КАК ЗАЩИЩАЮТ ЛИТИЙ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ ОТ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

В литиевых аккумуляторах короткое замыкание (КЗ) – редкое явление. Оно случается из-за неправильных действий пользователей, сбоев в системе управления батареей (BMS). Внутреннее короткое замыкание возникает по трем причинам:

• Механические повреждения. В результате деформации или прокола аккумуляторного элемента частично разрывается мембрана (сепаратор), разделяющая положительный и отрицательный электроды.
• Электрохимическое повреждение. Из-за не правильной эксплуатации (например, зарядки при отрицательной температуре) происходит осаждение лития и рост дендритов в аккумуляторных элементах. Со временем металлические отложения лития проникают сквозь мембрану, отчего возникает КЗ.
• Термическое повреждение. Высокая температура вызывает масштабную усадку и разрушение разделительной мембраны, что приводит к КЗ.

ЧИТАТЬ ТАКЖЕ: Какой аккумулятор выбрать для самоходной складской тележки

При внутреннем коротком замыкании в аккумуляторной ячейке возникает большой ток, отчего она нагревается, а также нагревает соседние ячейки. В итоге может произойти тепловой разгон литий-ионной батареи с полным выходом из строя.

СТАДИИ ВНУТРЕННЕГО КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

Внутриэлементное короткое замыкание обычно развивается постепенно, проходя три стадии:

• Начальная стадия. Падение напряжения, вызванное внутренним КЗ, происходит медленно. Выделяемое тепло невелико, оно своевременно отводится системой охлаждения, поэтому температура литий-ионного аккумулятора почти не изменяется. Эта стадия длится долго, обнаружить ее сложно.
• Средняя стадия. Напряжение значительно падает, а выделяемое тепло не успевает отводиться, что приводит к накоплению тепла. Температура литий-ионного аккумулятора значительно повышается. Эта стадия длится недолго, но обнаруживается легче, поскольку симптомы ярко выражены.
• Конечная стадия. Напряжение в проблемных ячейках стремительно падает до 0 В, на большой площади мгновенно выделяется много тепла. Происходит экзотермическая цепная реакция (тепловой разгон). Эта стадия быстротечна, остановить ее нельзя.

ЧИТАТЬ ТАКЖЕ: Система защиты литий-ионных аккумуляторов

МЕТОДЫ ОБНАРУЖЕНИЯ

Чтобы избежать неудержимого теплового разгона, разработаны пять методов раннего обнаружения коротких замыканий внутри литий-ионных аккумуляторов.

1. Определение отклонения измеренных данных

Сначала создают модель прогнозирования состояния литий-ионной батареи, а затем сравнивают, анализируют измеренные текущие значения напряжения и температуры в процессе зарядки или разрядки с прогнозируемыми значениями. Поскольку на начальной стадии внутреннего короткого замыкания значения напряжения и температуры существенно не изменяются, то данный метод малоэффективен. Он также не подходит для слежения за параллельно соединенными аккумуляторами.

2. Обнаружение аномального восстановления напряжения

Если в зарядки или разрядки аккумуляторных элементов с керамической мембраной возникает аномальное восстановление напряжения, то это говорит о внутреннем коротком замыкании. Данный метод помогает определить проблему только конкретного типа литиевых аккумуляторов и только при последовательном соединении.

3. Определение степени саморазряда

Короткое замыкание в аккумуляторе неизбежно вызывает аномальный саморазряд, который можно выявить, например, сравнивая напряжение до и после простоя. Однако этот метод не подходит для выявления КЗ во время работы аккумуляторной батареи, а также при параллельном соединении.

ЧИТАТЬ ТАКЖЕ: Обзор возможностей современных систем управления батареями

4. Определение согласованности ячеек

Если напряжение, емкость, состояние заряда и другие параметры какого-либо элемента аккумуляторной батареи сильно отклоняются от нормальных параметров других элементов, то в нем произошло внутреннее короткое замыкание. Поскольку на начальной стадии внутреннего КЗ напряжение и емкость существенно не изменяются, то данный метод малоэффективен. Он также не подходит для параллельно соединенных аккумуляторов.

5. Определение специальных схем

Определение напряжения и тока выполняется в топологии симметричной кольцевой цепи. При обнаружении изменения симметрии параметров цепи точно определяется местоположение аккумуляторного элемента, в котором происходит внутреннее КЗ. Этот метод точный, работает при параллельном соединении аккумуляторов. Его недостатки –высокая стоимость оборудования, влияние на динамическую согласованность аккумуляторной батареи.

ЗАЩИТНЫЕ МЕРЫ

Риски КЗ литий-ионного аккумулятора снижают несколькими путями:

• совершенствование материалов, технологии изготовления аккумуляторных-элементов;
• улучшение конструкции, системы защиты литий-ионной батареи;
• правильная эксплуатация.

Подробнее обсудим первые два пункта.

МАТЕРИАЛЫ, ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ЛИТИЕВЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

Производители совершенствуют материалы мембраны (сепаратора), электролита, покрытий положительных и отрицательных электродов. Они также улучшают производственные процессы, чтобы снизить брак.

• Использование керамического сепаратора с высокой термостойкостью и низкой скоростью саморазряда, а также огнестойкого электролита помогают подавлять рост дендритов, снижать риск внутреннего короткого замыкания.
• Покрытие положительного и отрицательного электродов аккумуляторных элементов низкопроводящим составом или материалом с положительным температурным коэффициентом позволяет снизить ток внутреннего КЗ и тепловыделение.
• Удаление примесей из электролита и мембраны аккумуляторного элемента помогает предотвращать необратимые побочные реакции, снижать риск КЗ, вызванного пробоем мембраны металлическими частицами.
• Использование технологии определения целостности внутренней структуры аккумуляторного элемента, точности обработки и выравнивания полюсных деталей позволяет избежать потенциального риска внутреннего КЗ.

Подробнее обсудим первые два пункта.

РАЗУМНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

С помощью программного обеспечения системы BMS задается разумная стратегия предупреждений и управления безопасностью. Это помогает контролировать состояние ячеек литий-ионной батареи, своевременно определять местоположение проблемного элемента, оперативно устранять потенциальные угрозы. Риск КЗ из-за высоких нагрузок снижается за счет резервирования, выравнивания режимов зарядки или разрядки.

В конструкции литий-ионных батарей производители предусматривают предохранители аккумуляторных ячеек, модулей и самой батареи, а также предохранители нагрузки транспортного средства. Такой многоуровневый контроль дает хорошую защиту.

Разумно спроектированная система охлаждения литий-ионной батареи улучшает отвод тепла, предотвращает тепловой разгон. Система предварительного нагрева аккумулятора до подходящей рабочей температуры перед зарядкой на холоде позволяет избежать образования дендритов.

ЧИТАТЬ ТАКЖЕ: 7 вещей, которые не стоит делать с литиевыми батареями

ИТОГИ

Производители используют различные методы обнаружения внутренних коротких замыканий в ячейках аккумуляторной батарей. Они внедряют многоуровневую защиту от КЗ, работают над снижением производственного брака. Однако пользователям рекомендуется беречь литиевые аккумуляторы от повреждений, перезаряда, чрезмерно глубокого разряда, переохлаждения, перегрева.