Приложение А (справочное). Рабочая зона безопасного использования аккумуляторов

Приложение А
(справочное)

Рабочая зона безопасного использования аккумуляторов

А.1 Общие положения

В этом приложении объясняется, как определить рабочую зону аккумуляторов для обеспечения их безопасного использования. Рабочая зона определяется условиями заряда, такими как верхний предел напряжения заряда и температура аккумулятора, которые обеспечивают безопасность аккумуляторов.

Изготовители аккумуляторов должны предоставить информацию о рабочей зоне в спецификации аккумуляторов для выработки мер безопасности для потребителей, таких как изготовители батарей и систем. Чтобы обеспечить защиту при возможном отказе контроля при заряде, в системе управления батареи также должны быть предусмотрены соответствующие защитные устройства и функции.

Пределы рабочей зоны указаны для обеспечения минимальной безопасности и отличаются от значений зарядного напряжения и температуры, используемых для оптимизации работы аккумуляторов, таких как циклический ресурс.

А.2 Условия заряда для безопасного использования

А.2.1 Общие положения

Для того чтобы обеспечить безопасное использование аккумуляторов, изготовители аккумуляторов должны установить верхние пределы напряжения, а также температуру аккумулятора, которые применяются во время заряда. Аккумулятор должен заряжаться в пределах заданного диапазона температуры (стандартный диапазон температур) при напряжении, не превышающем верхний предел. Изготовитель аккумуляторов может также установить температурный режим выше или ниже стандартного диапазона температур, при условии обеспечения мер безопасности, таких как снижение зарядного напряжения. Рабочая зона означает диапазон напряжений и температур, при котором аккумуляторы могут быть безопасно использованы. Для рабочей зоны также могут быть установлены максимальный ток заряда и нижний предел напряжения при разряде.

Для вновь разработанного аккумулятора можно использовать ту же рабочую зону, как для исходного аккумулятора, если он имеет тот же самый электродный материал, толщину, конструкцию и сепаратор, как и исходный аккумулятор, и имеет емкость менее 120 % емкости исходного аккумулятора. Новый аккумулятор может рассматриваться как аккумулятор той же серии.

А.2.2 Рассмотрение зарядного напряжения

Напряжение заряда применяется для аккумуляторов таким образом, чтобы обеспечивать протекание нужной химической реакции во время заряда. Однако, если зарядное напряжение слишком высокое, химические реакции протекают в излишнем объеме или происходят побочные реакции и аккумулятор становится термически неустойчивым. Следовательно, крайне важно, чтобы напряжение заряда не превышало значения, указанного заводом - изготовителем аккумуляторов (т.е. верхний предел зарядного напряжения). Когда аккумулятор заряжается при более высоком напряжении, чем верхний предел зарядного напряжения, из активного материала положительного электрода выходит превышенное количество ионов лития и его кристаллическая структура имеет тенденцию к развалу. В этих условиях, в случаях возникновения внутреннего короткого замыкания, тепловой разгон может легче возникнуть, чем для аккумуляторов, заряженных в установленной рабочей зоне. Следовательно, аккумуляторы не должны заряжаться при более высоком напряжении, чем верхний предел зарядного напряжения.

Верхний предел напряжения заряда должен быть установлен изготовителем аккумулятора на основе испытаний, с предоставлением результатов, например, следующим образом:

- результаты испытаний, которые проверяют стабильность кристаллической структуры положительного материала;

- результаты испытаний, которые подтверждают принятие ионов лития в отрицательный активный материал электрода, когда аккумулятор заряжен на верхнем пределе зарядного напряжения;

- результаты испытаний, которые подтверждают, что аккумуляторы, заряженные на верхнем пределе зарядного напряжения, испытаны по испытаниям безопасности раздела 6 при верхнем пределе температурного диапазона и соответствуют критериям приемки для всех испытаний.

А.2.3 Рассмотрение воздействия температуры

А.2.3.1 Общие положения

Заряд вызывает протекание химической реакции и зависит от температуры. Количество побочных реакций или состояние продуктов реакции во время заряда зависит от температуры. Считается, что заряд в области низких или высоких температур вызывает больше побочных реакций и более жесткий с точки зрения безопасности, чем в стандартном диапазоне температур, где безопасно применим верхний предел напряжения заряда. Следовательно, в области низких температур и высоких температур, напряжение и ток заряда должны быть уменьшены от верхнего предела напряжения заряда и/или максимального тока заряда.

А.2.3.2 Область высоких температур

Когда аккумулятор заряжают при более высокой температуре, чем стандартный диапазон температур, показатели безопасности аккумулятора имеют тенденцию к снижению из-за снижения стабильности кристаллической структуры. Кроме того, в области высоких температур, как правило, имеется тенденция теплового разгона, при относительно небольшом изменении температуры.

В результате заряд аккумуляторов в области высоких температур должен контролироваться следующим образом:

- когда температура поверхности аккумуляторов находится внутри области высоких температур, указанной изготовителем аккумуляторов, применяют особые условия заряда, такие как снижение напряжения заряда и тока;

- когда температура поверхности аккумуляторов выше, чем верхний предел области высоких температур, аккумулятор не должен подвергаться заряду ни при каких значениях зарядного тока.

А.2.3.3 Область низких температур

Когда аккумулятор заряжается в области низких температур, снижается скорость массопереноса и скорость внедрения ионов лития в отрицательный материал будет низкой. Следовательно, на поверхности углерода легко высаживается металлический литий. В этом состоянии аккумулятор становится термически нестабилен и склонен перегреваться и вызвать переход в тепловой разгон. Кроме того, в области низкой температуры прием ионов лития сильно зависит от температуры. В системе литиевых батарей, которая состоит из нескольких аккумуляторов в последовательном соединении, прием ионов лития в каждом аккумуляторе различается в зависимости от температуры аккумулятора, что снижает безопасность батарейной системы.

Как следствие, заряд аккумуляторов в области низких температур должен контролироваться следующим образом:

- когда температура поверхности аккумулятора находится внутри области низких температур, указанной изготовителем аккумуляторов, применяются особые условия заряда, такие как снижение напряжения заряда и тока;

- когда температура поверхности аккумуляторов ниже нижней границы области низких температур, аккумулятор не должен подвергаться заряду ни при каких значениях зарядного тока.

А.3 Пример рабочей зоны

Рисунок А.1 иллюстрирует типичный пример рабочей зоны для заряда. В том случае, если это оговорено изготовителем*, при температуре выше или ниже стандартного диапазона температур, допустимо заряжать аккумулятор при условии, что применяется указанное изготовителем меньшее напряжение заряда и/или тока. Рабочая зона может быть задана в виде ступенчатой формы, как показано на рисунке А.1, или с диагональными линиями. На рисунке А.2 показан пример рабочей зоны для разряда.

------------------------------

* Указание предельно возможного значения температуры и особенности заряда (напряжение, ток заряда) изготовителем является обязательным для принятия решения о проведении заряда при низких и высоких температурах.

Т₁  Т₂ - область низких температур; Т₂  Т₃ - стандартный диапазон температур; Т₃  Т₅ - область высоких температур

Рисунок А.1 - Пример рабочей зоны заряда типичных литий-ионных аккумуляторов

Т₁  Т₂ - область низких температур; Т₂  Т₃ - стандартный диапазон температур; Т₃  Т₄ - область высоких температур

Рисунок А.2 - Пример рабочей зоны разряда типичных литий-ионных аккумуляторов