Причины и стратегии предотвращения выхода из строя литиевых батарей

Written by :

Mari

1.Что такое отказ литиевой батареи?

Литиевая батарея Под отказом понимается состояние, при котором литий-ионные батареи не могут поддерживать свои проектные характеристики или достичь ожидаемого срока службы по различным причинам. Это может проявляться в снижении емкости, увеличении внутреннего сопротивления, снижении скорости зарядки, сокращении срока службы, плохой консистенции, саморазряде и рисках безопасности, таких как тепловой разряд, набухание, утечка электролита, литиевое покрытие, короткое замыкание и деформация при расширении.

2.Причины выхода из строя литиевых батарей

(1) Количество циклов зарядки

Срок службы литий-ионных аккумуляторов зависит от количества циклов зарядки. После определенного количества циклов емкость батареи уменьшается, что приводит к ее выходу из строя.

(2) Перезарядка и переразрядка

Длительные периоды перезарядки или разрядки могут привести к химическим изменениям внутри аккумулятора, что снизит его производительность.

(3) Высокотемпературная среда

Высокие температуры ускоряют химические реакции внутри батареи, что приводит к ее старению и снижению производительности.

(4) Физический ущерб

Физические повреждения аккумулятора, такие как удары или сжатие, могут вызвать внутреннее короткое замыкание или повреждение, что приведет к выходу из строя.

3.Механизмы разрушения литиевых батарей

(1) Литий-ионная миграция

Во время циклов заряда и разряда ионы лития мигрируют между положительным и отрицательным электродами, вызывая структурные изменения в материалах электродов и снижая производительность батареи.

(2) Разрушение электролита

Разрушение электролита приводит к нестабильным химическим реакциям внутри батареи, что влияет на срок ее службы.

(3) Формирование границы раздела твердых электролитов (пленка SEI)

Во время циклов заряда и разряда в литий-ионных аккумуляторах образуется граница раздела твердых электролитов. По мере увеличения количества циклов непрерывное образование этой границы раздела увеличивает сопротивление, снижая производительность батареи.

4.Режимы отказа литиевых батарей

Режимы отказа аккумуляторных систем в основном включают в себя снижение емкости, увеличение внутреннего сопротивления и поляризацию. В зависимости от структуры и состава аккумуляторной системы можно выделить три различных уровня режимов отказа: режим отказа элементов, режим отказа системы управления батареей (BMS) и режим отказа системы интеграции блоков.

A. Режим отказа ячеек

Режимы отказа ячеек можно разделить на режимы безопасного отказа и режимы небезопасного отказа. К безопасным режимам отказа ячеек в основном относятся:

(1) Внутреннее короткое замыкание ячеек

Дефекты при производстве ячеек или длительная вибрация и внешние воздействия могут вызвать деформацию ячеек, что в конечном итоге приведет к внутреннему короткому замыканию. Если возникает серьезное внутреннее короткое замыкание, его невозможно контролировать, внешние меры защиты неэффективны, и неизбежно возникает задымление или возгорание.

(2) Утечка из ячейки

Внешние повреждения, столкновения, неправильная установка, приводящая к повреждению структуры уплотнения, дефекты сварки, недостаточное количество герметизирующего клея и т. д. могут стать причиной утечки элементов. После утечки элемента изоляция всего блока батарей выходит из строя, а при наличии нескольких точек разрушения изоляции возникает внешнее короткое замыкание.

(3) Нанесение литиевого покрытия на отрицательный электрод батареи

Неправильная эксплуатация батареи, перезарядка, зарядка при низкой температуре и высоком токе могут привести к образованию литиевого покрытия на отрицательном электроде батареи. После появления литиевого покрытия на отрицательном электроде металлический литий не может быть восстановлен, что приводит к необратимому снижению емкости. Когда литиевое покрытие достигает определенной степени, образуются литиевые дендриты, пробивающие мембрану и вызывающие внутреннее короткое замыкание. Поэтому зарядка при низких температурах должна быть строго запрещена при использовании литий-ионных аккумуляторов.

(4) Расширение и набухание клеток

Существует множество причин возникновения вздутия, например, газ, образующийся в результате побочных реакций внутри батареи, который может привести к ее разбуханию. С проблемой разбухания можно бороться, строго контролируя содержание влаги в процессе производства элементов. Как только батарея разбухнет, могут возникнуть утечки и другие проблемы.

Риск безопасного отказа ячеек относительно высок. В отличие от этого, небезопасные отказы вызывают только проблемы с производительностью, такие как низкая стабильность температуры, чрезмерный саморазряд, снижение емкости при низкотемпературном разряде и уменьшение емкости.

B. Режим отказа BMS

(1) Неисправность системы обнаружения напряжения BMS, приводящая к перезарядке или разрядке батареи

Плохое соединение или плохой контакт во время соединения или давления приводит к отказу линии обнаружения напряжения, и BMS не имеет информации о напряжении, поэтому зарядка не прекращается в нужный момент. Перезарядка аккумулятора может привести к пожару и взрыву. Большинство литий-железо-фосфатных батарей дымятся только при перезарядке выше 5 В, но при перезарядке литий-кобальтатных батарей может произойти взрыв.

Кроме того, чрезмерная зарядка может легко вызвать разложение электролита в литий-ионных батареях, что приведет к их вздутию. В тяжелых случаях могут возникнуть дым и пожар. Чрезмерный разряд батареи может привести к повреждению молекулярной структуры материала положительного электрода батареи, что препятствует ее перезарядке. В то же время чрезмерно низкое напряжение батареи вызывает разложение электролита и высыхание, что приводит к окислению лития и внутреннему короткому замыканию батареи. При проектировании системы следует выбирать надежные линии сбора напряжения, а в процессе производства осуществлять строгий контроль, чтобы предотвратить выход из строя линии сбора напряжения.

(2) Неисправность определения тока BMS

Отказ датчика Холла приводит к тому, что BMS не может собирать ток, и SOC не может быть рассчитан, что приводит к большим отклонениям. Отказ датчика тока может привести к чрезмерному току зарядки. Большой зарядный ток приведет к сильному внутреннему нагреву батареи, и температура превысит определенную отметку, что приведет к затвердеванию мембраны и снижению емкости, что серьезно повлияет на срок службы батареи.

(3) Неисправность обнаружения температуры BMS

Нарушение температурного контроля приводит к чрезмерно высокой рабочей температуре батареи, в ней происходят необратимые реакции, что сильно влияет на емкость батареи и внутреннее сопротивление. Календарный срок службы элемента напрямую зависит от температуры. Количество циклов при 45°C в два раза меньше, чем при 25°C. Кроме того, высокая температура может легко вызвать вздутие батареи, утечку, взрыв и т.д. Поэтому температура батареи должна строго контролироваться в пределах 20-45°C во время использования, что позволяет не только эффективно повысить срок службы и надежность батареи, но и эффективно избежать короткого замыкания, вызванного литиевым покрытием во время низкотемпературной зарядки батареи и высокотемпературного теплового выброса.

(4) Нарушение контроля изоляции

Нарушение изоляции происходит при деформации или протечке системы силовых батарей. Если это не будет обнаружено системой BMS, это может привести к поражению персонала электрическим током. Поэтому требования к датчикам, контролируемым системой BMS, должны быть самыми высокими, а предотвращение отказа системы мониторинга может значительно повысить безопасность силовой батареи.

(5) Отказ связи по электромагнитной совместимости

Для системы BMS электромагнитная совместимость в основном проверяет ее способность противостоять электромагнитным помехам. Электромагнитные помехи приводят к сбою связи BMS, что влечет за собой вышеупомянутые проблемы.

(6) Большое отклонение в оценке SOC

В настоящее время, как правило, существует отклонение в SOC. Общий стандарт проверки требует, чтобы отклонение не превышало 5%. В связи со сложностью условий эксплуатации BMS большинства производителей будет трудно достичь, и погрешность SOC при фактическом использовании будет становиться все больше и больше.

C. Режим отказа интеграции системы упаковки

(1) Выход из строя шины

Если он закреплен болтами, то в процессе дальнейшей эксплуатации окисление и выпадение болта или вибрация приведут к ослаблению болта, что вызовет большое количество тепла в месте соединения проводников, а в крайних случаях приведет к возгоранию батареи.

(2) Неисправность разъема главной цепи системы силовых батарей

Высоковольтная линия системы силовых батарей подключается к внешней высоковольтной системе через разъем. Работа разъема ненадежна, и под воздействием вибрации происходит виртуальное соединение, что приводит к высокотемпературной абляции разъема. Как правило, температура разъема превышает 90 градусов, и происходит отказ соединения. Поэтому при проектировании системы необходимо оснастить разъем функцией высоковольтной блокировки или добавить в разъем датчик температуры для постоянного контроля температуры разъема, чтобы предотвратить его поломку.

(3) Адгезия высоковольтных контакторов

Контактор имеет определенное количество выключателей нагрузки, большинство из которых отключается при замыкании контактора под действием большого тока. При проектировании системы обычно используется двухрелейная схема для последовательного замыкания управления, чтобы избежать залипания высоковольтных контакторов.

(4) Неисправность защиты от перегрузки по току предохранителя

Выбор и подбор предохранителей в компонентах высоковольтных систем должен быть всесторонне продуман. Вибрация или внешнее столкновение и сдавливание приводят к деформации силовой батареи, нарушению герметичности и снижению уровня IP. Поэтому при проектировании системы следует уделить внимание защите конструкции батарейного блока от столкновений.

5.Профилактика и методы лечения неисправностей литиевых батарей

(1) Правильная зарядка и разрядка

Избегайте перезарядки и переразрядки, используйте соответствующие стратегии зарядки и разрядки, чтобы замедлить старение батареи.

(2) Контроль температуры

Не подвергайте батарею воздействию высоких температур, чтобы замедлить ее старение.

(3) Использование системы управления аккумулятором (BMS)

BMS может контролировать состояние батареи, заранее обнаруживать проблемы и принимать меры по защите батареи от перезарядки, переразрядки и других последствий.

(4) Использование системы управления аккумулятором

(5) Регулярное техническое обслуживание

Регулярно проверяйте состояние батареи, очищайте ее разъемы, обеспечивайте хорошую вентиляцию и не допускайте физических повреждений.