Опасности и элементы управления

5. Опасности и элементы управления

Основными условиями злоупотребления, которые вызывают опасные условия в литий-ионных ячейках, являются результатом избыточного, внешнего и внутреннего короткого замыкания, чрезмерного разряда, высоких температур и структурных проблем.

Исследования показали, что условия перезарядки могут привести к осаждению литиевого металла, который может создавать внутренние шорты в ячейке и разрушение электролита, что может привести к увеличению внутреннего давления. Электролит в литий-ионных ячейках содержит легковоспламеняющиеся органические растворители, и в условиях высокого напряжения они разлагаются, что приводит к образованию газов (окиси углерода, двуокиси углерода и других продуктов газообразного разложения). Это может привести к избыточному давлению внутри ячейки, что приведет к дыму и пламени, если газы не вентилируются доброжелательно. Другой большой опасностью, которая существует с некоторыми катодными оксидами переходных металлов, является эволюция кислорода в условиях перенапряжения. Это происходит из-за неустойчивости структуры оксида переходного металла при высоких напряжениях, вызывающих выделение кислорода. Наличие кислорода и легковоспламеняющихся газов при высоких напряжениях вызывает чрезмерное давление газа внутри ячеек, что может привести к вентиляции пламенем. Литий-ионные элементы не должны заряжаться до напряжения, превышающего напряжение, рекомендованное поставщиком. Литий-ионные батареи требуют специального зарядного устройства или универсального «умного» зарядного устройства, которое распознает химический состав батареи. Сценарий зарядки и зарядное оборудование следует оценивать как часть процесса оценки и утверждения конструкции батареи. Окончательное тестирование должно относиться к батарее и зарядному устройству как к единице или системе. Многие Li-Ion-ячейки имеют встроенные устройства прерывания тока (CID), которые помогают защитить ячейку от перезарядки.

Короткие замыкания являются прямым соединением между положительным и отрицательным контактами ячейки и / или аккумулятора. Они могут быть сгенерированы сбоем, внешним по отношению к ячейке, или отказом, внутренним для ячейки. Внешние замыкания могут быть вызваны неправильными соединениями между положительными и отрицательными клеммами ячейки и / или аккумулятора, проводящими электролитами пути утечки в батарее, сломанными и / или ослабленными соединениями внутри батареи или структурными отказами, нагрузками, испытываемыми аккумулятором или сбои в оборудовании, питаемом от батареи. Внешние шорты литий-ионных элементов могут приводить к очень сильным всплескам тока, которые вызывают высокие давления внутри ячейки, что приводит к выпуску и взрыву. Наружные шорты предотвращаются различными способами. Многие литий-ионные ячейки имеют встроенные устройства прерывания тока (CID), которые срабатывают из-за внутреннего давления при токах, значительно меньших тока тока короткого замыкания батареи, что предотвращает дальнейший разряд через внешнюю короткую и безопасную батарею при возникновении коротких замыканий. Если эта возможность не встроена в ячейку, ее необходимо устранить на уровне батареи. Прерываниями могут быть предохранители, выключатели, термические выключатели или другие эффективные устройства. В некоторых ячейках также есть устройства с положительным температурным коэффициентом (PTC), которые используются для ограничения высоких импульсов тока, вызванных батареей / батареей при внешнем коротком состоянии. Однако при использовании серийных последовательностей или параллельных / серийных конструкций они могут не обеспечивать такую же защиту, как в независимых ячейках. Как PTC, так и CID могут выходить из строя при воздействии высоких напряжений из-за других сбоев. Рекомендуется использовать байпасные диоды для предотвращения этих сбоев. Максимальное количество ячеек в серии без байпасного диода зависит от используемой ячейки и определяется путем тестирования. Для предотвращения коротких замыканий между утечкой электролита и корпуса батареи все внутренние поверхности металлических батарейных шкафов должны иметь анодированную отделку или быть покрыты неэлектропроводящей, устойчивой к электролиту краской. Клеточные клеммы должны быть защищены от контакта с другими проводящими поверхностями. Поверхности клемм аккумулятора на внешней стороне корпуса аккумулятора также нуждаются в защите от случайного моста. Батарейные клеммы, которые проходят через металлические батарейные шкафы, должны быть изолированы от корпуса изоляционной муфтой или другими эффективными средствами. Поверхности клемм аккумулятора, которые проходят внутри корпуса батареи, должны быть изолированы герметизирующими материалами, чтобы предотвратить непреднамеренный контакт с другими проводниками внутри корпуса, а также для предотвращения утечки утечками электролита. Провода внутри корпуса батареи должны быть изолированы, удерживаться от контакта с клеммами ячейки, защищены от натирания и физически ограничены движением из-за вибрации или налета. Внутренние шорты вызваны металлическими заусенцами, несоосностью, отказом сепаратора или другими средствами прямого контакта между положительным и отрицательным материалами внутри батарейного элемента. Тестирование способности батарейного отсека и соединений для управления разностью 500 В без утечки тока рекомендуется обнаруживать скрытые шорты в цепи аккумулятора.

Литий-ионные ячейки при симулированных внутренних коротких условиях могут проявлять вентиляцию, огонь, дым и переходить в тепловое убегание. Небольшие деформации ячеек под давлением гидравлической губки от 20 до 50 фунтов на квадратный дюйм в минуту, вызывающие мягкие шорты, приводили к утечке электролита и меньшим повышениям температуры (максимальная температура составляла 45 ° C). Быстрое и тяжелое измельчение (давление гидравлической губки более 200 фунтов на квадратный дюйм в минуту) привело к выпуску и дыму. По возможности, внутренние шорты должны быть предотвращены с помощью процедур контроля качества; Однако включение устройств защиты от короткого замыкания на внешних элементах и аккумуляторах может остановить распространение других опасностей, если произойдет редкое внутреннее короткое замыкание. Батареи для пилотируемых применений экранируются на предмет допусков на внутренние шорты, используя метод вибрационного скрининга, рассмотренный ниже в разделе 8.

С точки зрения батареи высокая температура возникает, когда рабочая температура батареи или ячейки превышает верхний температурный предел технических характеристик производителя. Клетки LiIon, подвергнутые очень высокотемпературным условиям (около 130-190 ° C в зависимости от химического состава), могут выделять дым и вызывать тепловое убегание, сопровождающееся огнем и / или вытеснением содержимого банки через вентиляционные отверстия в ячейке. Дополнительной проблемой высокой температуры для батарей и ячеек является максимальная безопасная температура прикосновения, если они будут обрабатываться экипажем. Внутренние причины высокой температуры, приводящие к термическому убеганию, можно контролировать с помощью шорт; Путем включения ПТК, которые прерывают ток до достижения опасной температуры; Путем включения сепаратора отключения, который вызывает расплавление среднего слоя трехслойного сепаратора при высоких температурах и прерывает электрохимические реакции в ячейке; И управляя ячейкой в пределах нагрузки, установленных изготовителем. Теплоотводы, тепловые шунты и активные контуры охлаждения также могут использоваться для удаления избыточного тепла из внутренних или внешних источников. Термический анализ или тестирование батареи в ожидаемой окружающей среде должны проводиться для проверки температуры батареи в ожидаемых рабочих условиях.

Условия избыточной разрядки приводят к электроосаждению меди на катоде, что приводит к образованию условия короткого замыкания при последующем заряде ячейки. В большинстве случаев overdischarge является доброкачественным и приводит к мертвой клетке. Дисперсия напряжения между ячейками в цепочке может происходить в течение срока службы батареи. В строковой конфигурации наличие слабой ячейки может вызвать дисбаланс напряжения, а также привести к переразряженной ячейке. Во время последующей струйной зарядки без контроля уровня на уровне ячеек или мониторинга или контроля со средней строкой неуравновешенные ячейки могут привести к перезарядке некоторых ячеек, особенно если слабая ячейка имеет мягкую короткую из-за ее избыточного разряда.

Структурные опасности могут быть результатом механических, химических и термических напряжений, которые снижают целостность или функциональные возможности ячеек и батарей. Это может привести к поломке корпусов, уплотнений, монтажных провизий и внутренних компонентов, что может привести к внутренним шортам и беспрепятственному перемещению батареи. Конструкция батарей тестируется на вибрацию и удар, подходящие для ожидаемой окружающей среды. Материалы, используемые в конструкциях батарей, не должны деградировать, если они открыты друг другу. Следует учитывать эффекты возможного теплового расширения.

Основными злоупотреблениями, которые вызывают опасные условия в литий-ионных полимерных клетках, являются результатом избыточного заряда, внутренних и внешних коротких замыканий и высоких температур. Они очень похожи на те, что обсуждались выше для жидких литий-ионных элементов. Однако полимерные литий-ионные элементы имеют дополнительную проблему с утечкой электролита в условиях злоупотребления. Утечка электролита может привести к короткому замыканию, коррозии и химическому воздействию. Основным контролем утечки электролита является контроль над условиями злоупотребления, перечисленными выше.

⇐ Предыдущая 1 2 345 Следующая ⇒