Что защищает литиевые АКБ от короткого замыкания

Короткое замыкание внутри литиевых аккумуляторов возникает не так часто. Его может спровоцировать некорректное обращение при эксплуатации или сбой системы управления батареи (BMS).

Три ключевые причины возникновения КЗ:

• механическая деформация в виде повреждения целостности конструкции или прокола аккумуляторного элемента. Она может спровоцировать частичный разрыв защитного сепаратора, разделяющего полярные электроды;
• электрохимическое повреждение, выраженное выпадением литиевого осадка и ростом металлических отложений в элементах батареи. Оно происходит в результате неправильной эксплуатации. В дальнейшем отложения в виде так называемых дендритов разрушают сепаратор;
• термическое повреждение, вызванное воздействием высокой температуры. Из-за этого происходит глобальная усадка и повреждение разделительной мембраны.

При коротком замыкании аккумуляторная ячейка нагревается из-за возникшего внутри неё большого тока. Критическая температура также воздействует на соседние элементы. Этот процесс может привести к тепловому разгону, который полностью дестабилизирует работу тяговой литиевой батареи.

Три этапа внутреннего короткого замыкания:

• начальный: возникшее короткое замыкание вызывает медленный спад давления. Система охлаждения справляется с небольшим потоком выделяемого тепла, поэтому температура Li-ion источника питания остаётся практически неизменной. Обычно эта стадия протекает долго, а обнаружить её проблематично;
• средний: происходит существенное падение напряжения, и система охлаждения не успевает выводить скопившееся тепло. Литий-ионный аккумулятор нагревается. Этот этап короче начального и проще идентифицируется благодаря более очевидным признакам;
• конечный: напряжение в повреждённых элементах окончательно падает. Внутри аккумулятора сразу выделяется слишком много тепла, а также происходит тепловой разгон. Эта стадия отличается стремительностью и необратимостью.

Как обнаружить короткое замыкание

Чтобы предотвратить тепловой разгон, существует пять методов ранней диагностики возможного КЗ внутри литиевых тяговых батарей:

1. Определение изменений зафиксированных показателей

Для прогнозирования состояния литий-ионной АКБ создаётся специальная модель. После измеряются и фиксируются показатели напряжения и температуры при зарядке и разрядке аккумулятора. Данные анализируют, а затем сравнивают с прогнозируемыми значениями. Однако данный метод малоэффективен, поскольку не позволяет выявить короткое замыкание на начальном этапе, когда напряжение и температура почти не меняются. Также его невозможно использовать при параллельном соединении литиевых батарей.

2. Выявление аномального возобновления напряжения

Аномальное восстановление напряжения может возникать при зарядке или разрядке литиевой батареи. Этот процесс характерен только для элементов с керамической мембраной и свидетельствует о внутреннем КЗ. Этот метод диагностики не является универсальным, поскольку позволяет обнаружить неполадку только в литиевых аккумуляторах определённого типа, соединённых последовательным способом.

3. Определение уровня саморазряда

Короткое замыкание в аккумуляторной батарее сопровождается критическим саморазрядом. Его можно выявить, если сравнить уровень напряжения до простоя и после него. Следовательно, этот способ не сможет выявить короткое замыкание при эксплуатации аккумулятора, а также при параллельном соединении блоков.

4. Проверка согласованности ячеек

О возникшем коротком замыкании могут свидетельствовать изменившиеся напряжение, ёмкость, уровень заряда и другие показатели одного из элементов АКБ. При этом параметры повреждённой ячейки должны сильно отличаться от характеристик соседних элементов. Однако на начальном этапе КЗ такой метод нельзя назвать оптимальным, поскольку отследить изменения ёмкости и напряжения элемента практически невозможно. Также он не подходит для диагностики параллельно соединённых литиевых батарей.

5. Выявление специальных схем

Для определения напряжения и тока в симметричной кольцевой цепи используется специальная методика. Если обнаруживается нарушение симметрии параметров цепи, то можно точно определить, в каком аккумуляторе произошло внутреннее короткое замыкание. Этот метод эффективен при параллельном соединении аккумуляторов. Однако у него есть и недостатки: высокая стоимость оборудования и возможное влияние на динамическую согласованность аккумуляторной батареи.

Что минимизирует риск возникновения КЗ внутри литиевого аккумулятора: 

• использование улучшенных комплектующих и применение новых технологий производства литий-ионных АКБ;
• повышение защитной системы батареи и модернизация её конструкции;
• соблюдение правил эксплуатации.

Подробнее рассмотрим первые два пункта.

Материалы и технологии изготовления Li-ion батарей

Чтобы снизить вероятность возникновения внутреннего короткого замыкания, разработчики литий-ионных источников питания улучшают качественные характеристики защитной мембраны в виде сепаратора, а также совершенствуют состав электролита и покрытий полярных электродов. Помимо этого, снижению брака способствует модернизация производственных процессов.

• керамический сепаратор способен выдерживать высокие температуры и обладает низкой скоростью саморазряда. В совокупности с огнестойким электролитом он снижает вероятность образования дендритов;
• низкопроводящие составы или материалы с положительным термическим коэффициентом, которыми покрывают электроды аккумуляторных ячеек, снижают образование тепла и появление тока внутреннего короткого замыкания;
• очищение электролита и мембраны от примесей позволяет предотвратить возникновение необратимых процессов, а также снижает риск КЗ из-за пробоя мембраны металлическими осадками;
• внедрение технологий, позволяющих определить внутреннюю целостность элементов АКБ, точность обработки и выравнивания положительных и отрицательных деталей, минимизируют вероятность возникновения короткого замыкания.

Современное ПО и надёжная система безопасности

Адекватный процесс предупреждения и управления безопасностью выстраивается за счет программирования BMS-платы. Она отслеживает состояние элементов литиевого аккумулятора, выявляет проблемные участки и ликвидирует потенциальные риски. Также угроза возникновения КЗ нивелируется благодаря резервированию и стабилизации режимов зарядки и разрядки.

Современные литиевые тяговые АКБ изначально оснащены предохранителями ячеек, модулей, самого аккумулятора и питания всего транспортного средства. Многоуровневая система предохранителей обеспечивает достойную защиту.

Также немаловажную роль играет грамотно спроектированная система охлаждения Li-ion аккумулятора. Она обеспечивает вывод избыточного тепла и предотвращает тепловой разгон. Вместе с этим, предварительный нагрев батареи до оптимального показателя перед запуском помогает избежать формирования дендритов.

Заключение

Для диагностики внутреннего КЗ в ячейках современных литиевых
батареях существует несколько методов. Также производители оснащают аккумуляторы многоуровневой защитой и применяют меры, чтобы снизить коэффициент брака при изготовлении АКБ. В это же время разумная эксплуатация литиевых источников питания также способна снизить риск возникновения короткого замыкания. АКБ необходимо защищать от повреждений, воздействия критически низких или высоких температур, а также избегать перезаряда или полного разряда.