Abstrakt
Fehler bei der Spannungsmessung können zu einer Überladung von Lithium-Ionen-Batterien führen, was zur Bildung interner Gase und Wärmeentwicklung und damit zu einer unkontrollierten Erwärmung führt. Um dieses Risiko zu verringern, ist die zylindrische Batterie mit einer Stromunterbrechungseinrichtung (CID) ausgestattet, die als Überdruckventil fungiert. Wenn der Innendruck ansteigt, kann der CID den internen Stromkreis der Batterie trennen. Diese Trennung führt jedoch dazu, dass die Batterie plötzlich einen hohen Widerstand aufweist, was bei in Reihe geschalteten Batterien zu ernsthaften Problemen führt. In dieser Konfiguration kann ein Teil oder sogar die gesamte Systemspannung an der abgeklemmten Batterie abfallen, was die Möglichkeit einer Lichtbogenbildung erheblich erhöht. Diese Art von Lichtbogen kann austretendes brennbares Gas entzünden und zu einem katastrophalen Ausfall führen.
In einer Reihe von Tests, die an drei verschiedenen Batteriechemikalien, NMC (Nickel-Mangan-Kobalt), NCA (Nickel-Kobalt-Aluminium) und LFP (Lithium-Eisen-Phosphat), durchgeführt wurden, wurde festgestellt, dass der sichere Betrieb von CID bei Systemspannungen von mehr als 100 % nicht gewährleistet werden kann 120V. Obwohl Vergleichstests bei der doppelten Nennspannung der Batterie nicht das gleiche Verhalten zeigten, deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass aktuelle Sicherheitsstandards, die Tests bei der doppelten Nennspannung empfehlen, die damit verbundenen Risiken möglicherweise nicht vollständig berücksichtigen. Weitere Tests haben gezeigt, dass die serielle Verbindung zwischen Batterie und CID grundsätzlich gefährlich ist, da sich im schlimmsten Fall die gesamte Systemspannung auf eine einzige Batterie konzentrieren kann, was zu möglichen Systemausfällen führen kann.
1. Einführung
Mit der Weiterentwicklung der Elektro- und Elektroniktechnik ist das moderne Leben stark auf Geräte wie Smartphones, Tablets, Elektrofahrräder, Elektrofahrzeuge, Elektrowerkzeuge und Energiespeichersysteme für Privathaushalte angewiesen. Nach der Norm IEC 61140 lassen sich diese Geräte in zwei Spannungsebenen einteilen: Geräte unter 60 V AC und 120 V DC sowie Geräte mit Spannungsbereichen bis 1000 V AC und 1500 V DC.
Zu ersteren zählen Elektrowerkzeuge, Elektrofahrräder, Laptops und Mobiltelefone, die aufgrund ihrer extrem niedrigen Spannung normalerweise als sicher gelten. Letztere werden auch als Niederspannungsgeräte bezeichnet, beispielsweise Elektrofahrzeuge mit einer Nennspannung von 400 V DC bis 800 V DC. Elektrofahrzeuge und andere Anwendungen beziehen den benötigten Betriebsstrom aus Lithium-Ionen-Batterien mit einer maximalen Spannung von 4,2 V. Im Allgemeinen ist diese Spannungsebene für Smartphones ausreichend, für Elektrofahrräder (36 V DC) und Elektrofahrzeuge (400 V DC) müssen jedoch etwa 10 bzw. 96 Batterien in Reihe geschaltet werden.
Lithium-Ionen-Akkus reagieren besonders empfindlich auf Überladereaktionen, die zur Gasbildung im Akkuinneren führen können. Um sicherzustellen, dass jede Batterie innerhalb der richtigen Reichweite arbeitet, wird in der Batterie ein Batteriemanagementsystem (BMS) zur Überwachung von Parametern und Reichweiten eingesetzt. Darüber hinaus sind zylindrische Batterien mit passiven Sicherheitssystemen wie Stromunterbrechungsgeräten (CIDs) ausgestattet, die dazu dienen, die internen Schaltkreise der Batterie zu trennen, wenn es aufgrund von Zersetzungsreaktionen innerhalb der Batterie zu Gasbildung und Druckanstieg kommt.
Aufgrund der Abschaltung des CID steigt das potenzielle Risiko einer Lichtbogenbildung, was zu der Frage führt, ob Batterien mit CID gefährlich sind, wenn sie in Reihe verwendet werden. Beispielsweise können bei einem Elektrofahrzeug mit einem 400-V-System technische Probleme auftreten, die dazu führen, dass die Spannung einer einzelnen Batterie sehr hoch ist und das Doppelte der Nennspannung überschreitet. In diesem Fall sind die bei der Zulassung der Elektrofahrzeugbatterie durchgeführten Tests bedeutungslos, da der Einsatz von CID in dieser Situation zu gefährlichen Situationen führen kann.
Um die beste Antwort auf diese Frage zu finden, wurden in diesem Artikel umfangreiche Tests bei verschiedenen Spannungsniveaus (120 V DC bis 800 V DC) durchgeführt, die üblicherweise in Elektro- und Hybridfahrzeuganwendungen verwendet werden.
2. Theoretischer Hintergrund
Die Folgen einer Überladung:Überladung ist eine der kritischsten Situationen bei Batterieanwendungen. Im Vergleich zur Tiefentladung sind die Folgen einer Überladung gravierender. Sie kann zur Zersetzung von Elektrolyten und Kathodenmaterialien sowie zu unerwünschten Reaktionen zwischen Elektroden und anderen Batteriekomponenten führen, was zu katastrophalen Batterieausfällen wie Bränden oder Explosionen führen kann.
Gründe für eine Überladung:einschließlich Ladereglerfehler, BMS-Fehler oder falsche Spannungsmessung. Wenn beispielsweise das BMS die Batterie anhand falscher Spannungswerte ausgleicht, kann dies letztendlich zu einer Überladung und einem möglichen thermischen Durchgehen führen.
Interne Reaktionen von Batterien:Abhängig von den in der Batterie verwendeten Materialien und Chemikalien entsteht bei der Kathodenzersetzung Sauerstoff (je nach Ladezustand und Kathodenmaterial). Sauerstoff reagiert mit Kohlenstoff und Elektrolytlösungsmitteln, was zur Freisetzung brennbarer Gase wie Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasserstoff führt. In diesem Fall erweisen sich Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Elektroden (NMC 622 und NMC 811) und Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Elektroden (NCA) als kritisch, während Lithium-Eisenphosphat-Elektroden aufgrund ihrer geringen Freisetzung von giftigem Kohlenmonoxidgas als die sichersten Materialien gelten. Elektrolyt ist das Hauptverantwortliche für die Gaserzeugung in Batterien, und die Gasbildung in jeder Batterie erzeugt einen hohen Druck. Durch die Abdichtung der Umgebung durch Lithium-Ionen-Batterien entweicht das entstehende Gas und zusammen mit der stabilen Metallhülle kann der Gasdruck bis zu 20 bar erreichen. Bei unkontrollierten Fehlerereignissen können diese Gase explodieren.
Sicherheitseinrichtungen:Um die potenziellen Gefahren von Energiespeichergeräten zu verringern, werden verschiedene Sicherheitsvorrichtungen und Kontrollmechanismen eingesetzt. Interne Sicherheitsmaßnahmen wie Geräte mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) und Stromunterbrechungsgeräte (CID) werden auf Batterieebene verwendet, und BMS wird als externe Sicherheitsmaßnahme verwendet, um die Batterie auf Systemebene kontinuierlich zu überwachen. PTC erhöht den Widerstand und reduziert den Stromfluss beim Erhitzen, während CID aus einer oberen und einer unteren Scheibe besteht. Wenn eine Überladung zu einem Druckanstieg führt, verbiegt sich die obere Scheibe und die Schweißverbindung bricht, wodurch der Strompfad mit dem aktiven Material unterbrochen wird. Das Auslösen von CID ähnelt dem Öffnen eines Schalters unter Last, wodurch ein Lichtbogen gezündet werden kann. Bei zylindrischen Batterien mit CID reicht eine Spannung von 18 V aus, um einen Lichtbogen zu erzeugen. Bei einer Reihenschaltung kann es vorkommen, dass eine einzelne Batterie einen so hohen Spannungswert nicht erreicht, im System kann es jedoch zu Spannungskonzentrationen auf einer Batterie kommen, die besonders gefährlich sind.
Prüfnormen:Die Empfehlungen der Vereinten Nationen zum Transport gefährlicher Güter sind für Batterietests von großer Bedeutung. UN 38.3 T3 legt darin mehrere Testanforderungen fest, darunter auch Überladungstests. Gemäß dieser Norm soll mit dem Überladetest festgestellt werden, ob die Batterie im Missbrauchsfall gefährlich ist, und die Batterie sollte während des Tests auf das Doppelte der maximalen Ladespannung aufgeladen werden. Rechtsgrundlage für die Zulassung von Elektrofahrzeugen durch die Europäische Union ist die UN-ECE-Regelung Nr. 100, die den Überladetest von Elektrofahrzeugbatterien beschreibt. Das FreedomCAR Electrical Energy Storage System Abuse Test Manual ist ebenfalls einer der wichtigen Standards. Für die Überladungsprüfung verwendet dieser Standard einen konstanten Gleichstrom-Ladestrom und die Spannung sollte auf das Doppelte der normalen Spannung eingestellt werden. Diese Standards entsprechen nicht immer den Anforderungen praktischer Anwendungen, da die Batterien in Reihe in Modulen installiert sind und die Spannung höher sein kann, was das Risiko einer Lichtbogenbildung beim Trennen des CID erhöht.
3. Experimenteller Abschnitt
Experimentelles Design:Im Überladetest wurden drei Batterien mit unterschiedlichen chemischen Eigenschaften (LFP, NMC und NCA) zur vergleichenden Verhaltensanalyse verwendet. Der Grund für die Wahl dieser Batterien liegt darin, dass LFP eine milde Überladungsreaktion aufweist, die NMC-Elektrode als Kathodenmaterial eine stärkere Reaktivität aufweist und NCA-Oxid Sauerstoff freisetzt und ein thermisches Durchgehen verursacht. Die Auswahl der Batterien basiert auf dem Hauptkriterium, dass die Batterien über einen CID verfügen sollten. Vor dem Experiment wurden Proben jedes Batterietyps geöffnet und untersucht.
Prüfgerät:Das Prüfgerät umfasst einen Stromkreis und einen Messkreis. Der Messkreis umfasst ein Hochspannungsmessmodul, eine Stromzange, einen Temperatursensor und Datenerfassungsgeräte. Der Stromkreis besteht aus einer Spannungsquelle, einem Lastschütz und einer Batterie. Der Überladungsmissbrauchstest wurde in Testeinrichtungen im Freien durchgeführt und zur Aufzeichnung der Ereignisse wurden hochauflösende Kameras und Infrarotkameras verwendet.
Testablauf:Der Test wird gemäß der FreedomCAR-Testspezifikation durchgeführt, jedoch bei der normalen Betriebstemperatur der Batterie. Das Prüfgerät wird auf die doppelte Nennspannung aufgeladen und die Datenerfassung stoppt nach 30 Minuten, unabhängig vom Reaktionszustand der Batterie. Die Reaktion der Batterie wurde anhand der EUCAR-Gefahrenstufe bewertet, wobei ihr Verhalten in acht Gefährdungsstufen unterteilt wurde. Zur Darstellung des sicheren Verhaltens der Batterie wurden drei Farbstufen definiert und eine binäre logistische Regressionsanalyse durchgeführt.
Testparameter:Führen Sie zehn Tests an jeder Batterie bei Spannungsniveaus von 120 V, 400 V und 800 V durch, da die meisten Elektrofahrzeuge innerhalb dieser Spannungsbereiche liegen. Wir haben die Situation der doppelten Nennspannung bei höheren Spannungsniveaus mit FreedomCar-Überladungstests verglichen, um zu prüfen, ob die Gefahr proportional zur Spannung ist. Gemäß dem Batteriedatenblatt des Herstellers wurde der Strompegel jeder Batterie ausgewählt, wobei NCA- und NMC-Batterien auf 4 A und LFP-Batterien auf 1,5 A eingestellt waren. Der Akku wird so lange geladen, bis das CID den Ladefluss unterbricht oder der Test beendet wird, wobei jeder Test 30 Minuten dauert.
Datenanalyse:Die Software SPSS dient der statistischen Auswertung von Daten, wobei der Schwerpunkt auf der Sicherheit von Batterien liegt. Die binäre logistische Regression wird zur Auswertung basierend auf binären Ausdrücken „sicher“ oder „unsicher“ verwendet. Die statistische Auswertung des Tests umfasst diskrete (beschreibende) und analytische (inferentielle) Teile. Der Test kann mithilfe von drei Variablen beschrieben werden: chemische Eigenschaften (diskrete kategoriale Variablen), Spannung (Variablen mit kontinuierlicher Verhältnisskalierung) und Testergebnisse (binäre 0-1-Variablen, sicher und unsicher).
4. Ergebnisse
Einstufung der Testergebnisse:Um einen Überblick über die Rohdaten zu geben, wurden für die Testreihen drei Kategorien mit Gefährdungsgraden 3-5 definiert.
Das Verhalten beim korrekten Auslösen von CID:Die erste Testergebniskategorie fasst die Daten zum korrekten Verhalten von CID (Gefährdungsstufe 3) zusammen. Bei allen getesteten Batterien herrschte nach 10-minütiger Überladung ein ausreichender interner Luftdruck, um den CID zu öffnen, was zu einer Batterieentladung führte (Stromabfall, Spannungsanstieg). CID hat den Stromfluss korrekt unterbrochen und ein weiteres Überladen der Batterie verhindert, als Sicherheitszustand eingestuft und mit Gefahrenstufe 3 (grünes Sicherheitsverhalten) gekennzeichnet.
CID hat falsches Verhalten ausgelöst:Die zweite Kategorie fasst CID-ausgelöstes Fehlverhalten zusammen, bei dem der CID den Stromfluss teilweise unterbricht, was zu starkem Rauch und Temperaturanstieg führt, und wird als unsicherer Zustand der Gefahrenstufe 4 (gelbes unsicheres Verhalten) eingestuft.
Durch CID-Fehler ausgelöstes Verhalten:Die letzte Kategorie umfasst Daten, die durch CID-Fehler ausgelöst werden, bei denen CID Strom und Spannung nur kurzzeitig oder vollständig trennen kann und daher ein Überladen der Batterie nicht verhindern kann, was letztendlich zu einer Verbrennung oder Explosion der Batterie führt, was als unsicherer Zustand der Gefahrenstufe 5 oder höher (rot) eingestuft wird unsicheres Verhalten).
5. Diskussion
Einschränkungen der Prüfnormen:Gemäß den Batterieteststandards von FreedomCAR ist es schwierig, die Batterie an die sichere Grenze zu bringen, d. h. bei Überladung mit der doppelten Nennspannung wird die Batterie nicht an extreme Grenzen gebracht und zeigt kein gefährliches Verhalten. Innerhalb dieses Spannungsbereichs (2-5V) kann CID die positiven und negativen Pole korrekt trennen, ohne die Batterie zu zünden. Die Prüfstandards spiegeln jedoch nicht die tatsächliche Verwendung von Lithiumbatterien wider. Im Energiespeichermarkt gibt es höherverschaltete Reihenschaltungssysteme mit Spannungen bis 800V.
Die Leistung von Batterien mit unterschiedlichen chemischen Eigenschaften:Betrachtet man die Ergebnisse der 120-V-Testreihe, zeigten NMC- und NCA-Chemiebatterien das erste kritische Batterieverhalten, während LFP-Chemiebatterien relativ sicher waren und keine Entzündung oder einen Brand mit einer Gefahrenstufe von 5 oder höher aufwiesen. Im 400-V-Test verdoppelten sich die kritischen Bedingungen der NMC- und NCA-Chemiebatterien im Vergleich zum 120-V-Test, LFP-Batterien können jedoch immer noch als unkritisch angesehen werden. Im 800-V-Test war die Leistung von NMC- und NCA-Batterien in der Zündphase nahezu gleich, während LFP-Batterien im Vergleich zu den 120-V- und 400-V-Testreihen das erste Schlüsselverhalten zeigten.
Gründe für unsicheres Verhalten:Bei allen als „unsicher“ eingestuften Batterien kann die Energiezufuhr nicht gestoppt werden, d Kleiner Kontaktpunkt zwischen Anode und Kathode, was zu einer hohen Stromdichte führt. Darüber hinaus ist der Abstand zwischen den beiden Kontakten, der beim Auslösen von CID entsteht, sehr kurz, was ebenfalls die Durchbruchspannung erhöht und zu Lichtbögen führen kann.
6. Fazit
Mängel aktueller Standards:Basierend auf den Ergebnissen aller Testreihen kann festgestellt werden, dass die aktuellen Standards zur Prüfung der Batteriesicherheit in Batteriesystemen unzureichend sind. Im Batteriesystem aus in Reihe geschalteten zylindrischen Batterien kann das Abschalten des CID bei hoher Systemspannung zur Bildung kritischer Lichtbögen führen, die zu einer Verbrennung oder Explosion der Batterie führen können. Wenn die Batterien im Batteriesystem in Reihe geschaltet sind, ist daher eine Batterieprüfung bei der doppelten Nennspannung für das sichere Verhalten der Batterien nicht wichtig und die aktuellen Normen müssen überarbeitet werden. Es wird empfohlen, dass die auf Batterieebene durchgeführten Tests mindestens das maximale Spannungsniveau des für Installation und Betrieb geplanten Batteriesystems erreichen.
Überlegungen zur CID-Anwendung:Es wurde festgestellt, dass ein Überladen der Batterie mit sehr hoher Spannung das Gefahrenpotenzial erhöht. Wenn daher eine große Anzahl von Batterien mit CID in Reihe im Batteriesystem verwendet werden, sollte deren Anwendung überdacht werden, da das Auslösen von CID zu einem katastrophalen Batterieausfall führen kann. Die alternative Lösung für dieses Problem besteht darin, eine CID-Batterie zu entwickeln, die dieser hohen Spannung standhalten kann.