Литий-ионные аккумуляторы представляют угрозу безопасности как в гражданской авиации, так и на автомобильном транспорте, а также в транспорте и бытовой технике. Чтобы найти решение этих проблем, было изучено влияние механической вибрации на производительность и тепловой разгон литий-ионных аккумуляторов в условиях низкого напряжения. В условиях низкого напряжения механическая вибрация вызывает повышение температуры термического разгона литий-ионных аккумуляторов и значительное изменение времени срабатывания предохранительных клапанов.

Механические вибрации низкой частоты и большой амплитуды ускоряют процесс короткого замыкания аккумулятора, а высокочастотные вибрации увеличивают температуру воспламенения и объем выхлопа литиевых батарей. Для литий-ионных аккумуляторов 18650 температура срабатывания предохранительного клапана составляет 140–150 ℃. Когда предохранительный клапан выдвигается, интенсивность выброса газа относительно высока, и сигнал газа может быть ключевым фактором для предупреждения о безопасности литиевой батареи. После низковольтной вибрации разрядная емкость литий-ионных аккумуляторов меньше, чем у оригинального аккумулятора, а скорость разряда выше, чем у оригинального аккумулятора.

1 Тип неисправности литий-ионного аккумулятора

Являясь «сердцем» автомобиля, литий-ионные аккумуляторы определяют расстояние, пройденное автомобилем. Система литий-ионных аккумуляторов состоит из четырех основных компонентов: аккумуляторных модулей (однорядные параллельные элементы), системы управления аккумулятором (BMS), системы управления температурным режимом, а также электрических и механических компонентов. Основная функция БМ заключается в контроле напряжения, тока и температуры батареи в режиме реального времени с помощью датчиков корпуса, исполнительных механизмов, основных микросхем управления и т. д. Однако из-за внутреннего старения и разрушения каждой отдельной батареи в аккумуляторном блоке, поскольку Помимо коррозии цепи во время процесса группировки батареи, неправильная эксплуатация во время использования может привести к аномальным внешним факторам, таким как перезарядка и разрядка. Совместное действие этих внутренних и внешних факторов приводит к внутренним и внешним отказам аккумулятора. Внутренние неисправности литий-ионных аккумуляторов можно разделить на такие типы, как перезарядка, чрезмерная разрядка, внутреннее короткое замыкание и тепловой разгон.

Внутренние неисправности вызваны неисправностью BMS и самого датчика, что не позволяет датчику работать должным образом. С другой стороны, они вызваны электрохимическими реакциями и внутренними короткими замыканиями во внутренней структуре батареи, что приводит к явлению дендрита лития. Однако опасность внешних неисправностей литий-ионных аккумуляторов обычно выше, чем внутренних. Внешние сбои могут спровоцировать цепную реакцию внутренних сбоев, что в конечном итоге приведет к неконтролируемому нагреву. Отказы датчиков часто легче всего не заметить, но это может привести к серьезным последствиям.

BMS использует датчики для выполнения таких функций, как сбалансированное управление, диагностика неисправностей и оценка состояния заряда (SOC). Если датчик испытывает отклонения, дрейф или перестает работать, он не может получать данные в реальном времени и делать точные и разумные суждения о текущем состоянии батареи. Это может не только снизить производительность, но и стать причиной серьезных аварий, связанных с безопасностью. Однако из-за высокой скрытности датчиков диагностика затруднена, что также является предметом и сложностью современных исследований датчиков.

BMS управляет аккумуляторными блоками, состоящими из сотен или даже тысяч отдельных батарей. Из-за схожих характеристик неисправностей аккумуляторных элементов, неисправностей датчиков и неисправностей разъемов, а также того факта, что многие неисправности по существу малы и хорошо скрыты, их сложно быстро идентифицировать. Таким образом, BMS иногда приводит к неправильному диагнозу и неправильной эксплуатации. Для безопасности автомобиля крайне важно быстро обнаруживать и точно диагностировать многочисленные неисправности аккумуляторной батареи. Процесс диагностики неисправностей аккумуляторной батареи можно условно разделить на четыре аспекта: обнаружение неисправностей, классификация неисправностей, локализация неисправностей и изоляция неисправностей. Обработка данных аккумуляторов играет основополагающую роль в диагностике неисправностей аккумуляторов, а эффективность шумоподавления можно эффективно проверить путем использования методов математической морфологической фильтрации.

2 Проблемы с методами диагностики по измерению напряжения

(1) На практике системы управления батареями могут измерять только напряжение на клеммах каждой отдельной батареи в аккумуляторном блоке. Чтобы величина измерения напряжения включала в себя напряжение на отдельных клеммах и напряжение на разъемах, необходимо добавлять дополнительные линии измерения, что, несомненно, увеличивает сложность оборудования. Если в начале проектирования системы управления аккумулятором собранное напряжение включает в себя напряжение на клеммах и напряжение на разъеме, это приведет к тому, что система управления аккумулятором не сможет точно получить напряжение на выводах аккумулятора и, таким образом, неспособен эффективно контролировать и управлять зарядкой и разрядкой аккумулятора, который склонен к перезарядке и разрядке.

(2) Изменения напряжения, вызванные изменениями внутреннего сопротивления батареи, аналогичны изменениям напряжения при неисправностях соединения. Оба они имеют один и тот же порядок величины, поэтому методы диагностики, основанные на сигналах напряжения, также сталкиваются с проблемой различения неисправностей соединения и неисправностей с повышенное внутреннее сопротивление аккумулятора.

(3) При незначительном ослаблении соединения внутри аккумуляторной батареи увеличение контактного сопротивления очень незначительное. Если рабочий ток аккумуляторной батареи невелик, такая ошибка подключения не вызовет существенных изменений сигнала напряжения. Таким образом, упомянутый выше метод диагностики на основе сигнала напряжения может быть не в состоянии обнаружить небольшое ослабление соединения на ранней стадии.

3 Влияние вибрация

Провести испытания зарядки и разрядки при атмосферном давлении аккумуляторов, подвергнутых вибрационной обработке низким напряжением, чтобы продемонстрировать изменения в характеристиках зарядки и разрядки литиевых батарей после авиационной перевозки. Результаты показали, что после обработки частотой вибрации 60 Гц и 80 Гц в среде с низким напряжением эффект зарядки был ниже, чем у исходной батареи, а обработка частотой 60 Гц оказала наиболее существенное влияние на емкость литиевых батарей;

Все остальные частоты вибрации ускоряют скорость зарядки, а изменение значительно при 120 Гц. В процессе разряда кривая литий-ионного аккумулятора при виброобработке частотой 120 Гц имеет наибольшее отклонение, а кривая при 200 Гц имеет наименьшее отклонение. Остальные отклонения варьируются от малых до больших, включая 60 Гц, 80 Гц, 180 Гц, 160 Гц, 140 Гц и 100 Гц.

Было обнаружено, что не было положительной корреляции между частотой вибрации и ситуацией разряда, что может указывать на то, что повреждение конструкции, вызванное вибрацией, связано с реакцией собственной конструкции батареи на частоту и амплитуду. Некоторые частоты и амплитуды вибрации оказывают большее повреждение конструкции литиевых аккумуляторов 18650.

Из общего сравнения кривых зарядки и разрядки можно обнаружить, что разрядная емкость всех батарей, подвергшихся вибрации, меньше, чем у оригинальной батареи, а скорость разряда выше, чем у оригинальной батареи. Это вполне может указывать на то, что механическая вибрация повлияет на емкость и характеристики разряда аккумулятора.

Фактически, после воздействия механической вибрации степень контакта между положительными и отрицательными электродами в электролите литий-ионных аккумуляторов изменится, что приведет к изменению площади контакта между электродом и раствором электролита, что затрудняет перенос ионов лития к отрицательному электроду во время зарядки и разрядки и, таким образом, уменьшает количество лития, внедренного в отрицательный электрод.

Заключение 4

В данной статье предлагается метод диагностики неисправностей соединений литий-ионных аккумуляторов на основе сигналов механической вибрации и получены следующие выводы. Использование различных пьезоэлектрических керамических листов для генерации вибрационного возбуждения, измерения вибрационной реакции и извлечения частотно-временных характеристик из ответного сигнала позволяет эффективно классифицировать режимы неисправности одноточечного и многоточечного соединения. Будущая работа позволит оптимизировать компоновку пьезоэлектрических керамических листов, собирать сигналы вибрации из окружающей среды транспортного средства и сделать этот метод пригодным для диагностики неисправностей подключения литий-ионных аккумуляторных батарей в транспортных средствах.