2.1.2 Thử nghiệm quá tải/xả quá ngưỡng

Để đánh giá chức năng của hệ thống bảo vệ quá tải/xả quá mức, có thể xảy ra khi việc sạc hoặc xả pin vượt quá giới hạn do nhà sản xuất khuyến nghị, chẳng hạn như hỏng bộ sạc. Hầu như tất cả các tiêu chuẩn và quy định đều quy định mục kiểm tra này

Các mối nguy hiểm an toàn quan trọng trong quá trình sạc quá mức là sự phân hủy chất điện phân, sự cố catốt và anot, sự thoái hóa màng ngăn và sự phân hủy tỏa nhiệt của lớp phủ lithium, dẫn đến pin quá nhiệt và nhiệt độ không thể kiểm soát. Nếu đạt đến nhiệt độ đủ cao (ví dụ 200 ℃), chất kết dính flo sẽ trải qua phản ứng tỏa nhiệt với cacbon lithium. Các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả thử nghiệm bao gồm tốc độ sạc và SOC cuối cùng.

Đối với thử nghiệm quá tải, sạc pin theo dòng điện sạc được chỉ định trong tiêu chuẩn cho đến khi đạt được điều kiện sạc cuối đã đặt (như 200% SOC, 130% SOC, v.v.) hoặc sử dụng thiết bị bảo vệ (như ngắt sạc, giảm dòng điện, v.v.). Có sự khác biệt lớn trong các quy định của một số tiêu chuẩn và quy định về dòng điện sạc quá tải và điều kiện cuối sạc, dẫn đến sự khác biệt lớn trong kết quả thử nghiệm và kết quả thử nghiệm của các tiêu chuẩn và quy định khác nhau không thể so sánh được. Nhiệt độ bắt đầu của sự chạy trốn nhiệt của pin quá tải (SOC> 100%) cho thấy nhiệt độ bắt đầu thấp hơn (trong khoảng 65 ~ 80 ℃).

Tai nạn nghiêm trọng thường xảy ra với các cell pin bị sạc quá mức nghiêm trọng (ví dụ: gấp đôi dung lượng định mức), nhưng các chu kỳ sạc/xả lặp đi lặp lại ở mức sạc quá mức trung bình (110% SOC) cũng có thể dẫn đến đoản mạch bên trong hoặc hỏng pin.

Kiểm tra quá tải (hoặc xả cưỡng bức) cũng rất quan trọng. Nguy cơ an toàn trong quá trình xả quá mức là đảo ngược cực, dẫn đến quá trình oxy hóa bộ thu anot và mạ ở phía catot. Ngay cả quá tải nhỏ cũng có thể dẫn đến hình thành dendrite và cuối cùng là đoản mạch. Trong quá trình kiểm tra quá tải, hãy xả pin đã sạc đầy (ví dụ: tốc độ 1C trong 1,5 giờ hoặc tốc độ xả C / 3 cho đến khi thiết bị được kiểm tra ngắt hoặc giới hạn quá trình xả). Các thông số kiểm tra của các tiêu chuẩn và quy định khác nhau rất khác nhau. Có thể kết luận rằng kết quả kiểm tra có thể phụ thuộc vào các tiêu chuẩn hoặc quy định được tuân theo. Do đó, cần phải thống nhất các thông số kiểm tra cho các thử nghiệm có thể so sánh được.

2.2 Thử nghiệm môi trường khắc nghiệt

Thử nghiệm môi trường nhằm mục đích đánh giá hiệu suất an toàn của hệ thống trong điều kiện nhiệt độ thay đổi, chẳng hạn như hỏa hoạn do nhiệt độ môi trường ở các khu vực khác nhau hoặc tai nạn do thời tiết khắc nghiệt. Các thử nghiệm môi trường khắc nghiệt phổ biến nhất được mô tả dưới đây: thử nghiệm sốc nhiệt và chu kỳ, thử nghiệm ổn định nhiệt, thử nghiệm quá nhiệt và thử nghiệm cháy bên ngoài.

2.2.1 Thử nghiệm chu kỳ và sốc nhiệt độ

Bài kiểm tra này rất quan trọng để đánh giá những thay đổi về tính toàn vẹn của DUT do tiếp xúc với những thay đổi nhiệt độ cực độ và đột ngột (ví dụ, sự giãn nở và co lại của các thành phần pin khi xe vào hoặc ra khỏi gara có sưởi ấm hoặc đông lạnh trong quá trình vận chuyển). Trong quá trình kiểm tra sốc nhiệt độ và chu kỳ, DUT sẽ chịu được hai giới hạn nhiệt độ, nhiệt độ cao và nhiệt độ thấp, và duy trì thời gian quy định dưới mỗi giới hạn nhiệt độ. Các bài kiểm tra sốc nhiệt độ và chu kỳ được mô tả trong các tiêu chuẩn và quy định có các giới hạn nhiệt độ tối đa khác nhau. Giới hạn nhiệt độ thấp hơn của tất cả các tiêu chuẩn và quy định là – 40 ° C (nhiệt độ tối thiểu của IEC62660-2 khi vận hành trực tiếp là – 20 ℃), mặc dù giới hạn nhiệt độ cao hơn là khác nhau.

Điều đáng chú ý là UN / ECER-100 .02:2013 cho phép vận hành thiết bị bảo vệ trong quá trình thử nghiệm này, trong khi ở các tiêu chuẩn quốc tế khác, thiết bị bảo vệ bị vô hiệu hóa, điều này làm cho các điều kiện thử nghiệm trở nên nghiêm ngặt hơn.

2.2.2 Thử nghiệm độ ổn định nhiệt

Thử nghiệm này rất quan trọng để đánh giá độ ổn định của pin ở nhiệt độ cao nhằm xác định nhiệt độ bắt đầu của pin bị mất kiểm soát nhiệt hoặc độ ổn định ở nhiệt độ cao. Trong quá trình thử nghiệm, nhiệt độ của pin sẽ được tăng theo các bước 5 ℃ / phút, tăng đến nhiệt độ quy định và duy trì trong 30 phút hoặc cho đến khi xảy ra hư hỏng lớn đối với DUT.

Quy định của SAEJ2464:2009 nghiêm ngặt hơn. Không chỉ yêu cầu tốc độ tăng nhiệt độ là 5 ℃ / phút, mà còn phải duy trì trong 30 phút ở mỗi bước nhiệt độ, mà còn phải đạt nhiệt độ tối đa là 300 ℃ (cao hơn nhiệt độ làm việc tối đa của pin) cho đến khi nhiệt độ đạt 300 ℃ hoặc xảy ra hiện tượng tự gia nhiệt (lớn hơn 1,0 ℃ / phút). Được sử dụng để đánh giá thời gian bắt đầu chạy trốn nhiệt và độ ổn định nhiệt của pin.

Các tiêu chuẩn khác đánh giá hiệu suất của pin ở nhiệt độ cao. Mục đích không phải là để đạt được trạng thái nhiệt độ cao, mà là để đánh giá độ ổn định nhiệt của DUT ở nhiệt độ đó. Pin được thêm vào theo các bước 5 ℃ / phút từ nhiệt độ phòng, tăng lên 130 ℃ và đặt ở nhiệt độ này trong 30 phút. Mặc dù độ ổn định nhiệt rất quan trọng đối với sự an toàn của hệ thống lưu trữ năng lượng, nhưng chúng không được yêu cầu rộng rãi trong tất cả các tiêu chuẩn.

2.2.3 Thử nghiệm quá nhiệt

Kiểm tra quá nhiệt (còn được gọi là sạc/xả nhanh, kiểm tra bảo vệ quá nhiệt) nhằm đánh giá tác động của lỗi kiểm soát nhiệt độ hoặc lỗi chức năng bảo vệ khác đối với tình trạng quá nhiệt bên trong pin.

Đối với thử nghiệm này, cả tiêu chuẩn EU và quốc tế đều yêu cầu hệ thống kiểm soát nhiệt chủ động (ví dụ như hệ thống làm mát) của DUT phải được tắt và thử nghiệm xả điện tích phải được thực hiện liên tục. Không có khoảng thời gian giữa quá trình sạc và xả, điều này sẽ dẫn đến nhiệt độ của DUT tăng lên. Ba tiêu chuẩn quốc tế yêu cầu thử nghiệm phải được thực hiện trong không gian hạn chế để đánh giá khả năng bắt lửa của bất kỳ vật liệu khí nào thoát ra từ pin trong quá trình thử nghiệm.

Tiêu chuẩn UN / ECE-R100.02:2013 có liên quan không yêu cầu thử nghiệm phải được tiến hành trong không gian hạn chế. Tất cả các tiêu chuẩn đều yêu cầu chấm dứt thử nghiệm trong trường hợp DUT bị hỏng (ví dụ, rò rỉ chất điện phân, vỡ, cháy hoặc nổ).

2.2.4 Thử lửa bên ngoài

Mục đích của thử nghiệm cháy bên ngoài là đánh giá nguy cơ nổ của pin hoặc xe khi tiếp xúc với nhiệt độ cao hoặc ngọn lửa bên ngoài. Nguồn cháy có thể do rò rỉ nhiên liệu từ chính xe hoặc các xe gần đó.

Ba loại thử nghiệm:

(1) Kiểm tra nhiệt bức xạ: Pin SAEJ 2464:2009 (100% SOC)

Đặt trong một thiết bị kim loại hình trụ, được làm nóng bằng bức xạ. Nhiệt độ phải đạt 890 ℃ trong vòng 90 giây và duy trì trong 10 phút. Ghi lại quá trình thử nghiệm pin hoặc sau khi thử nghiệm, bao gồm biến dạng, rò rỉ, cháy, nổ, v.v.

(2) Thử nghiệm đạn: SAEJ 2929:2013 phơi DUT trong ngọn lửa đồng đều và bao quanh DUT bằng lưới thép, sao cho các mảnh vỡ do pin nổ không thể xuyên qua lưới thép. Toàn bộ hệ thống pin phải chịu nhiệt độ cao và môi trường ngọn lửa cho đến khi hệ thống pin cháy hoàn toàn. Khi đạt đến điều kiện này, hãy tháo nguồn nhiệt bên ngoài và nguồn lửa và để hệ thống pin tiếp tục cháy. Khi không nhìn thấy ngọn lửa, thử nghiệm đã hoàn tất và thời gian quan sát bắt đầu sau khi thử nghiệm.

(3) Thử nghiệm đốt cháy chảo dầu: thử nghiệm được mô tả trong UN / ECE-R 100.02: 2013 và iso6469-1: 2019 được thực hiện bằng cách đốt nhiên liệu trong chảo dầu. DUT được đặt trên bàn ma sát phía trên đĩa thử nghiệm đã nạp nhiên liệu. Trong quá trình thử nghiệm, đốt cháy nhiên liệu trong đĩa thử nghiệm cách DUT ít nhất 3M và làm nóng trước DUT trong 60 giây. Sau đó, đặt chảo nhiên liệu bên dưới DUT (khoảng cách là 50cm hoặc chiều cao từ mặt đất của bề mặt đáy của đối tượng thử nghiệm khi xe không tải hoặc theo thỏa thuận giữa nhà sản xuất và khách hàng) và phơi DUT trực tiếp vào ngọn lửa trong 70 giây. Đậy tấm che chịu lửa trên chảo dầu và thử nghiệm DUT ở trạng thái này trong 60 giây. Tháo khay dầu và quan sát trong 3 giờ theo UN / ECE-R 100.02:2013 và ISO 6469-1:2019 hoặc cho đến khi DUT đạt đến nhiệt độ môi trường. Nếu không có dấu hiệu nổ trong quá trình thử nghiệm, thì thử nghiệm được thông qua.

3. Kết luận

Bài báo này thực hiện phân tích so sánh toàn diện các tiêu chuẩn và quy định khác nhau về hiệu suất an toàn của pin lithium-ion cho xe điện trong các hạng mục thử nghiệm về an toàn điện và môi trường khắc nghiệt. So sánh các thông số và điều kiện thử nghiệm được sử dụng trong các phương pháp thử nghiệm được mô tả trong các tiêu chuẩn và quy định này. Các kết luận sau đây được rút ra từ phân tích đã thực hiện:

Các điều kiện thử nghiệm (ví dụ SOC, nhiệt độ) của một số thử nghiệm (ví dụ quá tải, sốc nhiệt, cháy bên ngoài, v.v.) khá rộng. Điều này khiến các tiêu chuẩn khác nhau không thể có được dữ liệu và sự khác biệt về các thông số có thể là do các kịch bản khác nhau được các nhà sản xuất tiêu chuẩn xem xét. Để thực hiện thử nghiệm công bằng và tương đương, nên thống nhất các thông số và điều kiện thử nghiệm. Vì trường hợp xấu nhất thường tương ứng với SOC tối đa, nên việc thực hiện các thử nghiệm có liên quan trong trường hợp này là hợp lý. Hầu hết các tiêu chuẩn đã yêu cầu 100% SOC, nhưng quy định UN / ECE-R100.02:2013 cho phép thử nghiệm ở mức không dưới 50% SOC.

Cũng cần chú ý đến khả năng so sánh của các thử nghiệm thành phần của cell pin, mô-đun và bộ pin. Ví dụ, đã chỉ ra rằng dòng điện ban đầu xảy ra trong thử nghiệm ngắn mạch bị ảnh hưởng bởi kích thước của DUT và loại kết nối của nó (tức là song song hoặc nối tiếp).

Theo quan điểm về an toàn điện và yêu cầu thử nghiệm môi trường khắc nghiệt đối với pin lithium-ion (cell pin, mô-đun pin, bộ pin hoặc hệ thống) dành cho xe điện, các điều kiện thử nghiệm theo yêu cầu của các tiêu chuẩn và quy định khác nhau là không nhất quán, do đó kết quả thử nghiệm của cùng một hạng mục thử nghiệm không thể so sánh được.