Ursachen und Präventionsstrategien für das Versagen von Lithiumbatterien

Geschrieben von:

Mari

1. was ist ein Ausfall der Lithiumbatterie?

Lithium-Batterie Versagen bezieht sich auf den Zustand, in dem Lithium-Ionen-Batterien aus verschiedenen Gründen nicht in der Lage sind, ihre Konstruktionsleistung beizubehalten oder die erwartete Lebensdauer zu erreichen. Ein solches Versagen kann sich in Form von verringerter Kapazität, erhöhtem Innenwiderstand, verlangsamter Ladegeschwindigkeit, verkürzter Zykluslebensdauer, schlechter Konsistenz, Selbstentladung und Sicherheitsrisiken wie thermisches Durchgehen, Aufquellen, Auslaufen des Elektrolyts, Lithiumplattierung, Kurzschluss und Dehnungsverformung äußern.

2. die Gründe für das Versagen der Lithium-Batterie

(1) Anzahl der Ladezyklen

Die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien hängt von der Anzahl der Ladezyklen ab. Nach einer bestimmten Anzahl von Zyklen nimmt die Kapazität des Akkus ab, was zu einem Ausfall führt.

(2) Überladung und Überentladung

Längeres Überladen oder Überentladen kann zu chemischen Veränderungen im Inneren des Akkus führen und seine Leistung verringern.

(3) Umgebung mit hohen Temperaturen

Hohe Temperaturen beschleunigen chemische Reaktionen innerhalb der Batterie, was zu Alterung und Leistungsabfall führt.

(4) Physische Schäden

Physikalische Schäden an der Batterie, wie z. B. Stöße oder Druck, können interne Kurzschlüsse oder Schäden verursachen, die zu einem Ausfall führen.

3. die Mechanismen des Versagens von Lithiumbatterien

(1) Lithium-Ionen-Migration

Während der Lade- und Entladezyklen wandern Lithiumionen zwischen positiven und negativen Elektroden, was zu strukturellen Veränderungen in den Elektrodenmaterialien führt und die Batterieleistung verringert.

(2) Elektrolytverschlechterung

Die Zersetzung des Elektrolyts führt zu instabilen chemischen Reaktionen innerhalb der Batterie und beeinträchtigt deren Lebensdauer.

(3) Bildung einer festen Elektrolytschicht (SEI-Film)

Während der Lade- und Entladezyklen bildet sich in Lithium-Ionen-Batterien eine feste Elektrolyt-Grenzfläche. Mit zunehmender Anzahl von Zyklen erhöht sich durch die kontinuierliche Bildung dieser Grenzfläche der Widerstand, was die Batterieleistung verringert.

4. die Ausfallarten von Lithiumbatterien

Zu den Ausfallarten von Batteriesystemen gehören hauptsächlich Kapazitätsabfall, erhöhter Innenwiderstand und Polarisierung. Je nach Struktur und Zusammensetzung des Batteriesystems können drei verschiedene Ebenen von Ausfallmodi unterschieden werden: Ausfall der Zelle, Ausfall des Batteriemanagementsystems (BMS) und Ausfall der Packsystemintegration.

A. Ausfallmodus der Zelle

Die Ausfallarten von Zellen können in Sicherheitsausfälle und Nicht-Sicherheitsausfälle unterteilt werden. Zu den Sicherheitsausfallarten von Zellen gehören hauptsächlich:

(1) Interner Kurzschluss der Zellen

Defekte während der Zellproduktion oder langfristige Vibrationen und äußere Kräfte können eine Verformung der Zelle verursachen, die schließlich zu internen Kurzschlüssen führt. Sobald ein schwerwiegender interner Kurzschluss auftritt, kann er nicht mehr kontrolliert werden, externe Schutzmaßnahmen sind unwirksam, und es kommt unweigerlich zu Rauch oder Verbrennungen.

(2) Leckage der Zelleneinheit

Äußere Beschädigungen, Kollisionen, unsachgemäßer Einbau, der zur Beschädigung der Dichtungsstruktur führt, Schweißfehler, unzureichender Dichtungsklebstoff usw. können zum Auslaufen der Zellen führen. Nachdem die Zelle ausgelaufen ist, versagt die Isolierung des gesamten Akkupacks, und wenn es mehrere Isolationsfehler gibt, kommt es zu einem externen Kurzschluss.

(3) Lithiumplattierung auf der negativen Elektrode der Batterie

Unsachgemäße Verwendung des Akkus, Überladung, Laden bei niedrigen Temperaturen und Laden mit hohen Strömen können zu Lithiumablagerungen an der negativen Elektrode des Akkus führen. Wenn sich Lithium auf der negativen Elektrode ablagert, kann das Lithiummetall nicht mehr reduziert werden, was zu einem irreversiblen Kapazitätsverlust führt. Wenn die Lithiumplattierung einen bestimmten Schweregrad erreicht, bilden sich Lithiumdendriten, die das Diaphragma durchstoßen und einen internen Kurzschluss verursachen. Daher sollte bei der Verwendung von Lithium-Ionen-Batterien das Laden bei niedrigen Temperaturen strengstens untersagt werden.

(4) Ausdehnung und Schwellung der Zelle

Es gibt viele Gründe für das Auftreten von Schwellungen, wie z. B. Gas, das durch Nebenreaktionen im Inneren der Batterie entsteht und das Aufquellen der Batterie verursachen kann. Das Problem des Aufquellens kann durch eine strenge Kontrolle des Feuchtigkeitsgehalts während des Zellproduktionsprozesses kontrolliert werden. Wenn die Batterie aufquillt, können Auslaufen und andere Probleme auftreten.

Das Risiko eines Sicherheitsausfalls von Zellen ist relativ hoch. Im Gegensatz dazu führt ein nicht sicherheitsbedingtes Versagen nur zu Leistungsproblemen wie schlechter Temperaturkonstanz, übermäßiger Selbstentladung, verringerter Entladekapazität bei niedrigen Temperaturen und Kapazitätsabfall.

B. BMS-Ausfallmodus

(1) Ausfall der BMS-Spannungserkennung, was zu einer Überladung oder Überentladung der Batterie führt

Eine schlechte Verbindung oder ein schlechter Kontakt während der Verbindung oder des Drucks führt zum Ausfall der Spannungserkennungsleitung, und das BMS hat keine Spannungsinformationen, so dass der Ladevorgang nicht rechtzeitig gestoppt wird. Eine Überladung der Batterie kann zu Bränden und Explosionen führen. Die meisten Lithium-Eisenphosphat-Batterien rauchen nur, wenn sie mit mehr als 5 V überladen werden, aber wenn Lithium-Kobaltat-Batterien überladen werden, kann es zu Explosionen kommen.

Außerdem kann eine Überladung leicht zur Zersetzung des Elektrolyts in Lithium-Ionen-Batterien führen, was ein Aufquellen der Batterie zur Folge hat. In schweren Fällen kann es zu Rauch und Feuer kommen. Eine Überentladung der Batterie kann die molekulare Struktur des positiven Elektrodenmaterials der Batterie beschädigen, so dass die Batterie nicht wieder aufgeladen werden kann. Gleichzeitig führt eine zu niedrige Batteriespannung zur Zersetzung des Elektrolyts und zum Austrocknen, was zu Lithiumplattierungen und internen Kurzschlüssen in der Batterie führt. Bei der Konzeption des Systems sollten zuverlässige Spannungserfassungsleitungen ausgewählt werden, und während der Produktion sollte eine strenge Kontrolle durchgeführt werden, um einen Ausfall der Spannungserfassungsleitung zu verhindern.

(2) Ausfall der BMS-Stromerkennung

Der Ausfall des Hallsensors führt dazu, dass das BMS keinen Strom erfassen kann und der SOC nicht berechnet werden kann, was zu großen Abweichungen führt. Der Ausfall der Stromerkennung kann zu einem übermäßigen Ladestrom führen. Ein hoher Ladestrom führt zu einer starken internen Erwärmung der Batterie, und die Temperatur übersteigt eine bestimmte Temperatur, was dazu führt, dass die Membran verfestigt und die Kapazität verringert wird, was die Lebensdauer der Batterie stark beeinträchtigt.

(3) Fehler bei der BMS-Temperaturerfassung

Das Versagen der Temperaturerfassung führt zu einer zu hohen Betriebstemperatur der Batterie, es kommt zu irreversiblen Reaktionen in der Batterie, was große Auswirkungen auf die Batteriekapazität und den Innenwiderstand hat. Die kalendarische Lebensdauer der Zelle steht in direktem Zusammenhang mit der Temperatur. Die Anzahl der Zyklen bei 45°C ist halb so hoch wie bei 25°C. Außerdem kann eine hohe Temperatur leicht zum Aufquellen der Batterie, zum Auslaufen, zur Explosion usw. führen. Daher sollte die Temperatur der Batterie während des Gebrauchs streng zwischen 20 und 45 °C kontrolliert werden, was nicht nur die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Batterie effektiv verbessern kann, sondern auch den Kurzschluss, der durch die Lithiumplattierung während des Ladens der Batterie bei niedriger Temperatur und das thermische Durchgehen bei hoher Temperatur verursacht wird, wirksam verhindert.

(4) Ausfall der Isolationsüberwachung

Ein Isolationsfehler tritt auf, wenn sich das Strombatteriesystem verformt oder undicht wird. Wenn dies nicht vom BMS-System erkannt wird, kann es zu einem Stromschlag für das Personal kommen. Daher sollten die Anforderungen an die vom BMS-System überwachten Sensoren am höchsten sein, und die Vermeidung eines Ausfalls des Überwachungssystems kann die Sicherheit der Strombatterie erheblich verbessern.

(5) Störung der Kommunikation über elektromagnetische Verträglichkeit

Die elektromagnetische Verträglichkeit eines BMS-Systems prüft vor allem dessen Fähigkeit, elektromagnetischen Störungen zu widerstehen. Elektromagnetische Interferenzen führen zum Ausfall der BMS-Kommunikation und damit zu den oben erwähnten Problemen.

(6) Große Abweichung bei der SOC-Schätzung

Gegenwärtig gibt es im Allgemeinen eine Abweichung im SOC. Die allgemeine Prüfnorm verlangt eine Abweichung von weniger als 5%. Die BMS der meisten Hersteller dürften aufgrund der Komplexität der Nutzungsumgebung schwer zu erreichen sein, und der SOC-Fehler bei der tatsächlichen Nutzung wird immer größer.

C. Fehlermodus der Packsystemintegration

(1) Versagen der Sammelschiene

Wenn sie verschraubt ist, führt die Oxidation und das Abfallen der Schraube oder die Vibration dazu, dass sich die Schraube lockert, was zu einer großen Hitzeentwicklung an der Leiterverbindung führt und im Extremfall dazu, dass die Batterie Feuer fängt.

(2) Ausfall des Hauptstromkreisanschlusses des Strombatteriesystems

Die Hochspannungsleitung des Batteriesystems ist über einen Stecker mit dem externen Hochspannungssystem verbunden. Die Leistung des Steckers ist unzuverlässig, und bei Vibrationen kommt es zu einer virtuellen Verbindung, was zu einer Hochtemperaturablation des Steckers führt. Im Allgemeinen übersteigt die Temperatur des Steckverbinders 90 Grad, und es kommt zum Ausfall der Verbindung. Daher muss der Steckverbinder mit einer Hochspannungsverriegelungsfunktion ausgestattet sein, oder es sollte ein Temperatursensor am Steckverbinder angebracht werden, um die Temperatur des Steckverbinders jederzeit zu überwachen und einen Ausfall des Steckverbinders zu verhindern.

(3) Haftung von Hochspannungsschützen

Das Schütz verfügt über eine bestimmte Anzahl von Lasttrennern, von denen die meisten beim Schließen des Schützes unter hohem Strom abfallen. Bei der Systemauslegung wird im Allgemeinen ein Doppelrelaisschema verwendet, um die Steuerung nacheinander zu schließen und das Festklemmen von Hochspannungsschützen zu vermeiden.

(4) Versagen des Überstromschutzes der Sicherung

Die Auswahl und Anpassung von Sicherungen in Komponenten von Hochspannungsanlagen muss umfassend berücksichtigt werden. Vibrationen oder externe Stöße und Quetschungen führen zu einer Verformung der Leistungsbatterie, einem Versagen der Abdichtung und einer Verringerung des IP-Niveaus. Daher sollte bei der Systemauslegung auf den Kollisionsschutz der Batteriekastenstruktur geachtet werden.

5. die Vorbeugung und Behandlung von Lithiumbatterieversagen

(1) Richtiges Aufladen und Entladen

Vermeiden Sie Überladung und Überentladung, wenden Sie geeignete Lade- und Entladestrategien an, um die Batteriealterung zu verzögern.

(2) Temperaturkontrolle

Vermeiden Sie es, den Akku hohen Temperaturen auszusetzen, um die Alterung des Akkus zu verlangsamen.

(3) Einsatz eines Batteriemanagementsystems (BMS)

Das BMS kann den Zustand der Batterie überwachen, Probleme im Voraus erkennen und Maßnahmen zum Schutz der Batterie vor Überladung, Überentladung und anderen Auswirkungen ergreifen.

(4) Einsatz eines Batteriemanagementsystems