Ágrip
Spennumælingarvillur geta valdið ofhleðslu á litíumjónarafhlöðum, sem leiðir til myndun innri lofttegunda og hitamyndun, sem leiðir til stjórnlausrar upphitunar. Til að draga úr þessari hættu er sívalur rafgeymirinn búinn straumrofsbúnaði (CID), sem virkar sem þrýstiloki. Þegar innri þrýstingur hækkar getur CID aftengt innri hringrás rafhlöðunnar. Hins vegar veldur þetta sambandsleysi að rafhlaðan verður skyndilega há í viðnám, sem veldur alvarlegum vandamálum í raðtengdum rafhlöðum. Í þessari uppsetningu getur einhver eða jafnvel öll kerfisspenna fallið á ótengdu rafhlöðunni, sem eykur verulega möguleikann á ljósboga. Þessi tegund af ljósboga getur kveikt í hvers kyns eldfimu gasi sem sleppur út, sem leiðir til skelfilegrar bilunar.
Í röð prófana sem gerðar voru á þremur mismunandi rafhlöðuefnafræðingum, NMC (nikkel mangan kóbalt), NCA (nikkel kóbalt ál) og LFP (litíum járn fosfat), kom í ljós að ekki er hægt að tryggja örugga notkun CID við kerfisspennu sem er hærri en 120V. Þrátt fyrir að samanburðarprófanir við tvöfalda nafnspennu rafhlöðunnar hafi ekki sýnt sömu hegðun, benda þessar niðurstöður til þess að núverandi öryggisstaðlar sem mæla með prófun við tvöfalda nafnspennu gætu ekki tekið að fullu á áhættunni sem fylgir því. Frekari prófanir hafa sýnt að raðtengingin milli rafhlöðunnar og CID er í eðli sínu hættuleg, þar sem í versta tilfelli er hægt að einbeita allri kerfisspennu á eina rafhlöðu, sem leiðir til hugsanlegra kerfisbilana.
1. Inngangur
Með framfarir rafmagns- og rafeindaverkfræði byggir nútímalíf mjög á tækjum eins og snjallsímum, spjaldtölvum, rafhjólum, rafknúnum farartækjum, rafmagnsverkfærum og orkugeymslukerfi heima. Samkvæmt IEC 61140 staðlinum er hægt að skipta þessum tækjum í tvö spennustig: tæki undir 60V AC og 120V DC og tæki með spennusvið allt að 1000V AC og 1500V DC.
Hið fyrrnefnda felur í sér rafmagnsverkfæri, rafmagnshjól, fartölvur og farsíma, sem venjulega eru taldir öruggir vegna afar lágrar spennu. Hið síðarnefnda er einnig þekkt sem lágspennusviðsbúnaður, svo sem rafknúin ökutæki með nafnspennu 400V DC til 800V DC. Rafknúin farartæki og önnur forrit fá nauðsynlegan rekstrarafl frá litíumjónarafhlöðum, með hámarksspennu 4,2V. Almennt séð er þetta spennustig nægilegt fyrir snjallsíma, en fyrir rafmagnshjól (36V DC) og rafknúin farartæki (400V DC) þarf að tengja um það bil 10 og 96 rafhlöður í röð í röð.
Lithium ion rafhlöður eru sérstaklega viðkvæmar fyrir ofhleðsluviðbrögðum sem geta leitt til gasmyndunar inni í rafhlöðunni. Til að tryggja að hver rafhlaða virki innan rétts bils er rafhlöðustjórnunarkerfi (BMS) notað í rafhlöðunni til að fylgjast með breytum og sviðum. Að auki eru sívalur rafhlöður búnar óvirkum öryggiskerfum eins og straumrofsbúnaði (CID), sem eru notuð til að aftengja innri hringrás rafhlöðunnar þegar gasmyndun og þrýstingsaukning á sér stað vegna niðurbrotsviðbragða inni í rafhlöðunni.
Vegna aftengingar CID eykst hugsanleg hætta á ljósboga, sem leiðir til spurningar um hvort rafhlöður með CID séu hættulegar þegar þær eru notaðar í röð. Til dæmis getur rafknúið ökutæki með 400V kerfi lent í tæknilegum vandamálum sem leiða til þess að ein rafhlaðaspenna er mjög há og fer yfir tvöfalda nafnspennu. Í þessu tilviki eru prófin sem gerðar eru við samþykki rafgeymisins tilgangslausar vegna þess að notkun CID í þessum aðstæðum getur leitt til hættulegra aðstæðna.
Til að finna besta svarið við þessari spurningu framkvæmdi þessi grein umfangsmiklar prófanir á mismunandi spennustigum (120V DC til 800V DC) sem almennt er notað í rafknúnum og tvinnbílum.
2. Fræðilegur bakgrunnur
Afleiðingar ofhleðslu:Ofhleðsla er ein af mikilvægustu aðstæðum í rafhlöðuforritum. Í samanburði við djúphleðslu eru afleiðingar ofhleðslu alvarlegri, sem getur leitt til niðurbrots raflausna og bakskautsefna, auk skaðlegra viðbragða milli rafskauta og annarra rafhlöðuíhluta, sem leiðir til skelfilegrar rafhlöðubilunar eins og eldsvoða eða sprenginga.
Ástæður fyrir ofhleðslu:þ.mt bilun í hleðslustýringu, BMS bilun eða röng spennumæling. Til dæmis getur BMS jafnvægi á rafhlöðunni byggt á röngum spennugildum að lokum leitt til ofhleðslu og hugsanlegrar hitauppstreymis.
Innri viðbrögð rafhlöðu:Það fer eftir efnum og efnum sem notuð eru í rafhlöðunni, súrefni er framleitt við niðurbrot bakskauts (fer eftir hleðsluástandi og bakskautsefni). Súrefni hvarfast við kolefnis- og raflausnleysi, sem leiðir til losunar eldfimra lofttegunda eins og kolmónoxíðs, koltvísýrings og vetnis. Í þessu tilviki sýna litíum nikkel mangan kóbalt rafskaut (NMC 622 og NMC 811) og litíum nikkel kóbalt ál rafskaut (NCA) mikilvægi, en litíum járn fosfat rafskaut eru talin öruggustu efnin vegna lítillar losunar á eitruðu kolmónoxíð gasi. Raflausn er aðalábyrgur þátturinn í gasmyndun í rafhlöðum og gasmyndun í hverri rafhlöðu veldur háþrýstingi. Vegna þéttingar umhverfisins með litíumjónarafhlöðum sleppur gasið sem myndast og ásamt stöðugri málmskelinni getur gasþrýstingurinn náð allt að 20 börum. Í óviðráðanlegum bilunartilvikum geta þessar lofttegundir sprungið.
Öryggisbúnaður:Til að draga úr hugsanlegri hættu af orkugeymslubúnaði eru ýmis öryggistæki og stjórntæki tekin upp. Innri öryggisráðstafanir eins og jákvæð hitastuðull (PTC) tæki og straumrofstæki (CID) eru notuð á rafhlöðustigi og BMS er notað sem ytri öryggisráðstöfun til að fylgjast stöðugt með rafhlöðunni á kerfisstigi. PTC eykur viðnám og dregur úr straumflæði við hitun, en CID samanstendur af efsta diski og neðri diski. Þegar ofhleðsla veldur aukningu á þrýstingi mun efsti diskurinn beygjast og soðnu samskeytin brotna og þar með aftengjast straumleiðin við virka efnið. Að kveikja á CID er svipað og að opna rofa undir álagi, sem getur kveikt í boga. Fyrir sívalar rafhlöður með CID nægir 18V spenna til að mynda boga. Í raðtengingu getur verið að ein rafhlaða nái ekki svo háu spennugildi, en það getur komið upp í kerfinu sem getur valdið spennustyrk á einni rafhlöðu, sem gerir það sérstaklega hættulegt.
Prófunarstaðlar:Ráðleggingar Sameinuðu þjóðanna um flutning á hættulegum varningi eru mjög mikilvægar fyrir rafhlöðuprófanir, þar á meðal UN 38.3 T3 tilgreinir margar prófunarkröfur, þar á meðal ofhleðsluprófanir. Samkvæmt þessum staðli er ofhleðsluprófið til að ákvarða hvort rafhlaðan sé hættuleg ef um misnotkun er að ræða og skal hlaða rafhlöðuna í tvöfalda hámarkshleðsluspennu meðan á prófuninni stendur. UN ECE reglugerð nr. 100 er lagagrundvöllur fyrir samþykki Evrópusambandsins á rafknúnum ökutækjum, sem lýsir ofhleðsluprófun rafgeyma rafgeyma. FreedomCAR raforkugeymslukerfi misnotkunarprófunarhandbók er einnig einn af mikilvægu stöðlunum. Fyrir ofhleðsluprófun notar þessi staðall stöðugan DC hleðslustraum og spennan ætti að vera stillt á tvöfalda venjulega spennu. Þessir staðlar uppfylla ekki alltaf kröfur um hagnýt notkun, þar sem rafhlöðurnar eru settar í röð í einingum og spennan getur verið hærri, sem eykur hættuna á ljósboga þegar CID er aftengt.
3. Tilraunakafli
Tilraunahönnun:Í ofhleðsluprófinu voru þrjár rafhlöður með mismunandi efnafræðilega eiginleika (LFP, NMC og NCA) notaðar til samanburðaratferlisgreiningar. Ástæðan fyrir því að velja þessar rafhlöður er sú að LFP hefur væg yfirhleðsluviðbrögð, NMC rafskaut hefur sterkari hvarfgirni sem bakskautsefni og NCA oxíð losar súrefni og veldur hitauppstreymi. Val á rafhlöðum byggist á meginviðmiðunum, sem er að rafhlöðurnar eigi að vera með CID. Fyrir tilraunina voru sýni af hverri rafhlöðutegund opnuð og skoðuð.
Prófunartæki:Prófunarbúnaðurinn inniheldur aflrás og mælirás. Mælirásin inniheldur háspennu mælieiningu, straumklemma, hitaskynjara og gagnaöflunarbúnað. Aflrásin samanstendur af spennugjafa, álagssnertibúnaði og rafhlöðu. Ofnotkunarprófið var framkvæmt í prófunaraðstöðu utandyra og háskerpumyndavélar og innrauðar myndavélar voru notaðar til að skrá atburðina.
Prófunarferli:Prófunin fer fram í samræmi við FreedomCAR prófunarforskriftina, en við venjulegt hitastig rafhlöðunnar. Prófunarbúnaðurinn er hlaðinn í tvöfalda málspennu og gagnasöfnun hættir eftir 30 mínútur, óháð viðbragðsstöðu rafhlöðunnar. Viðbrögð rafhlöðunnar voru metin með því að nota EUCAR hættustigið, hegðun hennar var skipt í átta hættustig. Þrjú litastig voru skilgreind til að tákna örugga hegðun rafhlöðunnar og tvöfaldur aðhvarfsgreining var gerð.
Prófunarfæribreytur:Gerðu tíu prófanir á hverri rafhlöðu við spennustig 120V, 400V og 800V, þar sem flest rafknúin farartæki eru innan þessara spennumarka. Við bárum saman stöðu tvöfaldrar spennu í hærri spennustigum og FreedomCar ofhleðsluprófa til að athuga hvort hættan sé í réttu hlutfalli við spennuna. Samkvæmt rafhlöðuupplýsingablaði framleiðanda var núverandi styrkur hverrar rafhlöðu valinn, með NCA og NMC rafhlöður stilltar á 4A og LFP rafhlöður stilltar á 1,5A. Rafhlaðan er hlaðin þar til CID truflar hleðsluflæðið eða prófinu er hætt, þar sem hver prófun stendur yfir í 30 mínútur.
Gagnagreining:SPSS hugbúnaður er notaður til tölfræðilegs mats á gögnum, með áherslu á öryggi rafhlaðna. Tvöfaldur flutningsaðhvarf er notuð til að meta á grundvelli tvöfaldra tjáninga „öruggt“ eða „óöruggt“. Tölfræðilegt mat á prófinu inniheldur staka (lýsandi) og greinandi (ályktunar) hluta. Prófinu er hægt að lýsa með því að nota þrjár breytur: efnafræðilega eiginleika (aðskildar flokkabreytur), spennu (stærð hlutfallsstærðarbreytur) og prófunarniðurstöður (tvíundar 0-1 breytur, örugg og óörugg).
4. Úrslit
Flokkun prófniðurstaðna:Til þess að veita yfirsýn yfir hrágögnin hafa þrír flokkar með hættumörkum 3-5 verið skilgreindir fyrir prófunarröðina.
Hegðun þess að kveikja rétt á CID:Fyrsti prófniðurstöðuflokkurinn tekur saman gögnin um rétta hegðun CID (hættustig 3). Allar prófaðar rafhlöður, eftir að hafa verið ofhlaðnar í 10 mínútur, höfðu innri loftþrýsting sem nægði til að opna CID, sem olli útblástur rafhlöðunnar (straumfall, spennuhækkun). CID truflaði straumflæði á réttan hátt og kom í veg fyrir frekari ofhleðslu rafhlöðunnar, flokkað sem öryggisástand og merkt sem hættustig 3 (græn öryggishegðun).
CID kallaði fram ranga hegðun:Annar flokkurinn tekur saman ranga hegðun af völdum CID, þar sem CID truflar straumflæði að hluta, sem leiðir til mikillar reyks og hitastigshækkana, og er flokkað sem hættustig 4 fyrir óörugg ástand (gul óörugg hegðun).
Hegðun af stað af CID villum:Síðasti flokkurinn inniheldur gögn sem koma af stað af CID villum, þar sem CID getur aðeins stutt eða alveg aðskilið straum og spennu og getur því ekki komið í veg fyrir ofhleðslu rafhlöðunnar, sem að lokum leiðir til rafhlöðubrennslu eða sprengingar, flokkað sem hættulegt ástand af hættustigi 5 eða hærra (rautt óörugg hegðun).
5. Umræður
Takmarkanir á prófunarstöðlum:Samkvæmt rafhlöðuprófunarstöðlum FreedomCAR er erfitt að ýta rafhlöðunni að öryggismörkum, það er að segja að þegar hún er ofhlaðin við tvöfalda nafnspennu mun rafhlaðan ekki ýta í öfgamörk og mun ekki sýna hættulega hegðun. Innan þessa spennusviðs (2-5V) getur CID aðskilið jákvæða og neikvæða pólinn rétt án þess að kveikja í rafhlöðunni. Hins vegar endurspegla prófunarstaðlarnir ekki raunverulega notkun á litíum rafhlöðum. Á orkugeymslumarkaði eru hærri samtengd röð rofakerfi með spennu allt að 800V.
Afköst rafhlaðna með mismunandi efnafræðilega eiginleika:Miðað við niðurstöður 120V prófunarröðarinnar sýndu NMC og NCA efnarafhlöður fyrstu mikilvægu rafhlöðuhegðunina, en LFP efnarafhlöður voru tiltölulega öruggar og fundu ekki fyrir íkveikju eða eldi með hættustigi 5 eða hærra. Í 400V prófinu tvöfölduðust mikilvæg skilyrði NMC og NCA efna rafhlöður samanborið við 120V prófið, en LFP rafhlöður geta samt talist ekki mikilvægar. Í 800V prófinu var frammistaða NMC og NCA rafhlaðna nánast sú sama, á kveikjustigi, en LFP rafhlöður sýndu fyrstu lykilhegðunina samanborið við 120V og 400V prófunarröðina.
Ástæður fyrir óöruggri hegðun:Fyrir allar rafhlöður sem eru flokkaðar sem „óöruggar“ er ekki hægt að stöðva orkuveituna, það er að segja að ekki er hægt að rjúfa hleðslustrauminn, sem gæti stafað af ljósboganum sem myndast þegar CID er ræst, sem veldur því að hleðslustraumurinn heldur áfram að flæða, sem leiðir til lítill snertipunktur milli rafskautsins og bakskautsins, sem leiðir til mikillar straumþéttleika. Að auki er fjarlægðin milli tengiliðanna tveggja sem myndast þegar CID er ræst mjög stutt, sem eykur einnig niðurbrotsspennuna og getur valdið ljósboga.
6. Niðurstaða
Gallar núverandi staðla:Byggt á niðurstöðum allra prófunarraðanna má álykta að núverandi staðlar til að prófa rafhlöðuöryggi í rafhlöðukerfum séu ófullnægjandi. Í rafhlöðukerfi sívalurra rafhlaðna sem eru tengdir í röð getur aftenging CID við háa kerfisspennu leitt til myndun mikilvægra ljósboga, sem leiðir til bruna eða sprengingar rafhlöðunnar. Þess vegna, ef rafhlöðurnar eru tengdar í röð í rafhlöðukerfinu, er rafhlaðaprófun við tvöfalda málspennu ekki mikilvæg fyrir örugga hegðun rafhlöðanna og þarf að endurskoða núverandi staðla. Mælt er með því að prófanir sem gerðar eru á rafhlöðustigi nái að minnsta kosti hámarksspennustigi rafhlöðukerfisins sem fyrirhuguð er fyrir uppsetningu og notkun.
Íhugun fyrir CID umsókn:Það hefur komið í ljós að ofhleðsla rafhlöðunnar með mjög mikilli spennu eykur hættu á hættu. Þess vegna, þegar mikill fjöldi rafhlöður með CID er notaður í röð í rafhlöðukerfinu, ætti að endurskoða notkun þeirra, þar sem virkjun CID getur leitt til skelfilegrar rafhlöðubilunar. Önnur lausn á þessu vandamáli er að hanna CID rafhlöðu sem þolir svo mikla spennu.