EN
Тайлбар
Безосон нисдэг төхөөрөмжид (БНТ) ашигладаг литийн суурьтай батарейн хавангаас үүдэлтэй эвдрэл нь үйл ажиллагааны найдвартай байдал, аюулгүй байдлыг шууд нөлөөлдөг чухал асуудал юм. Энэхүү судалгаа нь хаванг үүсгэдэг физик-химийн механизмийг тодорхой, системчилсэн байдлаар судалж, ажиллаж буй болон хадгалалтын үеийн хавангаас үүдэлтэй зан төлөвийг ялгаж, холбогдох аюул, эрсдлийг үнэлж, баталгаатай урьдчилан сэргийлэх арга замуудыг санал болгож байна. Цахилгаан химийн онолыг БНТ-ийн тодорхой ашиглах загваруудтай интеграцчилан энэхүү судалгаа нь илүү аюулгүй нисдэг төхөөрөмжийн үйл ажиллагааг дэмжих, цаашид батарейн удирдлагын систем (BMS) сайжруулахад зориулсан мэдээлэл өгөх зорилготой юм.
1. Оршил
Литий-ион (Li-ion) ба литий-полимер (LiPo) батареууд нь өндөр энергиийн нягтшил, хөнгөн бүтэц, тогтвортой цэнэгийн гаралтын шинж чанараараа БПД-уудын гол энергийн эх үүсвэр болсон. Агаар дахь зураглал, нарийн хөдөө аж ахуй, яаралтай тусламж, үйлдвэрийн шалгалт гэх мэт салбарт БПД-ийн хэрэглээ өргөжих тусам онбордын цахилгаан хангамжийн системийн найдвартай байдал нэмэлтээр чухал болсон.
Давуу талуудынхаа эсрэгээр литийн суурьтай батареууд нь дулааны стресс, механик цохигдол, тохиромжгүй цэнэглэлт эсвэл тохиромжгүй хадгалалтын нөхцөлд задрах эрсдэлтэй. Эдгээр задралын олон хэлбэрүүдийн дотор батарейн хальс эсвэл бүрхүүл анормал томрох үзэгдэл буюу 'хавагнах' нь гол аюулгүй байдлын асуудал болон гарч ирсэн. Хавагнах нь батарейн ажиллагааг бууруулах төдийгүй гал гарах, хальс задрах, хортой хий ялгаруулах эрсдлийг нэмэгдүүлдэг.
Энэхүү судалгааны ажил нь хийнэлтийн механизм, нөлөөлөх хүчин зүйлс болон БПД-ийн үйлчилгээний орчинд тохируулсан урьдчилан сэргийлэх арга хэмжээнүүдийн дэлгэрэнгүй шинжилгээг хийж, мөн өмнөх судалгааг өргөтгөсөн байдаг.
2. Цахилгаан батерей хийнэх үзэгдлийн ангилал
2.1 Өндөр ачаалалтай үед түр хийнэх
Хүнд даацтай нислэгийн даалгаваруудыг гүйцэтгэх үед цахилгаан батерейнууд их гаралтын гүйдэлтэй байхтай холбоотойгоор хурдан халах боломжтой. Хурд хурдасгах, элбэг салхиор доторойх, хүнд ачаа тээвэрлэх зэрэг үйл ажиллагаанууд нь доторх эсэргүүцлийн халах үзэгдлийг ихэсгэдэг.
Батерейн эсийн температур зөвлөмж болгож буй ажиллаж буй хязгаараас (ихэвчлэн 40–45°C-аас дээш) давах үед паразит урвалууд эхэлдэг. Эдгээр урвалуудад электролитийн уусгагчийн хэсэгчилсэн задрал, цацрагийн электролитийн заагийн фаз (SEI)-ийн тогтворгүй болох орно. Үүний үр дүнд үүссэн хийн бүтээгдэхүүнүүд — ихэвчлэн CO₂, H₂ ба бага молекул масс бүхий гидрокарбонууд — батерейн битүү хаалттай хальсанд цугладаг.
Энэ төрлийн хаванги нь ерөнхийдөө буцах шинжтэй байдаг. Баттерей хөргөсний дараа дотоод даралт буурч, бүрхүүл анхны хэлбэртээ буцаж болно. Гэсэн хэдий ч өндөр температурт дахин дахин өртөх нь SEI-ийн задралыг хурдасгаж, дотоод эсэргүүцлийг нэмэгдүүлж, урт хугацааны эвдрэлийг дэмждэг. Хугацаа өнгөрөх тутам дулааны стресс үргэлжилбэл, түр зуурын хаван хамаарах боломжгүй хаван болон хувирч болзошгүй.
2.2 Хадгалалтын үе дэх буцах боломжгүй хаван
Хадгалалтын үе дэх хаван нь ихэвчлэн илүү хүнд байдаг бөгөөд тогтвортой дотоод гэмтэлтэйг заана. Ажиллаж байх үеийнх шиг зөвхөн температураас үүдэлтэй биш, хадгалалттай холбоотой хаван нь голчлон цахилгаан-химийн тогтворгүй байдлаас үүдэлтэй ба урт хугацааны эвдрэлтэй холбоотой.
2.2.1 Циклээр үүссэн нас баралт
Литийн суурьтай батарейнууд цэнэглэх, цэнэгээ алдах тус бүрт бүтцийн болон химийн өөрчлөлтөнд ордог. Зуун орчим циклын дараа SEI давхарга уртсаж, идэвхтэй материал тусгаарлагдах болон электродын нүхтэй байдал багасна. Эдгээр өөрчлөлтүүд доторхи эсэргүүцлийг нэмэгдүүлж, хий үүсгэх урвалыг идэвхжүүлдэг.
Батарей ашиглах үйлчилгээний насныхаа төгсгөл рүү ойртох тусам цэнэгийн хэт их ачаалал эсвэл бага зэргийн температурын хэлбэлзэл зэрэг бага л сорилт ч хортой нөлөө үзүүлж болзошгүй.
2.2.2 Тохиромжгүй хадгалалтын нөхцөл
Хадгалалттай холбоотой хэд хэдэн хүчин зүйл хортой хаван үүсэх эрсдэлийг ихэсгэдэг:
● Гүн цэнэгийн алдалт (ний яг <3.0 В нүх бүрт) анодын цэнэг зохицуулагчийн хөнгөн цагаан уусахад хүргэж, доторх богино холболтыг үүсгэж болно.
● Механик гэмтэл нь салагчийг муудаж, шууд электрод хоорондын холболтыг боломжжуулдаг.
● Чийгшил нь электролитын бүрэлдэхүүнтэй урвалд орж, дулаан ба хий үүсгэдэг.
● Цахилгааны хэт өндөр түвшинд хадгалах нь электролитын исэлдэлтийг хурдасгаж, SEI-ийн тогтворгүй байдлыг нэмэгдүүлдэг.
● Өндөр температурт (30°C) хадгалах нь урвалын хурд болон хийн үүсэлтийг ихэсгэнэ.
Эдгээр хүчин зүйлс нийлж буцах боломжгүй хавагналд, ихэвчлэн багтаамж алдалт болон хүчдэлийн тогтворгүй байдлаар илэрнэ.
3. Хавагналтын физико-химийн механизм
3.1 Электролитийн задрал
Органик карбонат суурьтай электролитууд дулааны нөлөөнд мэдрэг байдаг. Өндөр температур эсвэл хэт хүчдэлд өртөх үед тэдгээр нь хийн бүтээгдэхүүн болгон задардаг. Энэ задрал нь хавагналын гол шалтгаануудын нэг юм.
3.2 Литийн хальс болон модны бүтцэд шилжих үзэгдэл
Бага температур эсвэл өндөр хүчдэлд цэнэглэх нь анодын гадаргуу дээр метал литийг хуримтлуулахад хүргэдэг. Литийн хальс болох нь багтаамжийг бууруулж, дотоод эсэргүүцлийг ихэсгэдэг. Илүү чухал нь метал литий маш идэвхитэй бөгөөд электролитийн уусгагчидтай харьцаж хий үүсгэх урвалыг эхлүүлж болзошгүй юм.
3.3 SEI давхрагын тогтворгүй байдал
SEI давхарга нь анод-электролит харилцан үйлчлэлийг тогтворжуулахад чухал үүрэг гүйцэтгэнэ. Гэсэн хэдий ч дулааны стресс, илүү цэнэглэлт эсвэл механик деформац зэрэг нөхцөлүүд SEI давхаргыг трещин рүү хүргэж болно. Давтан SEI задрах нь электролитийг хэрэглэж, хий үүсгэх бөгөөд хортой хэлбэржилтийг ихэсгэдэг.
3.4 Тусгаарлагчийн эвдрэл
Тусгаарлагч нь электродуудын шууд харилцан үйлчлэлээс сэргийлдэг нүхтэй полимер мембран юм. Механик гэмтэл, хэт халах эсвэл үйлдвэрлэлийн дутагдал нь тусгаарлагчийг суларгаж болно. Хамгаалалт алдагдсан тохиолдолд дотоод богино холболт үүсч, хурдан дулаан үүсэх, хий ялгарах үзэгдэлд хүргэж болно.
4. Хэлбэржилттэй баттерейг таних, үнэлэх
Хортой хэлбэржилтийг цаг алдалгүй илрүүлэх нь гэнэтийн гэмтэл аюулгүй байдлыг урьдчилан сэргийлэхэд маш чухал. Гол илтгэлтүүд бол:
● Баттерейн бүрхүүлд харагдахуйц хэлбэр өөрчлөлт эсвэл өргөсөлт
● Баттерейг БПА-д оруулах эсвэл гаргахад хэцүү байдал
● Амттай эсвэл хурц химийн үнэр
● Нислэгийн хугацаа багасах эсвэл хүчдэл тогтворгүй гаралт
● Цэнэглэх эсвэл цэнэгийг гаргах үед температур ихсэх
Хортой цэнэгийн батарейг немед даруулах ёстой. Дотоод даралтыг суллахын тулд батарейг хатгалж эсвэл шахах оролдлого нь маш аюултай бөгөөд гал авах эрсдэлийг үүсгэж болзошгүй.
5. Хавагнахтай холбоотой аюулгүй байдлын эрсдэл
5.1 Гал гарах, дулааны удирдамгүй өсөлт
Дотоод богино холболт эсвэл дулаан ялгаруурах урвал нь дулааны удирдамгүй өсөлтийг эхлүүлж болох бөгөөд энэ нь өөрөө хурдсаж, гал гарахад хүргэж болно.
5.2 Механик хагарал
Их дотоод даралт нь батарейн бүрхүүлийг хагаруулж, халуун хий ба шатах электролитийг чөлөөлөх боломжтой.
5.3 Хортой хийн ялгаралт
Электролит задрах үед амьсгалын эрсдэлийг үүсгэж болох вандуй органик уур агуулагдах боломжтой.
5.4 БУА-ийн бүтцийн гэмтэл
Хавагнасан батарей нь БУА-ийн батарейн хайрцгийг муруйлгаж, холбогчийг гэмтээх эсвэл хөргөлтийн системд саад болох магадлалтай.
6. Урьдчилан сэргийлэх арга хэмжээнүүд
6.1 Цахилгаан тэжээл хангамжийн удирдлага
● Үйлдвэрт зөвшөөрсөн цахилгаан шахуургыг ашиглаж, хурдан цэнэглэх боломжийг нээлттэй дэмждэггүй бол зохихгүй.
● Цэнэглэж байх үед баттерейг хяналтгүй үлдээхгүй байх.
● Бүрэн цэнэглэгдсэн даруй цэнэглэхийг зогсоож, эсийн хүчдлийг үе үе тэнцвэржүүлэх.
● Нисэх үйлдлийн дараа шууд цэнэглэхгүй байх; хангалттай хугацаанд хөргөхийг зөвшөөрөх.
6.2 Дулааны горимыг удирдах
● Баттерейг хатаа, хүйтэн орчинд хадгалах.
● ХАА-г урт хугацаагаар шууд наранд өртөөд үлдээхгүй байх.
● Тээвэрлэх үед галын аюулгүй буюу дулаан тусгаарлагч савыг ашиглах.
6.3 Сангийн үр дүнтэй ашиглалт
● Урт хугацааны савалт хийх үед цэнэгийн түвшинг 40–60% хооронд байлгана.
● Гүн цэнэг алдалтаас сэргийлэхийн тулд 1–3 сар тутамд дахин цэнэглэнэ.
● Дулааны нөлөөллийг тараахаас сэргийлэхийн тулд баттерейнуудыг тусад нь хадгална.
6.4 Механик хамгаалалт
● Баттерейг уналтаас болон шахалтаас хамгаална.
● Чийг, хөдөлгөөн (вибрац) -аас хамгаална.
● Элэгдэл эсвэл деформац гарсан эсэхийг тогтмол шалгана.
6.5 Ажиллагааны хяналт
● Нислэгийн хяналтын систем ашиглан цикл тоолох, үзүүлэлтүүдийг хянана.
● Цахилгаан хүчдэл эсвэл багтаамжийн хувьд хэвийн бус үзүүлэлт гаргаж буй цэнэгийн эхнийг солино уу.
● Батарейн менежментийн алгоритмын сайжруулалтаас хоёр хоёр дараахь зорилгоор програм хангамжийн шинэчлэлтийг шинэчилж байна уу.
7. Дүгнэлт
Нисдэг самбарын системд цэнэгийн эхийн хавагнах нь дулааны стресс, электрохимийн задрал, механик гэмтэл болон тохиромжгүй хадгалалтын арга барилаас үүдэлтэй олон хүчин зүйлийн үзэгдэл юм. Ажиллаж байх үеийн түр хугацааны хавагнал эргэж засардах боломжтой ч байхад хадгалалтын үеэр ажиглагдах хавагнал нь ихэвчлэн батерейн доторх эргэшгүй гэмтэлтэй холбоотой байдаг.
Шинжлэх ухааны үндэстэй цэнэглэлт, хадгалалт, хяналтын арга хэмжээг хэрэглэснээр хэрэглэгчид хавагнах үзэгдлийг ихэд бууруулах, нисдэг самбарын аюулгүй байдлыг сайжруулах боломжтой. Цэнэгийн эхний найрлага болон удирдлагын системийн дэвшил нь найдвартай байдлыг сайжруулах боловч хавагнасантай холбоотой аюулгүй байдлын асуудлыг урьдчилан сэргийлэхэд хэрэглэгчийн мэдлэг ойлголт чухал хүчин зүйл болсон хэвээр байна.
