voltan, penyentuh beban, dan bateri. Ujian penyalahgunaan caj berlebihan telah dijalankan di kemudahan ujian luar, dan kamera definisi tinggi dan kamera inframerah digunakan untuk merakam peristiwa.
Proses ujian:Ujian dijalankan mengikut spesifikasi ujian FreedomCAR, tetapi pada suhu operasi biasa bateri. Peralatan ujian dicaj kepada dua kali voltan terkadar, dan pengumpulan data berhenti selepas 30 minit, tanpa mengira keadaan tindak balas bateri. Tindak balas bateri telah dinilai menggunakan tahap bahaya EUCAR, membahagikan tingkah lakunya kepada lapan tahap bahaya. Tiga tahap warna telah ditakrifkan untuk mewakili tingkah laku selamat bateri, dan analisis regresi logistik binari telah dijalankan.
Parameter ujian:Jalankan sepuluh ujian pada setiap bateri pada tahap voltan 120V, 400V dan 800V, kerana kebanyakan kenderaan elektrik berada dalam julat voltan ini. Kami membandingkan situasi voltan berkadar dua kali dalam paras voltan yang lebih tinggi dan ujian cas berlebihan FreedomCar untuk memeriksa sama ada bahaya adalah berkadar dengan voltan. Menurut helaian data bateri pengeluar, tahap semasa setiap bateri telah dipilih, dengan bateri NCA dan NMC ditetapkan kepada 4A dan bateri LFP ditetapkan kepada 1.5A. Bateri dicas sehingga CID mengganggu aliran pengecasan atau ujian ditamatkan, dengan setiap ujian berlangsung selama 30 minit.
Analisis data:Perisian SPSS digunakan untuk penilaian statistik data, dengan tumpuan kepada keselamatan bateri. Regresi logistik binari digunakan untuk penilaian berdasarkan ungkapan binari "selamat" atau "tidak selamat". Penilaian statistik ujian termasuk bahagian diskret (deskriptif) dan analitikal (inferens). Ujian boleh diterangkan menggunakan tiga pembolehubah: sifat kimia (pembolehubah kategori diskret), voltan (pembolehubah skala nisbah berterusan) dan keputusan ujian (pembolehubah binari 0-1, selamat dan tidak selamat).
4. Keputusan
Klasifikasi keputusan ujian:Untuk memberikan gambaran keseluruhan data mentah, tiga kategori dengan tahap bahaya 3-5 telah ditakrifkan untuk siri ujian.
Kelakuan mencetuskan CID dengan betul:Kategori keputusan ujian pertama meringkaskan data tentang kelakuan CID yang betul (tahap bahaya 3). Semua bateri yang diuji, selepas dicas terlebih dahulu selama 10 minit, mempunyai tekanan udara dalaman yang mencukupi untuk membuka CID, menyebabkan ekzos bateri (penurunan semasa, peningkatan voltan). CID mengganggu aliran arus dengan betul dan menghalang pengecasan berlebihan bateri, diklasifikasikan sebagai keadaan keselamatan dan ditandakan sebagai tahap bahaya 3 (tingkah laku keselamatan hijau).
CID mencetuskan tingkah laku yang salah:Kategori kedua meringkaskan CID yang mencetuskan tingkah laku tidak betul, di mana CID mengganggu sebahagian aliran arus, mengakibatkan asap yang kuat dan kenaikan suhu, dan diklasifikasikan sebagai tahap bahaya keadaan tidak selamat 4 (tingkah laku tidak selamat kuning).
Kelakuan yang dicetuskan oleh ralat CID:Kategori terakhir termasuk data yang dicetuskan oleh ralat CID, di mana CID hanya boleh mengasingkan arus dan voltan secara ringkas atau sepenuhnya, dan oleh itu tidak dapat menghalang pengecasan berlebihan bateri, yang akhirnya membawa kepada pembakaran atau letupan bateri, diklasifikasikan sebagai keadaan tidak selamat tahap bahaya 5 atau lebih tinggi (merah tingkah laku tidak selamat).
5. Perbincangan
Had piawaian ujian:Mengikut piawaian ujian bateri FreedomCAR, adalah sukar untuk menolak bateri ke had selamat, iaitu, apabila dicas berlebihan pada voltan terkadar dua kali ganda, bateri tidak akan ditolak ke had yang melampau dan tidak akan menunjukkan tingkah laku berbahaya. Dalam julat voltan ini (2-5V), CID boleh memisahkan kutub positif dan negatif dengan betul tanpa menyalakan bateri. Walau bagaimanapun, piawaian ujian tidak menggambarkan penggunaan sebenar bateri litium. Dalam pasaran storan tenaga, terdapat sistem pensuisan siri bersambung yang lebih tinggi dengan voltan sehingga 800V.
Prestasi bateri dengan sifat kimia yang berbeza:Memandangkan keputusan siri ujian 120V, bateri kimia NMC dan NCA menunjukkan tingkah laku bateri kritikal yang pertama, manakala bateri kimia LFP agak selamat dan tidak mengalami pencucuhan atau kebakaran dengan tahap bahaya 5 atau lebih tinggi. Dalam ujian 400V, keadaan kritikal bateri kimia NMC dan NCA meningkat dua kali ganda berbanding ujian 120V, tetapi bateri LFP masih boleh dianggap tidak kritikal. Dalam ujian 800V, prestasi bateri NMC dan NCA adalah hampir sama, dalam peringkat pencucuhan, manakala bateri LFP menunjukkan tingkah laku utama pertama berbanding siri ujian 120V dan 400V.
Sebab tingkah laku tidak selamat:Untuk semua bateri yang dikelaskan sebagai "tidak selamat", bekalan tenaga tidak boleh dihentikan, iaitu, arus pengecasan tidak boleh diganggu, yang mungkin disebabkan oleh arka yang dijana apabila CID dicetuskan, menyebabkan arus pengecasan terus mengalir, mengakibatkan titik sentuhan kecil antara anod dan katod, membawa kepada ketumpatan arus yang tinggi. Di samping itu, jarak antara dua kenalan yang dicipta apabila CID dicetuskan adalah sangat pendek, yang juga meningkatkan voltan kerosakan dan boleh menyebabkan arcing.
6. Kesimpulan
Kekurangan piawaian semasa:Berdasarkan keputusan semua siri ujian, dapat disimpulkan bahawa piawaian semasa untuk menguji keselamatan bateri dalam sistem bateri adalah tidak mencukupi. Dalam sistem bateri bateri silinder yang disambungkan secara bersiri, pemotongan CID di bawah voltan sistem tinggi boleh menyebabkan pembentukan arka kritikal, mengakibatkan pembakaran atau letupan bateri. Oleh itu, jika bateri disambungkan secara bersiri dalam sistem bateri, ujian bateri pada dua kali voltan terkadar tidak penting untuk kelakuan selamat bateri, dan piawaian semasa mesti disemak. Adalah disyorkan bahawa ujian yang dijalankan pada tahap bateri sekurang-kurangnya mencapai tahap voltan maksimum sistem bateri yang dirancang untuk pemasangan dan operasi.
Pertimbangan untuk permohonan CID:Telah didapati bahawa pengecasan berlebihan bateri dengan voltan yang sangat tinggi meningkatkan potensi bahaya. Oleh itu, apabila sejumlah besar bateri dengan CID digunakan secara bersiri dalam sistem bateri, penggunaannya harus dipertimbangkan semula, kerana mencetuskan CID boleh membawa kepada kegagalan bateri yang membawa bencana. Penyelesaian alternatif kepada masalah ini adalah dengan mereka bentuk bateri CID yang boleh menahan voltan tinggi tersebut.