چالش شدید ولتاژ بالا: تجزیه و تحلیل عمیق و ارزیابی تاثیر کارایی دستگاه های قطع جریان باتری لیتیومی

چکیده

خطاهای اندازه‌گیری ولتاژ ممکن است باعث شارژ بیش از حد باتری‌های لیتیوم یونی شود که منجر به تشکیل گازهای داخلی و تولید گرما و در نتیجه گرمایش کنترل نشده می‌شود. برای کاهش این خطر، باتری استوانه ای به یک دستگاه قطع جریان (CID) مجهز شده است که به عنوان یک شیر کاهش فشار عمل می کند. هنگامی که فشار داخلی افزایش می یابد، CID می تواند مدار داخلی باتری را قطع کند. با این حال، این قطع اتصال باعث می شود که باتری به طور ناگهانی مقاومت بالایی پیدا کند و باعث ایجاد مشکلات جدی در باتری های سری متصل شود. در این پیکربندی، مقداری یا حتی کل ولتاژ سیستم ممکن است روی باتری قطع شده افت کند و احتمال ایجاد قوس الکتریکی را تا حد زیادی افزایش دهد. این نوع قوس ممکن است هر گاز قابل اشتعال فراری را مشتعل کند و منجر به خرابی فاجعه‌بار شود.

در مجموعه ای از آزمایشات انجام شده بر روی سه شیمیدان مختلف باتری، NMC (کبالت نیکل منگنز)، NCA (آلومینیوم نیکل کبالت)، و LFP (لیتیوم آهن فسفات)، مشخص شد که عملکرد ایمن CID در ولتاژهای بیش از سیستم نمی تواند تضمین شود. 120 ولت. اگرچه آزمایش‌های مقایسه‌ای در دو برابر ولتاژ اسمی باتری رفتار یکسانی را نشان ندادند، این یافته‌ها نشان می‌دهند که استانداردهای ایمنی فعلی که آزمایش دو برابر ولتاژ نامی را توصیه می‌کنند ممکن است به طور کامل خطرات موجود را برطرف نکنند. آزمایشات بیشتر نشان داده است که اتصال سریال بین باتری و CID ذاتاً خطرناک است، زیرا در بدترین سناریو، کل ولتاژ سیستم را می توان روی یک باتری متمرکز کرد که منجر به خرابی های احتمالی سیستم می شود.

1. مقدمه

با پیشرفت مهندسی برق و الکترونیک، زندگی مدرن به شدت به دستگاه هایی مانند گوشی های هوشمند، تبلت ها، دوچرخه های برقی، وسایل نقلیه الکتریکی، ابزارهای برقی و سیستم های ذخیره انرژی خانگی متکی است. طبق استاندارد IEC 61140، این دستگاه ها را می توان به دو سطح ولتاژ تقسیم کرد: دستگاه های زیر 60 ولت AC و 120 ولت DC و دستگاه هایی با محدوده ولتاژ تا 1000 ولت AC و 1500 ولت DC.

اولی شامل ابزارهای برقی، دوچرخه های برقی، لپ تاپ و تلفن های همراه است که به دلیل ولتاژ بسیار پایین معمولاً ایمن در نظر گرفته می شوند. دومی به عنوان تجهیزات محدوده ولتاژ پایین نیز شناخته می شود، مانند وسایل نقلیه الکتریکی با ولتاژ نامی 400 ولت DC تا 800 ولت DC. وسایل نقلیه الکتریکی و سایر کاربردها توان عملیاتی مورد نیاز را از باتری های لیتیوم یونی با حداکثر ولتاژ 4.2 ولت به دست می آورند. به طور کلی، این سطح ولتاژ برای گوشی های هوشمند کافی است، اما برای دوچرخه های برقی (36 ولت DC) و وسایل نقلیه الکتریکی (400 ولت DC)، تقریباً 10 و 96 باتری به ترتیب نیاز به اتصال سری دارند.

باتری های لیتیوم یونی به ویژه به واکنش های شارژ بیش از حد حساس هستند که می تواند منجر به تشکیل گاز در داخل باتری شود. برای اطمینان از اینکه هر باتری در محدوده صحیح کار می کند، یک سیستم مدیریت باتری (BMS) در باتری برای نظارت بر پارامترها و محدوده استفاده می شود. علاوه بر این، باتری‌های استوانه‌ای به سیستم‌های ایمنی غیرفعال مانند دستگاه‌های قطع جریان (CID) مجهز هستند که برای قطع مدارهای داخلی باتری در هنگام تشکیل گاز و افزایش فشار به دلیل واکنش‌های تجزیه در داخل باتری استفاده می‌شوند.

با توجه به قطع اتصال CID، خطر بالقوه ایجاد قوس افزایش می‌یابد و این سوال را به وجود می‌آورد که آیا باتری‌های دارای CID هنگام استفاده سری خطرناک هستند یا خیر. به عنوان مثال، یک وسیله نقلیه الکتریکی با سیستم 400 ولت ممکن است با مشکلات فنی مواجه شود که منجر به ولتاژ یک باتری بسیار بالا و بیش از دو برابر ولتاژ اسمی شود. در این مورد، آزمایش انجام شده در هنگام تایید باتری خودروی الکتریکی بی معنی است زیرا استفاده از CID در این شرایط ممکن است منجر به شرایط خطرناک شود.

برای یافتن بهترین پاسخ برای این سوال، این مقاله آزمایش‌های گسترده‌ای را در سطوح مختلف ولتاژ (120 ولت DC تا 800 ولت DC) که معمولاً در کاربردهای خودروهای الکتریکی و هیبریدی استفاده می‌شود، انجام داد.

2. پیشینه نظری

عواقب شارژ بیش از حد:شارژ بیش از حد یکی از بحرانی ترین شرایط در کاربردهای باتری است. در مقایسه با تخلیه عمیق، عواقب شارژ بیش از حد جدی‌تر است، که ممکن است منجر به تجزیه الکترولیت‌ها و مواد کاتد و همچنین واکنش‌های نامطلوب بین الکترودها و سایر اجزای باتری شود که منجر به خرابی‌های فاجعه‌بار باتری مانند آتش‌سوزی یا انفجار می‌شود.

دلایل شارژ بیش از حد:از جمله خرابی کنترلر شارژ، خرابی BMS یا اندازه گیری نادرست ولتاژ. به عنوان مثال، تعادل BMS باتری بر اساس مقادیر ولتاژ نادرست ممکن است در نهایت منجر به شارژ بیش از حد و فرار حرارتی بالقوه شود.

واکنش های داخلی باتری ها:بسته به مواد و مواد شیمیایی مورد استفاده در باتری، اکسیژن در طی تجزیه کاتد (بسته به حالت شارژ و مواد کاتد) تولید می شود. اکسیژن با کربن و حلال های الکترولیت واکنش می دهد و در نتیجه گازهای قابل اشتعال مانند مونوکسید کربن، دی اکسید کربن و هیدروژن آزاد می شود. در این مورد، الکترودهای کبالت لیتیوم نیکل منگنز (NMC 622 و NMC 811) و الکترودهای آلومینیوم کبالت نیکل لیتیوم (NCA) بحرانی بودن را نشان می دهند، در حالی که الکترودهای فسفات آهن لیتیوم به دلیل انتشار کم گاز سمی مونوکسید کربن، ایمن ترین مواد در نظر گرفته می شوند. الکترولیت عامل اصلی تولید گاز در باتری ها است و تشکیل گاز در هر باتری باعث ایجاد فشار بالا می شود. به دلیل آب بندی محیط توسط باتری های لیتیوم یون، گاز تولید شده خارج می شود و همراه با پوسته فلزی پایدار، فشار گاز تا 20 بار می رسد. در حوادث خرابی کنترل نشده، این گازها ممکن است منفجر شوند.

وسایل ایمنی:به منظور کاهش خطرات احتمالی تجهیزات ذخیره‌سازی انرژی، دستگاه‌های ایمنی و مکانیسم‌های کنترلی مختلفی اتخاذ شده‌اند. اقدامات ایمنی داخلی مانند دستگاه های ضریب دمای مثبت (PTC) و دستگاه های قطع جریان (CID) در سطح باتری استفاده می شود و BMS به عنوان یک اقدام ایمنی خارجی برای نظارت مداوم باتری در سطح سیستم استفاده می شود. PTC مقاومت را افزایش می دهد و جریان جریان را در طول گرمایش کاهش می دهد، در حالی که CID از یک دیسک بالا و یک دیسک پایین تشکیل شده است. هنگامی که شارژ بیش از حد باعث افزایش فشار شود، دیسک بالایی خم می شود و اتصال جوش داده شده شکسته می شود و در نتیجه مسیر جریان با ماده فعال قطع می شود. راه اندازی CID شبیه باز کردن یک سوئیچ تحت بار است که ممکن است یک قوس را مشتعل کند. برای باتری های استوانه ای با CID، ولتاژ 18 ولت برای ایجاد قوس کافی است. در یک اتصال سری، ممکن است یک باتری منفرد به چنین مقدار ولتاژ بالایی نرسد، اما ممکن است در سیستم رخ دهد که می تواند باعث تمرکز ولتاژ در یک باتری شود و آن را به ویژه خطرناک کند.

استانداردهای تست:توصیه های سازمان ملل متحد در مورد حمل و نقل کالاهای خطرناک برای آزمایش باتری بسیار مهم است، از جمله UN 38.3 T3 الزامات آزمایشی متعدد، از جمله تست شارژ بیش از حد را مشخص می کند. بر اساس این استاندارد، تست شارژ بیش از حد برای تعیین خطرناک بودن باتری در صورت سوء استفاده است و باتری باید در حین آزمایش تا دو برابر حداکثر ولتاژ شارژ شارژ شود. مقررات UN ECE شماره 100 مبنای قانونی برای تایید خودروهای برقی توسط اتحادیه اروپا است که تست شارژ بیش از حد باتری خودروهای الکتریکی را تشریح می کند. راهنمای تست سوء استفاده از سیستم ذخیره انرژی الکتریکی FreedomCAR نیز یکی از استانداردهای مهم است. برای تست اضافه شارژ، این استاندارد از یک جریان شارژ ثابت DC استفاده می کند و ولتاژ باید دو برابر ولتاژ معمولی تنظیم شود. این استانداردها همیشه الزامات کاربردهای عملی را برآورده نمی کنند، زیرا باتری ها به صورت سری در ماژول ها نصب می شوند و ولتاژ ممکن است بالاتر باشد و خطر ایجاد قوس در هنگام قطع شدن CID را افزایش می دهد.

3. بخش تجربی

طراحی آزمایشی:در آزمایش شارژ بیش از حد، از سه باتری با خواص شیمیایی مختلف (LFP، NMC و NCA) برای تجزیه و تحلیل رفتار مقایسه ای استفاده شد. دلیل انتخاب این باتری ها این است که LFP واکنش اضافه شارژ خفیف دارد، الکترود NMC واکنش پذیری قوی تری به عنوان ماده کاتدی دارد و اکسید NCA اکسیژن آزاد می کند و باعث فرار حرارتی می شود. انتخاب باتری ها بر اساس معیار اصلی است که باتری ها باید دارای CID باشند. قبل از آزمایش، نمونه‌هایی از هر نوع باتری باز شده و مورد بازرسی قرار گرفت.

دستگاه تست:دستگاه تست شامل یک مدار قدرت و یک مدار اندازه گیری است. مدار اندازه گیری شامل یک ماژول اندازه گیری ولتاژ بالا، گیره جریان، سنسور دما و تجهیزات جمع آوری داده است. مدار تغذیه از یک منبع ولتاژ، یک کنتاکتور بار و یک باتری تشکیل شده است. آزمایش سوء استفاده از شارژ اضافی در مراکز آزمایش در فضای باز انجام شد و از دوربین‌های با وضوح بالا و دوربین‌های مادون قرمز برای ضبط رویدادها استفاده شد.

فرآیند تست:آزمایش مطابق با مشخصات تست FreedomCAR، اما در دمای کارکرد معمولی باتری انجام می شود. تجهیزات تست تا دو برابر ولتاژ نامی شارژ می‌شوند و جمع‌آوری داده‌ها پس از 30 دقیقه متوقف می‌شود، بدون توجه به وضعیت واکنش باتری. واکنش باتری با استفاده از سطح خطر EUCAR ارزیابی شد و رفتار آن را به هشت سطح خطر تقسیم کرد. سه سطح رنگ برای نشان دادن رفتار ایمن باتری تعریف شد و تجزیه و تحلیل رگرسیون لجستیک باینری انجام شد.

پارامترهای تست:ده تست روی هر باتری در سطوح ولتاژ 120 ولت، 400 ولت و 800 ولت انجام دهید، زیرا اکثر خودروهای الکتریکی در این محدوده ولتاژ قرار دارند. ما وضعیت ولتاژ نامی دو برابر در سطوح ولتاژ بالاتر و تست‌های شارژ بیش از حد FreedomCar را برای بررسی اینکه آیا خطر متناسب با ولتاژ است، مقایسه کردیم. با توجه به برگه اطلاعات باتری سازنده، سطح فعلی هر باتری انتخاب شد که باتری های NCA و NMC روی 4A و باتری های LFP روی 1.5A تنظیم شده اند. باتری شارژ می شود تا زمانی که CID جریان شارژ را قطع کند یا آزمایش خاتمه یابد و هر آزمایش 30 دقیقه طول بکشد.

تجزیه و تحلیل داده ها:نرم افزار SPSS برای ارزیابی آماری داده ها با تمرکز بر ایمنی باتری ها استفاده می شود. رگرسیون لجستیک باینری برای ارزیابی بر اساس عبارات دودویی "ایمن" یا "ناامن" استفاده می شود. ارزیابی آماری آزمون شامل بخش های گسسته (توصیفی) و تحلیلی (استنباطی) است. آزمایش را می توان با استفاده از سه متغیر توصیف کرد: خواص شیمیایی (متغیرهای طبقه بندی گسسته)، ولتاژ (متغیرهای مقیاس بندی نسبت پیوسته)، و نتایج آزمایش (متغیرهای باینری 0-1، ایمن و ناایمن).

4. نتایج

طبقه بندی نتایج آزمایش:به منظور ارائه نمای کلی از داده های خام، سه دسته با سطح خطر 3-5 برای سری آزمایشی تعریف شده است.

رفتار راه اندازی صحیح CID:اولین دسته نتیجه آزمایش، داده های مربوط به رفتار صحیح CID (سطح خطر 3) را خلاصه می کند. تمام باتری های آزمایش شده، پس از 10 دقیقه شارژ بیش از حد، دارای فشار هوای داخلی برای باز کردن CID بودند که باعث تخلیه باتری (افت جریان، افزایش ولتاژ) می شد. CID به درستی جریان جریان را قطع کرد و از شارژ بیش از حد باتری جلوگیری کرد که به عنوان یک شرایط ایمنی طبقه بندی شده و به عنوان سطح خطر 3 (رفتار ایمنی سبز) علامت گذاری شد.

CID باعث رفتار نادرست شد:دسته دوم رفتار نادرست ناشی از CID را خلاصه می کند، که در آن CID تا حدی جریان جریان را قطع می کند که منجر به دود شدید و افزایش دما می شود، و به عنوان خطر شرایط ناامن سطح 4 (رفتار ناامن زرد رنگ) طبقه بندی می شود.

رفتار ناشی از خطاهای CID:آخرین دسته شامل داده‌هایی است که توسط خطاهای CID ایجاد می‌شوند، که در آن CID فقط می‌تواند به طور خلاصه یا کاملاً جریان و ولتاژ را از هم جدا کند، و بنابراین نمی‌تواند از شارژ بیش از حد باتری جلوگیری کند، که در نهایت منجر به احتراق یا انفجار باتری می‌شود، که به عنوان شرایط ناامن سطح خطر 5 یا بالاتر طبقه‌بندی می‌شود (قرمز رفتار ناامن).
 

5. بحث

محدودیت های استانداردهای تست:با توجه به استانداردهای تست باتری FreedomCAR، فشار دادن باتری به حد ایمن دشوار است، یعنی زمانی که با دو برابر ولتاژ نامی بیش از حد شارژ شود، باتری به محدودیت های شدید فشار داده نمی شود و رفتار خطرناکی از خود نشان نمی دهد. در این محدوده ولتاژ (2-5V)، CID می‌تواند به درستی قطب مثبت و منفی را بدون احتراق باتری جدا کند. با این حال، استانداردهای آزمایش استفاده واقعی از باتری های لیتیومی را منعکس نمی کند. در بازار ذخیره انرژی، سیستم های سوئیچینگ سری به هم پیوسته بالاتر با ولتاژ تا 800 ولت وجود دارد.

عملکرد باتری های با خواص شیمیایی مختلف:با توجه به نتایج سری آزمایش 120 ولت، باتری های شیمیایی NMC و NCA اولین رفتار حیاتی باتری را نشان دادند، در حالی که باتری های شیمیایی LFP نسبتاً ایمن بودند و احتراق یا آتش سوزی با سطح خطر 5 یا بالاتر را تجربه نکردند. در آزمایش 400 ولت، شرایط بحرانی باتری‌های شیمی NMC و NCA در مقایسه با آزمایش 120 ولت دو برابر شد، اما باتری‌های LFP همچنان می‌توانند غیر بحرانی در نظر گرفته شوند. در تست 800 ولت، عملکرد باتری های NMC و NCA در مرحله احتراق تقریباً یکسان بود، در حالی که باتری های LFP اولین رفتار کلیدی را در مقایسه با سری های آزمایشی 120 ولت و 400 ولت نشان دادند.

دلایل رفتار ناایمن:برای تمام باتری‌هایی که به‌عنوان «ناامن» طبقه‌بندی می‌شوند، منبع انرژی را نمی‌توان متوقف کرد، یعنی جریان شارژ را نمی‌توان قطع کرد، که ممکن است به دلیل قوس ایجاد شده در هنگام فعال شدن CID باشد که باعث می‌شود جریان شارژ به جریان خود ادامه دهد و در نتیجه جریان شارژ ایجاد شود. نقطه تماس کوچک بین آند و کاتد که منجر به چگالی جریان بالا می شود. علاوه بر این، فاصله بین دو کنتاکت ایجاد شده در هنگام فعال شدن CID بسیار کوتاه است، که همچنین ولتاژ شکست را افزایش می دهد و ممکن است باعث ایجاد قوس شود.

6. نتیجه گیری

کاستی های استانداردهای فعلی:بر اساس نتایج تمام سری های آزمایشی، می توان نتیجه گرفت که استانداردهای فعلی برای تست ایمنی باتری در سیستم های باتری ناکافی است. در سیستم باتری باتری‌های استوانه‌ای متصل به صورت سری، قطع شدن CID تحت ولتاژ بالای سیستم ممکن است منجر به تشکیل قوس‌های بحرانی شود که منجر به احتراق یا انفجار باتری می‌شود. بنابراین، اگر باتری ها به صورت سری در سیستم باتری متصل شوند، تست باتری در دو برابر ولتاژ نامی برای رفتار ایمن باتری ها مهم نیست و استانداردهای فعلی باید بازنگری شوند. توصیه می شود که آزمایش انجام شده در سطح باتری باید حداقل به حداکثر سطح ولتاژ سیستم باتری برنامه ریزی شده برای نصب و راه اندازی برسد.

در نظر گرفتن درخواست CID:مشخص شده است که شارژ بیش از حد باتری با ولتاژ بسیار بالا احتمال خطر را افزایش می دهد. بنابراین، هنگامی که تعداد زیادی باتری با CID به صورت سری در سیستم باتری استفاده می شود، کاربرد آنها باید تجدید نظر شود، زیرا باعث می شود CID ممکن است منجر به خرابی فاجعه بار باتری شود. راه حل جایگزین برای این مشکل، طراحی یک باتری CID است که بتواند چنین ولتاژ بالایی را تحمل کند.