Abstracto
Los fallos en la medición de voltaje pueden provocar la sobrecarga de las baterías de iones de litio, lo que provoca la formación de gases internos y la generación de calor, lo que provoca un calentamiento descontrolado. Para reducir este riesgo, la batería cilíndrica está equipada con un dispositivo de interrupción de corriente (CID), que actúa como válvula de alivio de presión. Cuando la presión interna aumenta, el CID puede desconectar el circuito interno de la batería. Sin embargo, esta desconexión hace que la batería aumente repentinamente su resistencia, provocando graves problemas en las baterías conectadas en serie. En esta configuración, parte o incluso todo el voltaje del sistema puede caer en la batería desconectada, lo que aumenta en gran medida la posibilidad de formación de arcos. Este tipo de arco puede encender cualquier gas inflamable que se escape, provocando una falla catastrófica.
En una serie de pruebas realizadas en tres químicos de baterías diferentes, NMC (níquel manganeso cobalto), NCA (níquel cobalto aluminio) y LFP (litio hierro fosfato), se encontró que no se puede garantizar el funcionamiento seguro del CID en voltajes del sistema que exceden 120V. Aunque las pruebas comparativas al doble del voltaje nominal de la batería no mostraron el mismo comportamiento, estos hallazgos sugieren que los estándares de seguridad actuales que recomiendan realizar pruebas al doble del voltaje nominal pueden no abordar completamente los riesgos involucrados. Pruebas adicionales han demostrado que la conexión en serie entre la batería y el CID es intrínsecamente peligrosa, ya que en el peor de los casos, todo el voltaje del sistema puede concentrarse en una sola batería, lo que provoca posibles fallos del sistema.
1. Introducción
Con el avance de la ingeniería eléctrica y electrónica, la vida moderna depende en gran medida de dispositivos como teléfonos inteligentes, tabletas, bicicletas eléctricas, vehículos eléctricos, herramientas eléctricas y sistemas de almacenamiento de energía en el hogar. Según el estándar IEC 61140, estos dispositivos se pueden dividir en dos niveles de voltaje: dispositivos por debajo de 60 V CA y 120 V CC, y dispositivos con rangos de voltaje de hasta 1000 V CA y 1500 V CC.
Los primeros incluyen herramientas eléctricas, bicicletas eléctricas, computadoras portátiles y teléfonos móviles, que generalmente se consideran seguros debido a su voltaje extremadamente bajo. Estos últimos también se conocen como equipos de rango de baja tensión, como por ejemplo vehículos eléctricos con una tensión nominal de 400V DC a 800V DC. Los vehículos eléctricos y otras aplicaciones obtienen la potencia operativa necesaria de baterías de iones de litio, con un voltaje máximo de 4,2 V. En términos generales, este nivel de voltaje es suficiente para los teléfonos inteligentes, pero para las bicicletas eléctricas (36 V CC) y los vehículos eléctricos (400 V CC), es necesario conectar en serie aproximadamente 10 y 96 baterías, respectivamente.
Las baterías de iones de litio son particularmente sensibles a las reacciones de sobrecarga, que pueden provocar la formación de gas en el interior de la batería. Para garantizar que cada batería funcione dentro del rango correcto, se utiliza un sistema de administración de batería (BMS) en la batería para monitorear los parámetros y rangos. Además, las baterías cilíndricas están equipadas con sistemas de seguridad pasiva, como dispositivos de interrupción de corriente (CID), que se utilizan para desconectar los circuitos internos de la batería cuando se produce formación de gas y aumento de presión debido a reacciones de descomposición dentro de la batería.
Debido a la desconexión del CID, aumenta el riesgo potencial de formación de arcos, lo que lleva a la pregunta de si las baterías con CID son peligrosas cuando se usan en serie. Por ejemplo, un vehículo eléctrico con un sistema de 400 V puede encontrar problemas técnicos que provoquen que el voltaje de una sola batería sea muy alto, superando el doble del voltaje nominal. En este caso, las pruebas realizadas durante la homologación de la batería del vehículo eléctrico no tienen sentido porque el uso del CID en esta situación puede provocar situaciones peligrosas.
Para encontrar la mejor respuesta a esta pregunta, este artículo realizó pruebas exhaustivas en diferentes niveles de voltaje (120 V CC a 800 V CC) comúnmente utilizados en aplicaciones de vehículos eléctricos e híbridos.
2. Antecedentes teóricos
Las consecuencias de la sobrecarga:La sobrecarga es una de las situaciones más críticas en las aplicaciones de baterías. En comparación con la descarga profunda, las consecuencias de la sobrecarga son más graves, lo que puede provocar la descomposición de los electrolitos y los materiales catódicos, así como reacciones adversas entre los electrodos y otros componentes de la batería, lo que provoca fallos catastróficos de la batería, como incendios o explosiones.
Razones para cobrar de más:incluyendo falla del controlador de carga, falla del BMS o medición de voltaje incorrecta. Por ejemplo, si BMS equilibra la batería basándose en valores de voltaje incorrectos, en última instancia puede provocar una sobrecarga y una posible fuga térmica.
Reacciones internas de las baterías:Dependiendo de los materiales y productos químicos utilizados en la batería, se produce oxígeno durante la descomposición del cátodo (según el estado de carga y el material del cátodo). El oxígeno reacciona con el carbono y los disolventes electrolíticos, lo que produce la liberación de gases inflamables como monóxido de carbono, dióxido de carbono e hidrógeno. En este caso, los electrodos de litio, níquel, manganeso y cobalto (NMC 622 y NMC 811) y los electrodos de litio, níquel, cobalto y aluminio (NCA) demuestran criticidad, mientras que los electrodos de litio, hierro y fosfato se consideran los materiales más seguros debido a su baja liberación de gas tóxico de monóxido de carbono. El electrolito es el principal elemento responsable de la generación de gas en las baterías, y la formación de gas en cada batería establece una alta presión. Gracias al sellado del entorno mediante baterías de iones de litio, el gas generado se escapa y, junto con la estable carcasa metálica, la presión del gas puede alcanzar hasta 20 bar. En caso de fallas no controladas, estos gases pueden explotar.
Dispositivos de seguridad:Para reducir los peligros potenciales de los equipos de almacenamiento de energía, se adoptan varios dispositivos de seguridad y mecanismos de control. A nivel de la batería se utilizan medidas de seguridad internas, como dispositivos de coeficiente de temperatura positivo (PTC) y dispositivos de interrupción de corriente (CID), y BMS se utiliza como medida de seguridad externa para monitorear continuamente la batería a nivel del sistema. PTC aumenta la resistencia y reduce el flujo de corriente durante el calentamiento, mientras que CID consta de un disco superior y un disco inferior. Cuando la sobrecarga provoca un aumento de presión, el disco superior se doblará y la unión soldada se romperá, desconectando así el camino de la corriente con el material activo. Activar el CID es similar a abrir un interruptor bajo carga, lo que puede provocar un arco. Para baterías cilíndricas con CID, una tensión de 18 V es suficiente para generar un arco. En una conexión en serie, es posible que una sola batería no alcance un valor de voltaje tan alto, pero puede ocurrir en el sistema, lo que puede causar concentración de voltaje en una batería, lo que lo hace particularmente peligroso.
Estándares de prueba:Las Recomendaciones de las Naciones Unidas sobre el transporte de mercancías peligrosas son muy importantes para las pruebas de baterías, entre las cuales ONU 38.3 T3 especifica múltiples requisitos de prueba, incluidas las pruebas de sobrecarga. Según esta norma, la prueba de sobrecarga sirve para determinar si la batería es peligrosa en caso de abuso, y la batería debe cargarse al doble del voltaje de carga máximo durante la prueba. La base legal para la aprobación de vehículos eléctricos por parte de la Unión Europea es el Reglamento ECE nº 100 de la ONU, que describe la prueba de sobrecarga de las baterías de los vehículos eléctricos. El Manual de prueba de abuso del sistema de almacenamiento de energía eléctrica FreedomCAR también es uno de los estándares importantes. Para pruebas de sobrecarga, este estándar utiliza una corriente de carga CC constante y el voltaje debe configurarse al doble del voltaje normal. Estos estándares no siempre cumplen con los requisitos de las aplicaciones prácticas, ya que las baterías se instalan en serie en módulos y el voltaje puede ser mayor, lo que aumenta el riesgo de formación de arcos cuando se desconecta el CID.
3. Sección experimental
Diseño experimental:En la prueba de sobrecarga se utilizaron tres baterías con diferentes propiedades químicas (LFP, NMC y NCA) para el análisis comparativo del comportamiento. La razón para elegir estas baterías es que LFP tiene una reacción de sobrecarga leve, el electrodo NMC tiene una reactividad más fuerte como material catódico y el óxido NCA libera oxígeno y provoca una fuga térmica. La selección de baterías se basa en el criterio principal, que es que las baterías deben tener un CID. Antes del experimento, se abrieron e inspeccionaron muestras de cada tipo de batería.
Dispositivo de prueba:El dispositivo de prueba incluye un circuito de alimentación y un circuito de medición. El circuito de medición incluye un módulo de medición de alto voltaje, una pinza amperimétrica, un sensor de temperatura y un equipo de adquisición de datos. El circuito de alimentación consta de una fuente de voltaje, un contactor de carga y una batería. La prueba de abuso de sobrecarga se llevó a cabo en instalaciones de prueba al aire libre y se utilizaron cámaras de alta definición y cámaras infrarrojas para registrar los eventos.
Proceso de prueba:La prueba se realiza según las especificaciones de prueba de FreedomCAR, pero a la temperatura de funcionamiento normal de la batería. El equipo de prueba se carga al doble del voltaje nominal y la recopilación de datos se detiene después de 30 minutos, independientemente del estado de reacción de la batería. La reacción de la batería se evaluó utilizando el nivel de peligro EUCAR, dividiendo su comportamiento en ocho niveles de peligro. Se definieron tres niveles de color para representar el comportamiento seguro de la batería y se realizó un análisis de regresión logística binaria.
Parámetros de prueba:Realice diez pruebas en cada batería a niveles de voltaje de 120 V, 400 V y 800 V, ya que la mayoría de los vehículos eléctricos se encuentran dentro de estos rangos de voltaje. Comparamos la situación del doble voltaje nominal en niveles de voltaje más altos y las pruebas de sobrecarga de FreedomCar para verificar si el peligro es proporcional al voltaje. De acuerdo con la hoja de datos de la batería del fabricante, se seleccionó el nivel actual de cada batería, con las baterías NCA y NMC configuradas en 4 A y las baterías LFP en 1,5 A. La batería se carga hasta que el CID interrumpe el flujo de carga o finaliza la prueba, y cada prueba dura 30 minutos.
Análisis de datos:El software SPSS se utiliza para la evaluación estadística de datos, centrándose en la seguridad de las baterías. La regresión logística binaria se utiliza para la evaluación basada en expresiones binarias de "seguro" o "inseguro". La evaluación estadística de la prueba incluye partes discretas (descriptivas) y analíticas (inferenciales). La prueba se puede describir utilizando tres variables: propiedades químicas (variables categóricas discretas), voltaje (variables de escala de relación continua) y resultados de la prueba (variables binarias 0-1, seguras e inseguras).
4. Resultados
Clasificación de los resultados de las pruebas:Para proporcionar una descripción general de los datos sin procesar, se han definido tres categorías con niveles de peligro 3-5 para la serie de pruebas.
El comportamiento de activar correctamente el CID:La primera categoría de resultados de la prueba resume los datos sobre el comportamiento correcto del CID (nivel de peligro 3). Todas las baterías probadas, después de sobrecargarse durante 10 minutos, tenían presión de aire interna suficiente para abrir el CID, lo que provocó el agotamiento de la batería (caída de corriente, aumento de voltaje). El CID interrumpió correctamente el flujo de corriente y evitó una mayor sobrecarga de la batería, clasificada como condición de seguridad y marcada como nivel de peligro 3 (comportamiento de seguridad verde).
CID desencadenó un comportamiento incorrecto:La segunda categoría resume el comportamiento incorrecto provocado por el CID, en el que el CID interrumpe parcialmente el flujo de corriente, lo que genera humo fuerte y un aumento de temperatura, y se clasifica como condición insegura de nivel de peligro 4 (comportamiento inseguro amarillo).
Comportamiento desencadenado por errores de CID:La última categoría incluye datos desencadenados por errores de CID, donde el CID solo puede separar breve o completamente la corriente y el voltaje y, por lo tanto, no puede evitar la sobrecarga de la batería, lo que en última instancia conduce a la combustión o explosión de la batería, clasificada como una condición insegura de nivel de peligro 5 o superior (rojo comportamiento inseguro).
5. Discusión
Limitaciones de los estándares de prueba:De acuerdo con los estándares de prueba de baterías de FreedomCAR, es difícil llevar la batería al límite seguro, es decir, cuando se sobrecarga al doble del voltaje nominal, la batería no será llevada a límites extremos y no exhibirá un comportamiento peligroso. Dentro de este rango de voltaje (2-5V), el CID puede separar correctamente los polos positivo y negativo sin encender la batería. Sin embargo, los estándares de prueba no reflejan el uso real de las baterías de litio. En el mercado del almacenamiento de energía, existen sistemas de conmutación en serie interconectados superiores con voltajes de hasta 800 V.
El rendimiento de baterías con diferentes propiedades químicas:Teniendo en cuenta los resultados de la serie de pruebas de 120 V, las baterías químicas NMC y NCA exhibieron el primer comportamiento crítico de batería, mientras que las baterías químicas LFP fueron relativamente seguras y no experimentaron ignición o incendio con un nivel de peligro de 5 o superior. En la prueba de 400 V, las condiciones críticas de las baterías químicas NMC y NCA se duplicaron en comparación con la prueba de 120 V, pero las baterías LFP aún pueden considerarse no críticas. En la prueba de 800 V, el rendimiento de las baterías NMC y NCA fue casi el mismo en la etapa de encendido, mientras que las baterías LFP mostraron el primer comportamiento clave en comparación con las series de pruebas de 120 V y 400 V.
Razones del comportamiento inseguro:Para todas las baterías clasificadas como "inseguras", el suministro de energía no se puede detener, es decir, la corriente de carga no se puede interrumpir, lo que puede deberse al arco generado cuando se activa el CID, lo que hace que la corriente de carga continúe fluyendo, lo que resulta en una Pequeño punto de contacto entre el ánodo y el cátodo, lo que conduce a una alta densidad de corriente. Además, la distancia entre los dos contactos creados cuando se activa el CID es muy corta, lo que también aumenta el voltaje de ruptura y puede causar arcos.
6. Conclusión
Deficiencias de los estándares actuales:Según los resultados de todas las series de pruebas, se puede concluir que los estándares actuales para comprobar la seguridad de las baterías en sistemas de baterías son insuficientes. En el sistema de baterías cilíndricas conectadas en serie, la desconexión del CID bajo un alto voltaje del sistema puede provocar la formación de arcos críticos, lo que resulta en la combustión o explosión de la batería. Por lo tanto, si las baterías están conectadas en serie en el sistema de baterías, la prueba de las baterías al doble de la tensión nominal no es importante para el comportamiento seguro de las baterías y se deben revisar las normas actuales. Se recomienda que las pruebas realizadas al nivel de la batería alcancen al menos el nivel de voltaje máximo del sistema de batería planificado para su instalación y operación.
Consideración para la solicitud de CID:Se ha descubierto que sobrecargar la batería con un voltaje muy alto aumenta el riesgo potencial. Por lo tanto, cuando se utiliza una gran cantidad de baterías con CID en serie en el sistema de baterías, se debe reconsiderar su aplicación, ya que la activación de CID puede provocar una falla catastrófica de la batería. La solución alternativa a este problema es diseñar una batería CID que pueda soportar un voltaje tan alto.