אתגר קיצוני במתח גבוה: ניתוח מעמיק והערכת השפעה של היעילות של התקני הפסקת זרם ליתיום סוללת ליתיום

תַקצִיר

תקלות במדידת מתח עלולות לגרום לטעינת יתר של סוללות ליתיום-יון, להוביל להיווצרות גזים פנימיים ויצירת חום, וכתוצאה מכך לחימום בלתי מבוקר. כדי להפחית סיכון זה, הסוללה הגלילית מצוידת בהתקן הפסקת זרם (CID), הפועל כשסתום שחרור לחץ. כאשר הלחץ הפנימי עולה, ה-CID יכול לנתק את המעגל הפנימי של הסוללה. עם זאת, ניתוק זה גורם לסוללה להפוך לפתע גבוה בהתנגדות, מה שגורם לבעיות חמורות בסוללות המחוברות בסדרה. בתצורה זו, חלק או אפילו מתח המערכת כולו עלול לרדת על הסוללה המנותקת, מה שמגביר מאוד את האפשרות של קשתות. קשת מסוג זה עשויה להצית כל גז דליק שנמלט, ולהוביל לכשל קטסטרופלי.

בסדרת בדיקות שנערכה על שלושה כימאים שונים של סוללות, NMC (קובלט ניקל מנגן), NCA (אלומיניום ניקל קובלט) ו-LFP (ליתיום ברזל פוספט), נמצא שלא ניתן להבטיח את הפעולה הבטוחה של CID במתחי מערכת העולה על 120V. למרות שבדיקות השוואתיות במתח כפול מהסוללה הנומינלי לא הראו את אותה התנהגות, ממצאים אלו מצביעים על כך שתקני בטיחות נוכחיים הממליצים על בדיקה במתח כפול מהמתח הנקוב עשויים שלא לתת מענה מלא לסיכונים הכרוכים בכך. בדיקות נוספות הראו שהחיבור הטורי בין הסוללה ל-CID הוא מסוכן מטבעו, שכן בתרחיש הגרוע ביותר, כל מתח המערכת יכול להתרכז בסוללה אחת, מה שמוביל לכשלים פוטנציאליים במערכת.

1. הקדמה

עם התקדמות הנדסת החשמל והאלקטרוניקה, החיים המודרניים מסתמכים במידה רבה על מכשירים כמו סמארטפונים, טאבלטים, אופניים חשמליים, כלי רכב חשמליים, כלי עבודה חשמליים ומערכות אחסון אנרגיה ביתיות. על פי תקן IEC 61140 ניתן לחלק את המכשירים הללו לשתי רמות מתח: מכשירים מתחת ל-60V AC ו-120V DC, והתקנים עם טווחי מתח של עד 1000V AC ו-1500V DC.

הראשון כולל כלים חשמליים, אופניים חשמליים, מחשבים ניידים וטלפונים ניידים, הנחשבים בדרך כלל בטוחים בגלל המתח הנמוך ביותר שלהם. האחרון ידוע גם כציוד לטווח מתח נמוך, כגון רכבים חשמליים עם מתח נומינלי של 400V DC עד 800V DC. כלי רכב חשמליים ויישומים אחרים מקבלים את כוח ההפעלה הנדרש מסוללות ליתיום-יון, עם מתח מרבי של 4.2V. באופן כללי, רמת מתח זו מספיקה לסמארטפונים, אך עבור אופניים חשמליים (36V DC) וכלי רכב חשמליים (400V DC), יש לחבר כ-10 ו-96 סוללות בסדרה, בהתאמה.

סוללות ליתיום יון רגישות במיוחד לתגובות טעינת יתר, שעלולות להוביל להיווצרות גז בתוך הסוללה. כדי להבטיח שכל סוללה פועלת בטווח הנכון, מערכת ניהול סוללות (BMS) משמשת בסוללה לניטור פרמטרים וטווחים. בנוסף, סוללות גליליות מצוידות במערכות בטיחות פסיביות כמו התקני הפסקת זרם (CID), המשמשים לניתוק המעגלים הפנימיים של הסוללה כאשר מתרחשות היווצרות גזים ועליית לחץ עקב תגובות פירוק בתוך הסוללה.

עקב ניתוק ה-CID, הסיכון הפוטנציאלי של קשתות עולה, מה שמוביל לשאלה האם סוללות עם CID מסוכנות בשימוש בסדרה. לדוגמה, רכב חשמלי עם מערכת 400V עלול להיתקל בבעיות טכניות שגורמות לכך שמתח סוללה בודד יהיה גבוה מאוד, העולה על פי שניים מהמתח הנומינלי. במקרה זה, הבדיקה שנערכה במהלך אישור מצבר הרכב החשמלי חסרת משמעות מכיוון ששימוש ב-CID במצב זה עלול להוביל למצבים מסוכנים.

על מנת למצוא את התשובה הטובה ביותר לשאלה זו, מאמר זה ערך בדיקות מקיפות ברמות מתח שונות (120V DC עד 800V DC) הנפוצים ביישומי רכב חשמליים והיברידיים.

2. רקע תיאורטי

ההשלכות של טעינת יתר:טעינת יתר היא אחד המצבים הקריטיים ביותר ביישומי סוללה. בהשוואה לפריקה עמוקה, ההשלכות של טעינת יתר חמורות יותר, מה שעלול להוביל לפירוק של אלקטרוליטים וחומרי קתודה, כמו גם לתגובות שליליות בין אלקטרודות ורכיבי סוללה אחרים, וכתוצאה מכך לתקלות קטסטרופליות בסוללה כגון שריפות או פיצוצים.

סיבות לטעינת יתר:כולל כשל בבקר הטעינה, כשל ב-BMS או מדידת מתח שגויה. לדוגמה, BMS איזון הסוללה בהתבסס על ערכי מתח שגויים עלול להוביל בסופו של דבר לטעינת יתר ולבריחה תרמית אפשרית.

תגובות פנימיות של סוללות:בהתאם לחומרים ולכימיקלים המשמשים בסוללה, חמצן מיוצר במהלך פירוק הקתודה (תלוי במצב הטעינה ובחומר הקתודה). חמצן מגיב עם ממיסים פחמן ואלקטרוליטים, וכתוצאה מכך שחרור גזים דליקים כגון פחמן חד חמצני, פחמן דו חמצני ומימן. במקרה זה, אלקטרודות ליתיום ניקל מנגן קובלט (NMC 622 ו-NMC 811) ואלקטרודות ליתיום ניקל קובלט אלומיניום (NCA) מפגינות קריטיות, בעוד אלקטרודות ליתיום ברזל פוספט נחשבות לחומרים הבטוחים ביותר בשל שחרור נמוך של גז פחמן חד חמצני רעיל. אלקטרוליט הוא המרכיב האחראי העיקרי לייצור גז בסוללות, והיווצרות הגז בכל סוללה מייצרת לחץ גבוה. עקב איטום הסביבה על ידי סוללות ליתיום-יון, הגז שנוצר בורח, ויחד עם מעטפת המתכת היציבה, לחץ הגז יכול להגיע עד 20 בר. באירועי כשל בלתי מבוקרים, גזים אלו עלולים להתפוצץ.

אמצעי בטיחות:על מנת להפחית את הסיכונים הפוטנציאליים של ציוד לאחסון אנרגיה, מאומצים אמצעי בטיחות ומנגנוני בקרה שונים. אמצעי בטיחות פנימיים כגון התקני מקדם טמפרטורה חיובי (PTC) והתקני הפסקת זרם (CID) משמשים ברמת הסוללה, ו-BMS משמש כאמצעי בטיחות חיצוני לניטור רציף של הסוללה ברמת המערכת. PTC מגביר את ההתנגדות ומפחית את זרימת הזרם במהלך החימום, בעוד ש-CID מורכב מדיסק עליון ודיסק תחתון. כאשר טעינת יתר גורמת לעלייה בלחץ, הדיסק העליון יתכופף והמפרק המרותך יישבר, ובכך מנתק את נתיב הזרם עם החומר הפעיל. הפעלת CID דומה לפתיחת מתג בעומס, שעלול להצית קשת. עבור סוללות גליליות עם CID, מתח של 18V מספיק ליצירת קשת. בחיבור סדרתי ייתכן שסוללה בודדת לא תגיע לערך מתח גבוה כל כך, אך היא עלולה להתרחש במערכת, מה שעלול לגרום לריכוז מתח על סוללה אחת, מה שהופך אותה למסוכנת במיוחד.

תקני בדיקה:המלצות האומות המאוחדות בנושא הובלת סחורות מסוכנות חשובות מאוד לבדיקת סוללות, ביניהן UN 38.3 T3 מפרט דרישות בדיקות מרובות, כולל בדיקת טעינת יתר. על פי תקן זה, בדיקת טעינת היתר נועדה לקבוע האם המצבר מסוכן במקרה של שימוש לרעה, ויש לטעון את המצבר עד פי שניים ממתח הטעינה המרבי במהלך הבדיקה. תקנה מס' 100 של UN ECE היא הבסיס המשפטי לאישור כלי רכב חשמליים על ידי האיחוד האירופי, המתאר את בדיקת טעינת יתר של מצברים לרכב חשמלי. מדריך הבדיקה לרעה של מערכת אחסון האנרגיה החשמלית של FreedomCAR הוא גם אחד התקנים החשובים. לבדיקת טעינת יתר, תקן זה משתמש בזרם טעינה DC קבוע ויש להגדיר את המתח לכפול מהמתח הרגיל. תקנים אלה לא תמיד עומדים בדרישות של יישומים מעשיים, שכן הסוללות מותקנות בסדרה במודולים והמתח עשוי להיות גבוה יותר, מה שמגביר את הסיכון לקשתות כאשר ה-CID מנותק.

3. קטע ניסוי

עיצוב ניסיוני:במבחן טעינת יתר, שלוש סוללות בעלות תכונות כימיות שונות (LFP, NMC ו-NCA) שימשו לניתוח התנהגות השוואתי. הסיבה לבחירה בסוללות אלו היא של-LFP יש תגובת טעינת יתר קלה, לאלקטרודת NMC יש תגובתיות חזקה יותר כחומר קתודה, ותחמוצת NCA משחררת חמצן וגורמת לבריחה תרמית. בחירת הסוללות מבוססת על הקריטריונים העיקריים, שהם שלסוללות צריך להיות CID. לפני הניסוי נפתחו ונבדקו דוגמאות מכל סוג סוללה.

מכשיר בדיקה:מכשיר הבדיקה כולל מעגל מתח ומעגל מדידה. מעגל המדידה כולל מודול מדידת מתח גבוה, מהדק זרם, חיישן טמפרטורה וציוד לאיסוף נתונים. מעגל החשמל מורכב ממקור מתח, מגע עומס וסוללה. בדיקת השימוש לרעה בטעינת יתר נערכה במתקני בדיקה חיצוניים, ומצלמות בחדות גבוהה ומצלמות אינפרא אדום שימשו לתיעוד האירועים.

תהליך בדיקה:הבדיקה מתבצעת לפי מפרט הבדיקות של FreedomCAR, אך בטמפרטורת הפעולה הרגילה של הסוללה. ציוד הבדיקה נטען עד פי שניים מהמתח הנקוב, ואיסוף הנתונים מפסיק לאחר 30 דקות, ללא קשר למצב התגובה של הסוללה. תגובת הסוללה הוערכה באמצעות רמת הסיכון EUCAR, תוך חלוקת התנהגותה לשמונה רמות סיכון. שלוש רמות צבע הוגדרו כדי לייצג את ההתנהגות הבטוחה של הסוללה, ובוצע ניתוח רגרסיה לוגיסטית בינארית.

פרמטרי בדיקה:ערכו עשר בדיקות על כל סוללה ברמות מתח של 120V, 400V ו-800V, מכיוון שרוב הרכבים החשמליים נמצאים בטווחי מתח אלו. השווינו את המצב של מתח כפול ברמות מתח גבוהות יותר ובדיקות טעינת יתר של FreedomCar כדי לבדוק אם הסכנה פרופורציונלית למתח. לפי גיליון הסוללות של היצרן, הרמה הנוכחית של כל סוללה נבחרה, כאשר סוללות NCA ו-NMC מוגדרות ל-4A וסוללות LFP מוגדרות ל-1.5A. הסוללה נטענת עד שה-CID מפסיק את זרימת הטעינה או שהבדיקה מסתיימת, כאשר כל בדיקה נמשכת 30 דקות.

ניתוח נתונים:תוכנת SPSS משמשת להערכה סטטיסטית של נתונים, תוך התמקדות בבטיחות הסוללות. רגרסיה לוגיסטית בינארית משמשת להערכה המבוססת על ביטויים בינאריים של "בטוח" או "לא בטוח". ההערכה הסטטיסטית של המבחן כוללת חלקים דיסקרטיים (תיאוריים) ואנליטיים (מסקיים). ניתן לתאר את הבדיקה באמצעות שלושה משתנים: תכונות כימיות (משתנים קטגוריים נפרדים), מתח (משתני קנה מידה רציף) ותוצאות בדיקה (משתנים בינאריים 0-1, בטוחים ולא בטוחים).

4. תוצאות

סיווג תוצאות הבדיקה:על מנת לספק סקירה כללית של הנתונים הגולמיים, הוגדרו שלוש קטגוריות עם רמות סיכון 3-5 עבור סדרת הבדיקות.

ההתנהגות של הפעלה נכונה של CID:קטגוריית תוצאות הבדיקה הראשונה מסכמת את הנתונים על ההתנהגות הנכונה של CID (רמת סיכון 3). לכל הסוללות שנבדקו, לאחר שהוטענו יתר על המידה במשך 10 דקות, היה לחץ אוויר פנימי מספיק לפתיחת CID, מה שגרם לפליטת סוללה (נפילת זרם, עליית מתח). CID קטע בצורה נכונה את זרימת הזרם ומנע טעינת יתר נוספת של הסוללה, מסווג כמצב בטיחותי ומסומן כרמת סיכון 3 (התנהגות בטיחות ירוקה).

CID הפעיל התנהגות שגויה:הקטגוריה השנייה מסכמת התנהגות שגויה שהופעלה על ידי CID, שבה ה-CID קוטע חלקית את זרימת הזרם, וכתוצאה מכך לעשן חזק ועליית טמפרטורה, והוא מסווג כדרגה 4 של סכנת מצב לא בטוח (התנהגות לא בטוחה בצהוב).

התנהגות המופעלת על ידי שגיאות CID:הקטגוריה האחרונה כוללת נתונים המופעלים על ידי שגיאות CID, כאשר CID יכול רק להפריד בין זרם ומתח באופן קצר או מלא, ולכן אינו יכול למנוע טעינת יתר של הסוללה, המובילה בסופו של דבר לשריפת סוללה או פיצוץ, המסווגת כמצב לא בטוח של רמת סיכון 5 ומעלה (אדום התנהגות לא בטוחה).
 

5. דיון

מגבלות של תקני בדיקה:על פי תקני בדיקת הסוללה של FreedomCAR, קשה לדחוף את הסוללה לקצה גבול הבטיחות, כלומר בעת טעינת יתר במתח כפול מהמתח הנקוב, הסוללה לא תידחק לגבולות קיצוניים ולא תפגין התנהגות מסוכנת. בטווח מתח זה (2-5V), CID יכול להפריד בצורה נכונה בין הקוטב החיובי והשלילי מבלי להצית את הסוללה. עם זאת, תקני הבדיקה אינם משקפים את השימוש בפועל בסוללות ליתיום. בשוק אגירת האנרגיה, קיימות מערכות מיתוג מסדרות מחוברות יותר עם מתחים של עד 800V.

הביצועים של סוללות בעלות תכונות כימיות שונות:בהתחשב בתוצאות של סדרת הבדיקות של 120V, סוללות כימיות NMC ו-NCA הציגו את התנהגות הסוללה הקריטית הראשונה, בעוד שסוללות כימיות LFP היו בטוחות יחסית ולא חוו התלקחות או שריפה ברמת סיכון של 5 ומעלה. במבחן 400V, התנאים הקריטיים של סוללות כימיה NMC ו-NCA הוכפלו בהשוואה למבחן 120V, אך סוללות LFP עדיין יכולות להיחשב לא קריטיות. במבחן 800V, הביצועים של סוללות NMC ו-NCA היו כמעט זהים, בשלב ההצתה, בעוד שסוללות LFP הראו את התנהגות המפתח הראשונה בהשוואה לסדרות הבדיקות 120V ו-400V.

סיבות להתנהגות לא בטוחה:עבור כל הסוללות המסווגות כ"לא בטוחות", לא ניתן להפסיק את אספקת האנרגיה, כלומר, לא ניתן להפסיק את זרם הטעינה, מה שעלול לנבוע מהקשת שנוצרת בעת הפעלת CID, מה שגורם לזרם הטעינה להמשיך לזרום, וכתוצאה מכך נקודת מגע קטנה בין האנודה לקתודה, המובילה לצפיפות זרם גבוהה. בנוסף, המרחק בין שני המגעים שנוצר בעת הפעלת CID הוא קצר מאוד, מה שגם מגביר את מתח הפריצה ועלול לגרום לקשתות.

6. מסקנה

חסרונות בתקנים הנוכחיים:בהתבסס על תוצאות כל סדרות הבדיקות, ניתן להסיק כי הסטנדרטים הנוכחיים לבדיקת בטיחות מצברים במערכות מצברים אינם מספקים. במערכת הסוללות של סוללות גליליות המחוברות בסדרה, ניתוק ה-CID במתח מערכת גבוה עלול להוביל להיווצרות קשתות קריטיות, וכתוצאה מכך לשריפת סוללה או פיצוץ. לכן, אם הסוללות מחוברות בסדרה במערכת הסוללות, בדיקת סוללה במתח כפול מהמתח הנקוב אינה חשובה להתנהגות הבטוחה של הסוללות, ויש לשנות את התקנים הנוכחיים. מומלץ שהבדיקה הנערכת ברמת המצבר תגיע לפחות לרמת המתח המקסימלית של מערכת המצברים המתוכננת להתקנה ותפעול.

שיקול לגבי בקשת CID:נמצא כי טעינת יתר של הסוללה במתח גבוה מאוד מגבירה את פוטנציאל הסכנה. לכן, כאשר משתמשים במספר רב של סוללות עם CID בסדרות במערכת הסוללות, יש לשקול מחדש את היישום שלהן, שכן הפעלת CID עלולה להוביל לכשל קטסטרופלי בסוללה. הפתרון האלטרנטיבי לבעיה זו הוא לתכנן סוללת CID שיכולה לעמוד במתח גבוה כל כך.