در این مقاله ایمنی باتری به عنوان اصل مهم در طراحی باتری مورد بررسی قرار می گیرد. باتریهای لیتیوم-یون مهمترین جز در خودروهای الکتریکی هستند و ایمنی آن یکی از چالشهای مهم تولید کنندگان و کاربران است. سطوح ایمنی باتری در خودروهای الکتریکی مهمترین ملاک برای ارزیابی در این حوزه در نظر گرفته می شود. در این مقاله عوامل موثر و معیار ایمنی باتری معرفی خواهد شد.
ایمنی به عنوان یک الزام اساسی از ابعاد مختلفی مورد توجه است، مهمترین آنها از منظر شیمیایی، الکتریکی، مکانیکی، حرارتی و کل سیستم است. هنگام طراحی و یا خرید پک باتری، مهم است که در مورد مفهوم ایمنی اطلاعات لازم را داشته باشید. این به شما امکان می‌دهد تا لایه‌های ایمنی طراحی شده به صورت فیزیکی یا در سیستم کنترل در مشخصات را درک کرده و مورد ارزیابی قرار دهید.
اولین نکته که دراین خصوص توجه به مشخصات سلولی باتری است، زیرا این مشخصات، محدودیت‌های عملکرد ایمن را برای باتری مشخص می‌کند.
در ادامه مقاله به تاثیر این مشخصات بر ایمنی باتری پرداخته می شود.
- حداکثر و حداقل ولتاژ عملیاتی: ولتاژ باید برای اکثر کاربردها اندازه‌گیری شده باشد تا اطمینان حاصل شود که باتری چه محدودیتهایی دارد.
- اتصال الکتریکی: اتصالات خارجی بکاررفته در بسته می‌توانند منجر به جریان‌های بسیار بالایی شوند که در نتیجه می‌توانند باعث داغ شدن سریع سلولها شوند لذا باید استراتژی فیوزینگ برای محافظت در این سطح پایه به عنوان یک الزام در نظر گرفته شود.
- حداکثر و حداقل محدوده دما: با توجه به کاربرد باید دمای سلولها کنترل شده و عملکرد شارژ و دشارژ را به حداکثر دما محدود کنید. این عمل به این صورت انجام می شود که در حالت ایده‌آل با رساندن تقاضا به صفر یا در شدیدترین حالت با باز کردن کنتاکتورها، عملکرد بسته باتری باید متوقف شود.
- حداکثر جریان: سیستم مدیریت باتری (BMS) باید عملکرد بسته را در محدوده حداکثر جریان مدیریت و محدود کند، این موارد به صورت نمودار جریان در مقابل دما و SoC توسط تأمین‌کننده سلول برای کاربران در دسترس قرار می گیرد.
در مشخصات سلول شاید کمتر به مسئله میزان باری اعمال شده بر سلولها اشاره می شود اما در طراحی بسته این مسئله از چندین منظر بسیار مهم است.
- محدودیت‌های مکانیکی: از نظر مکانیکی چندین عامل دخیل است که مهمترین آنها در طراحی به شرح زیر است:
- حداکثر میزان باری که می‌تواند روی هر محور یا سطح سلول اعمال می شود.
- بارها برای عملکرد طولانی مدت مورد نیاز است.
- محدودیت‌های شوک سلول در نظر گرفته شود.
- حداکثر و حداقل فشار محیط نیز دارای اهمیت است.
در ادامه مقاله به فهرستی از دلایل خرابی سلول لیتیوم-یون اشاره می شود و اینکه چه عواملی ایمنی سلول را تهدید می کند.
1.مکانیکی – نقص داخلی ایجاد شده در طول ساخت یا آسیبی که در اثر له شدن یا نفوذ به سلول اتفاق می افتد (به عنوان مثال، در برخورد و نفوذ توسط یک جسم تیز به آن وارد می‌شود)، می‌تواند منجر به اتصال کوتاه داخلی شود. اتصال کوتاه منجر به عبور جریان بیش از حد از مدارشده که باعث گرم شدن بیش از حد مجاز، آسیب به سلول و در برخی شرایط، ممکن است باعث آتش‌سوزی شود.
2.حرارتی – گرم شدن بیش از حد سلول (به عنوان مثال، در صورت قرار گرفتن در معرض آتش خارجی) باعث تجزیه اجزای سلول، مانند کاتد و الکترولیت، می‌شود.
این فرآیندها گرمازا هستند و منجر به یک سیکل افزایش حرارت می‌شوند که در آن دمای سلول به صورت مارپیچی بالا می‌رود و در نهایت منجر به آتش‌سوزی می‌شود. این پدیده به عنوان “فرار حرارتی” شناخته می‌شود. گرم شدن بیش از حد همچنین می‌تواند منجر به نرم شدن یا ذوب شدن جداکننده بین دو الکترود (که عموماً پلیمری مانند پلی پروپیلن است) شود و در ادامه به اتصال کوتاه داخلی و آتش گرفتن ختم شود.
3.الکتریکی – اتصال کوتاه خارجی باتری لیتیومی (به عنوان مثال، اگر یک جسم فلزی در دو سر ترمینال‌ها یا توسط سلول‌های یک باتری که به یکدیگر اتصال کوتاه شده‌اند قرار گیرد) در این حالت یک مسیر با مقاومت کم برای عبور جریان بسیار بالا ایجاد می‌کند که باعث می‌شود دمای سلول از حد ایمن بالاتر رود.
4.شارژ بیش از حد سلول، به عنوان مثال، یک شارژر نادرست یا ناسازگار، منجر به گرمایش داخلی و خرابی کاتد می‌شود که هر دو به فرار حرارتی کمک می‌کنند. طراحی ضعیف بسته باتری یا طراحی ضعیف سیستم مدیریت باتری (BMS) نیز می‌تواند منجر به شارژ بیش از حد برخی از سلولها شود. شارژ بیش از حد خطرناک‌ترین سناریوی سوءاستفاده الکتریکی است، زیرا منجر به پمپاژ انرژی بسیار بیشتری به سلول نسبت به آنچه سلول برای گنجاندن آن طراحی شده است، می‌شود. اگر این امر منجر به خرابی سلول شود، انرژی اضافی از طریق آتش‌سوزی یا انفجار آزاد می‌شود.
نقطه زانویی که تغییر ناگهانی در شیب منحنی چرخه سلولی را توصیف می‌کند. همچنین با نامهایی همانند خرابی واژگونی، پیری غیرخطی، مرگ ناگهانی، اشباع، تخریب مرحله دوم، تخریب دو فازی، غوطه‌وری ظرفیت و افت ظرفیت نیز شناخته می شود. این پدیده مربوط به تغییر ناگهانی در ظرفیت و مقاومت سلول می شود که در نهایت می‌تواند منجر به فرار حرارتی سلول شود.
فرار حرارتی
اگر یک سلول باتری را تا دمایی بالاتر از ۱۳۰ درجه سانتیگراد گرم کنید، واکنش‌های شیمیایی گرمازا درون سلول دما را افزایش می‌دهند و واکنش‌های بیشتری رخ می‌دهند. نتیجه، فرار کنترل نشده و افزایش دما است. باید به صورت کنترل شده آتش و مواد مذاب از درون سلول تخلیه شود. حتی در موارد شدید، سلول ممکن است منفجر شود. این مسئله به یک سلول ختم نمی شود و انرژی آزاد شده از خرابی یک سلول احتمالاً سلول‌های همسایه را گرم می‌کند که می‌تواند دوباره موجب فرار حرارتی شود.
آیا معیاری برای سطح ایمنی سلول تعریف شده است؟
سطوح خطر EUCAR
باتریهای لیتیوم-یونی یک جزء ضروری در وسایل نقلیه الکتریکی هستند، با این حال ایمنی آنها همچنان یک چالش کلیدی است.
سطوح خطر EUCAR نتیجه آزمایش ایمنی سطح سلول را تعریف می‌کنند. این سطوح معمولاً برای توصیف نتیجه آزمایش‌هایی مانند شارژ بیش از حد به عنوان بخشی از مشخصات سلول استفاده می‌شوند.
برای تعیین این سطوح آزمایشاتی در شرایط استفاده نامناسب و خارج از محدوده های تعریف شده برای باتری انجام می شود.
از موارد مهم آزمایش آتش‌سوزی، تست Pan fire است: همه خودروهای برقی که امروزه در جاده‌های اروپا هستند (مگر اینکه قدیمی‌تر از سال ۲۰۱۵ باشند) باید الزامات نظارتی ذکر شده در ECE 324 UN R100 را گذرانده باشند.
به طور خاص، پیوست ۹E آن به روش آزمایش برای آزمایش ایمنی آتش‌سوزی دستگاه‌های ذخیره انرژی مورد استفاده برای کاربردهای خودرویی اشاره می‌کند. این آزمایش اغلب توسط متخصصان صنعت به عنوان آزمایش panfire/bonfire شناخته می‌شود و در حال حاضر در سومین نسخه اصلاح‌شده خود در دسترس است.
استراتژی‌های کاهش آتش‌سوزی و بهبود ایمنی
انتخاب مواد مانع حرارتی (TBM) در یک باتری به عوامل مختلفی مانند نوع شیمی سلول، فاکتور فرم، معماری بسته (مدولار یا سلول به بسته) و از همه مهم‌تر الزامات قانونی بستگی دارد. می‌توان با کمترین مقدار مواد مانع حرارتی، از مقررات ECE 324 UN R100 عبور کرد، اما قبولی در مقررات چینی GB38031-2020 به خاطر طراحی قوی و ایمنی غیرفعال در برابر آتش‌سوزی الزامی است.
مهار آتش‌سوزی
استراتژی‌های مکانیکی، الکتریکی و کنترلی برای جلوگیری از فرار حرارتی یک باتری وجود دارد، اما در برهه‌ای از زمان، این استراتژی‌ها احتمالاً با شکست مواجه می‌شوند و از این رو نیاز به مهار آتش‌سوزی احساس می‌شود.
فرار حرارتی در مقابل انرژی الکتریکی
انرژی آزاد شده در طول فرار حرارتی در مقابل انرژی الکتریکی ذخیره شده در باتری.
انرژی آزاد شده در طول فرار حرارتی (TR) در مقابل انرژی الکتریکی ذخیره شده یکی از نمودار های مفید برای سنجش فرار حرارتی است. مدت زیادی است که عددی بین مردم رد و بدل می‌شود که انرژی آزاد شده در حادثه TR، ۲ تا ۶ برابر انرژی الکتریکی ذخیره شده در سلول بوده است. مقالات زیادی منتشر شده است که در آنها گرمای آزاد شده از یک سلول در طول فرار حرارتی اندازه‌گیری یا تخمین زده شده است. همچنین اندازه‌گیری‌هایی از مواد شیمیایی متعدد و حالت‌های بار و غیره انجام شده است.
به طور خلاصه در این مقاله ایمنی باتری به عنوان اصل مهم در طراحی باتری مورد بررسی قرار گرفت. باتریهای لیتیوم-یون مهمترین جز در خودروهای الکتریکی هستند و ایمنی آن یکی از چالشهای مهم تولید کنندگان و کاربران است. سطوح ایمنی باتری در خودروهای الکتریکی مهمترین ملاک برای ارزیابی در این حوزه در نظر گرفته شد.
منابع
- UN/DOT 38.3 6th Edition – Recommendations on the Transport of Dangerous Goods
- IEC 62133-2:2017 – Safety requirements for portable sealed secondary lithium cells, and for batteries made from them, for use in portable applications – Part 2: Lithium systems
- UL 2054 2nd Edition – Household and Commercial Batteries
- Improving the Safety of Lithium-ion Battery Cells, Faraday Insights – Issue 17:July 2023, The Faraday Institution
بیشتر بخوانید:
