Приложение А (обязательное). Рабочая зона безопасного использования аккумуляторов

Приложение А
(обязательное)

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 батарейных блоков и систем. В системе контроля и управления батареи также должны быть предусмотрены соответствующие защитные устройства и функции, чтобы обеспечить защиту при возможном отказе контроля при заряде.

Пределы рабочей зоны указаны для обеспечения минимальной безопасности и отличаются от значений зарядного напряжения и температуры, используемых для оптимизации эксплуатационных характеристик аккумуляторов, например, циклического ресурса.

А.2 Условия заряда для безопасного использования

Для того чтобы обеспечить безопасное использование аккумуляторов, изготовители аккумуляторов должны установить верхние пределы напряжения, а также температуру аккумулятора, которые допускаются 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 определяет диапазон напряжений и температур, при котором аккумуляторы могут быть безопасно использованы. Для рабочей зоны также может быть установлен максимальный ток заряда.

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

А.3 Влияние воздействия зарядного напряжения

Напряжение заряда применяется для аккумуляторов таким образом, чтобы обеспечивать протекание 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 изготовителем аккумуляторов (т.е. верхний предел напряжения заряда). Когда аккумулятор заряжается при более высоком напряжении, чем верхний предел напряжения заряда, из активного материала положительного электрода выходит превышенное количество ионов лития и его кристаллическая структура имеет тенденцию к разрушению. В этих условиях, в случаях возникновения внутреннего короткого замыкания, тепловой разгон может возникнуть легче, чем для аккумуляторов, заряженных в установленной рабочей зоне. Следовательно, аккумуляторы не должны заряжаться при напряжении, превышающем верхний предел напряжения заряда.

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 напряжения заряда;

- результаты испытаний, которые подтверждают, что аккумуляторы, заряженные на верхнем пределе напряжения заряда, испытаны согласно разделу 6 при верхнем пределе температурного диапазона и соответствуют критериям приемки для всех испытаний.

А.4 Влияние воздействия температуры

Заряд вызывает протекание химической реакции и зависит от температуры. Количество побочных реакций или состояние продуктов реакции во время заряда зависит от температуры. Заряд в области низких или высоких температур вызывает больше побочных реакций, и с точки зрения обеспечения безопасности он более трудный, чем в стандартном диапазоне температур, в котором безопасно применяется верхний предел напряжения заряда. Следовательно, как в области низких температур, так и в области высоких температур напряжение и ток заряда должны быть снижены относительно верхнего предела напряжения заряда и/или максимального тока заряда.

А.5 Область высоких температур

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

В связи с этим 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.6 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 термически нестабилен, 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.

В связи с этим 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.7 Условия разряда для безопасного использования

Основными параметрами обеспечения безопасности во время разряда являются напряжение, ток и температура. Напряжение всегда должно быть выше нижнего предела разрядного напряжения аккумулятора. Ток никогда не должен превышать максимальный ток, установленный изготовителем аккумуляторов. Температура всегда должна быть в установленных пределах температур (ограничений по низким и высоким температурам). Напряжение аккумулятора должно быть выше установленного изготовителем значения нижнего напряжения разряда аккумулятора для того, чтобы предотвратить непредвиденный критический отказ. Кроме того, установка напряжения конца разряда выше нижнего предела напряжения разряда определена изготовителем аккумулятора для того, чтобы поддерживать правильный резерв для рабочей зоны аккумулятора и оптимизировать его рабочие характеристики.

А.8 Пример рабочей зоны аккумуляторов

Рисунок А.1 иллюстрирует типичный пример рабочей зоны для заряда. При температуре выше или ниже стандартного диапазона температур допустимо заряжать аккумулятор при условии, что применяется 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.

T₁ T₂ - область низких температур;

T₂ T₃ - стандартный диапазон температур;

T₃ T₄ - область высоких температур.

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

T₁ Т₂ - область низких температур;

T₂ T₃ - стандартный диапазон температур;

T₃ T₄ - область высоких температур.

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