抽象的な
電圧測定の障害により、リチウムイオン電池の過充電が発生し、内部ガスの生成や発熱が発生し、制御不能な加熱が発生する可能性があります。このリスクを軽減するために、円筒形バッテリーには圧力リリーフバルブとして機能する電流遮断装置 (CID) が装備されています。内圧が上昇すると、CID がバッテリーの内部回路を切断する可能性があります。しかし、この切断によりバッテリーの抵抗が突然高くなり、直列接続されたバッテリーに重大な問題が発生します。この構成では、切り離されたバッテリのシステム電圧の一部または全体が低下する可能性があり、アーク放電の可能性が大幅に高まります。このタイプのアークは、漏れ出た可燃性ガスに点火し、致命的な故障につながる可能性があります。
NMC (ニッケル・マンガン・コバルト)、NCA (ニッケル・コバルト・アルミニウム)、LFP (リン酸鉄リチウム) という 3 つの異なるバッテリー化学者に対して行われた一連のテストでは、システム電圧が 200 を超えると CID の安全な動作が保証できないことが判明しました。 120V。公称バッテリー電圧の 2 倍での比較テストでは同じ動作は示されませんでしたが、これらの結果は、定格電圧の 2 倍でのテストを推奨する現在の安全基準では、関連するリスクに十分に対処していない可能性があることを示唆しています。さらなるテストにより、バッテリーと CID 間の直列接続は本質的に危険であることが判明しました。最悪の場合、システム全体の電圧が 1 つのバッテリーに集中し、潜在的なシステム障害につながる可能性があります。
1. はじめに
電気電子工学の進歩により、現代の生活はスマートフォン、タブレット、電動自転車、電気自動車、電動工具、家庭用エネルギー貯蔵システムなどのデバイスに大きく依存しています。 IEC 61140 規格によれば、これらのデバイスは 2 つの電圧レベルに分類できます。1 つは 60 V AC および 120 V DC 未満のデバイス、もう 1 つは最大 1000 V AC および 1500 V DC の電圧範囲のデバイスです。
前者には、電動工具、電動自転車、ノートパソコン、携帯電話などが含まれますが、これらは通常、電圧が非常に低いため安全であると考えられています。後者は、公称電圧 400V DC ～ 800V DC の電気自動車など、低電圧範囲の機器としても知られています。電気自動車やその他のアプリケーションは、最大電圧 4.2V のリチウムイオン電池から必要な動作電力を取得します。一般的にスマートフォンではこの電圧レベルで十分ですが、電動自転車（DC36V）や電気自動車（DC400V）の場合は、それぞれ約10個、約96個のバッテリーを直列に接続する必要があります。
リチウムイオン電池は過充電反応に特に敏感で、電池内でガスが発生する可能性があります。各バッテリーが正しい範囲内で動作することを保証するために、バッテリー管理システム (BMS) がバッテリーで使用され、パラメーターと範囲を監視します。さらに、円筒形電池には電流遮断装置 (CID) などの受動的安全システムが装備されています。CID は、電池内部の分解反応によるガスの生成や圧力上昇が発生した場合に、電池の内部回路を切断するために使用されます。
CID の切断により、アーク放電の潜在的なリスクが増加し、CID を備えたバッテリーを直列で使用すると危険なのかという疑問が生じます。たとえば、400V システムを搭載した電気自動車では、単一のバッテリー電圧が非常に高く、公称電圧の 2 倍を超える技術的問題が発生する可能性があります。この場合、電気自動車用バッテリーの承認時に行われた試験は意味がありません。この状況で CID を使用すると危険な状況につながる可能性があるからです。
この質問に対する最良の答えを見つけるために、この記事では、電気自動車およびハイブリッド電気自動車のアプリケーションで一般的に使用されるさまざまな電圧レベル (DC120V ～ DC800V) で広範なテストを実施しました。
2. 理論的背景
過充電の影響:過充電は、バッテリー用途において最も重大な状況の 1 つです。深放電と比較すると、過充電の影響はより深刻であり、電解質やカソード材料の分解、電極と他のバッテリーコンポーネント間の悪反応を引き起こし、火災や爆発などの致命的なバッテリー故障を引き起こす可能性があります。
過充電の理由:充電コントローラーの障害、BMS の障害、または誤った電圧測定が含まれます。たとえば、BMS が誤った電圧値に基づいてバッテリーのバランスをとると、最終的には過充電や潜在的な熱暴走につながる可能性があります。
電池の内部反応:バッテリーで使用される材料と化学薬品に応じて、正極の分解中に酸素が生成されます (充電状態と正極の材料に応じて)。酸素は炭素および電解質溶媒と反応し、その結果、一酸化炭素、二酸化炭素、水素などの可燃性ガスが発生します。この場合、リチウム ニッケル マンガン コバルト電極 (NMC 622 および NMC 811) およびリチウム ニッケル コバルト アルミニウム電極 (NCA) が臨界性を示しますが、リン酸鉄リチウム電極は有毒な一酸化炭素ガスの放出が少ないため、最も安全な材料と考えられています。電解質はバッテリー内でのガス発生の主な要素であり、各バッテリー内でガスが形成されると高圧が確立されます。リチウムイオン電池による環境の密閉により、発生したガスは外部に逃がされ、安定した金属シェルと合わせてガス圧力は最大 20 bar に達します。制御されていない障害が発生すると、これらのガスが爆発する可能性があります。
安全装置:エネルギー貯蔵装置の潜在的な危険性を軽減するために、さまざまな安全装置や制御機構が採用されています。正温度係数 (PTC) デバイスや電流遮断デバイス (CID) などの内部安全対策がバッテリー レベルで使用され、BMS が外部安全対策として使用され、システム レベルでバッテリーを継続的に監視します。 PTC は抵抗を増加させ、加熱中の電流の流れを減らしますが、CID は上部ディスクと下部ディスクで構成されます。過充電により圧力が上昇すると、上部ディスクが曲がり、溶接接合部が破損し、活物質との電流経路が切断されます。 CID のトリガーは、負荷がかかった状態でスイッチを開くことに似ており、アークが発生する可能性があります。 CID を備えた円筒形バッテリーの場合、アークを発生するには 18V の電圧で十分です。直列接続の場合、単一の電池ではそれほど高い電圧値に達しない可能性がありますが、システム内では電圧が一方の電池に集中する可能性があり、特に危険です。
試験基準:危険物の輸送に関する国連勧告はバッテリーのテストにとって非常に重要であり、その中で UN 38.3 T3 は過充電テストを含む複数のテスト要件を指定しています。この規格によると、過充電テストはバッテリーが乱用した場合に危険かどうかを判断するためのもので、テスト中はバッテリーを最大充電電圧の 2 倍まで充電する必要があります。 UN ECE 規則 No. 100 は、欧州連合による電気自動車の承認の法的根拠であり、電気自動車のバッテリーの過充電テストについて説明しています。 FreedomCAR 電気エネルギー貯蔵システム不正使用テスト マニュアルも重要な規格の 1 つです。過充電テストの場合、この規格では一定の DC 充電電流を使用し、電圧を通常の 2 倍に設定する必要があります。これらの規格は、実際のアプリケーションの要件を常に満たしているわけではありません。これは、バッテリーがモジュール内で直列に取り付けられ、電圧が高くなる可能性があり、CID が切断されたときにアーク発生のリスクが高まるためです。
3. 実験セクション
実験デザイン:過充電試験では、化学特性の異なる 3 つの電池 (LFP、NMC、NCA) を使用して比較挙動解析を行いました。これらの電池を選択した理由は、LFP は過充電反応が穏やかで、NMC 電極は正極材料として反応性が強く、NCA 酸化物は酸素を放出して熱暴走を引き起こすためです。バッテリーの選択は、バッテリーが CID を持つ必要があるという主な基準に基づいて行われます。実験前に、各電池タイプのサンプルを開封して検査しました。
試験装置:試験装置は、電源回路と測定回路を備える。測定回路には、高電圧測定モジュール、電流クランプ、温度センサー、およびデータ収集装置が含まれます。電源回路は、電圧源、負荷接触器、およびバッテリーで構成されます。過充電乱用テストは屋外のテスト施設で実施され、イベントの記録には高解像度カメラと赤外線カメラが使用されました。
テストプロセス:テストは FreedomCAR テスト仕様に従って行われますが、バッテリーの通常の動作温度で行われます。試験装置は定格電圧の 2 倍まで充電され、バッテリーの反応状態に関係なく 30 分後にデータ収集が停止します。バッテリーの反応は、EUCAR の危険レベルを使用して評価され、バッテリーの挙動を 8 つの危険レベルに分けました。バッテリーの安全な動作を表すために 3 つの色レベルが定義され、バイナリ ロジスティック回帰分析が実行されました。
テストパラメータ:ほとんどの電気自動車はこれらの電圧範囲内にあるため、各バッテリーに対して 120V、400V、および 800V の電圧レベルで 10 回のテストを実施します。私たちは、より高い電圧レベルでの 2 倍の定格電圧の状況と FreedomCar の過充電テストを比較して、危険が電圧に比例するかどうかを確認しました。メーカーのバッテリー データシートによると、各バッテリーの電流レベルが選択され、NCA バッテリーと NMC バッテリーは 4A に設定され、LFP バッテリーは 1.5A に設定されました。バッテリーは、CID が充電フローを中断するか、テストが終了するまで充電され、各テストは 30 分間続きます。
データ分析:SPSS ソフトウェアは、バッテリーの安全性に重点を置いたデータの統計的評価に使用されます。バイナリロジスティック回帰は、「安全」または「安全でない」の二値表現に基づいて評価するために使用されます。テストの統計的評価には、個別 (記述) 部分と分析 (推論) 部分が含まれます。テストは、化学的特性 (離散カテゴリ変数)、電圧 (連続比率スケーリング変数)、およびテスト結果 (バイナリ 0-1 変数、安全および安全でない) の 3 つの変数を使用して説明できます。
4. 結果
テスト結果の分類:生データの概要を提供するために、危険レベル 3-5 を持つ 3 つのカテゴリがテスト シリーズに対して定義されています。
CID を正しくトリガーする動作:最初のテスト結果カテゴリでは、CID (危険レベル 3) の正しい動作に関するデータが要約されています。テストしたすべてのバッテリーは、10 分間過充電した後、CID を開くのに十分な内部空気圧となり、バッテリーの消耗 (電流低下、電圧上昇) を引き起こしました。 CID は電流の流れを正しく遮断し、バッテリーのさらなる過充電を防止し、安全状態として分類され、危険レベル 3 (グリーン安全行動) としてマークされました。
CID によって不正な動作が引き起こされました:2 番目のカテゴリは、CID によって引き起こされる誤った動作を要約したもので、CID が電流の流れを部分的に遮断し、その結果、強い煙と温度上昇が発生し、危険な状態の危険レベル 4 (黄色の危険な動作) として分類されます。
CID エラーによって引き起こされる動作:最後のカテゴリーには、CID エラーによって引き起こされるデータが含まれます。CID は、電流と電圧を一時的または完全に分離することしかできないため、バッテリーの過充電を防ぐことができず、最終的にバッテリーの燃焼または爆発につながり、危険レベル 5 以上の危険な状態 (赤色) として分類されます。危険な行為）。
5. ディスカッション
テスト規格の制限:FreedomCAR のバッテリー試験基準によると、バッテリーを安全限界まで高めることは困難です。つまり、定格電圧の 2 倍で過充電された場合でも、バッテリーは極端な限界まで追い込まれることはなく、危険な動作を示すことはありません。この電圧範囲 (2-5V) 内では、CID はバッテリーを発火させることなく正極と負極を正しく分離できます。ただし、試験基準はリチウム電池の実際の使用を反映していません。エネルギー貯蔵市場では、最大 800V の電圧を備えた、より高度に相互接続された直列スイッチング システムが存在します。
さまざまな化学的特性を持つバッテリーの性能:120V 一連のテストの結果を考慮すると、NMC および NCA 化学電池は最初の重大な電池挙動を示しましたが、LFP 化学電池は比較的安全であり、危険レベル 5 以上の発火や火災は発生しませんでした。 400V テストでは、NMC および NCA 化学バッテリーの臨界条件は 120V テストに比べて 2 倍になりましたが、LFP バッテリーは依然として臨界状態ではないと考えられます。 800V テストでは、点火段階では NMC バッテリーと NCA バッテリーの性能はほぼ同じでしたが、LFP バッテリーは 120V および 400V の一連のテストと比較して最初の重要な動作を示しました。
危険な行動の理由:「安全ではない」と分類されたすべてのバッテリーでは、エネルギー供給を停止することはできません。つまり、充電電流を中断することはできません。これは、CID がトリガーされたときに発生するアークが原因である可能性があり、充電電流が流れ続け、その結果、アノードとカソード間の接触点が小さいため、電流密度が高くなります。さらに、CID がトリガーされたときに形成される 2 つの接点間の距離は非常に短いため、ブレークダウン電圧が増加し、アーク放電が発生する可能性があります。
6. 結論
現在の標準の欠点:すべてのテストシリーズの結果に基づいて、バッテリーシステムにおけるバッテリーの安全性をテストするための現在の基準は不十分であると結論付けることができます。円筒形電池を直列に接続した電池システムでは、高いシステム電圧下で CID が切断されると臨界アークが形成され、電池の燃焼または爆発が発生する可能性があります。したがって、バッテリ システム内でバッテリが直列に接続されている場合、定格電圧の 2 倍でのバッテリ テストはバッテリの安全な動作にとって重要ではないため、現在の規格を改訂する必要があります。バッテリレベルで実施されるテストは、設置および動作が計画されているバッテリシステムの最大電圧レベルに少なくとも達する必要があることが推奨されます。
CID アプリケーションの考慮事項:非常に高い電圧でバッテリーを過充電すると、危険の可能性が高まることがわかっています。したがって、CID を備えた多数のバッテリーがバッテリー システム内で直列に使用されている場合は、CID のトリガーが致命的なバッテリー故障につながる可能性があるため、その用途を再検討する必要があります。この問題に対する別の解決策は、このような高電圧に耐えられる CID バッテリーを設計することです。