Батареї врешті-решт розряджаються, але коли і як?
Небезпека, що потрапляє в заголовки
ЗМІ швидко повідомляють про нещасні випадки з літій-іонними акумуляторами. Несправний літій-іонний акумулятор привертає більше уваги, ніж аварія зі старішим хімічним складом акумулятора. Електричні ховерборди були відкликані через займання акумуляторів; у 2006 році Sony відкликала акумулятори для ноутбуків, а у 2012/2013 роках Boeing 787 Dreamliner був приземлений, щоб переробити корпус акумулятора, щоб він витримував вогонь. Ці лиха сталися після того, як акумулятор пройшов випробування безпеки UL, нестабільність виявилася під час польового використання. З поширенням літій-іонних акумуляторів та невідомістю про те, коли і як вони вийдуть з ладу, питання безпеки необхідно враховувати як частину процесу виходу на пенсію.
Акумулятори LiFePO4
Надійні літій-залізо-фосфатні акумулятори для сонячних та резервних систем.
LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 (12В, 50Аг)
Компактний акумулятор із вбудованим BMS для безпечної роботи у сонячних та резервних системах.
Купити
LiFePO4 Victron Lithium SuperPack 12.8В 100Аг
Сучасна літій-залізо-фосфатна батарея (LiFePO4) з вбудованим BMS і захистом від перевантаження
Купити
LiFePO4 Victron Smart Battery 12.8V/100Ah
Високоякісне джерело енергії з довгим терміном служби, високою безпекою та сумісністю з екосистемою Victron Energy
КупитиЧому акумулятори виходять з ладу?
Літій-іонний акумулятор безпечний, але в мільйонах промислових та споживчих застосувань трапляються збої. Відкликання Sony сталося з частотою один випадок на 200 000, спричиненою контактом мікроскопічних металевих частинок з іншими деталями в елементі акумулятора, що призводить до короткого замикання. Виробники прагнуть мінімізувати наявність таких частинок, однак сучасні елементи з надтонкими сепараторами (21 мкм) більш схильні до домішок, ніж старіші конструкції. У той час як класичний елемент ємністю 1350 мАг міг витримати проникнення цвяха, енергощільний елемент ємністю 3400 мАг перетворюється на феєрверк під час того ж тесту.
Існує два основних типи поломок:
- Виробничий дефект: Рідкісний випадок (1 на 10 мільйонів), що може призвести до масового відкликання.
- Випадкова подія: Пов'язана з надмірним навантаженням, таким як заряджання при температурі нижче нуля, вплив тепла або сильна вібрація. Це аналогічно розміщенню двигуна спортивного автомобіля у важкій вантажівці — він просто не витримає.
Від іскри до полум'я: Шлях до руйнування
Більшість катастрофічних поломок починаються з непомітного незначного короткого замикання. Причинами можуть бути утворення дендритів через швидку зарядку на морозі або зберігання акумулятора при напрузі нижче 1,5 В/елемент. Ці мікроскопічні замикання спричиняють підвищений саморозряд, який, наче невеличкий витік води у дамбі, може перерости у руйнівний потік. Тепло накопичується, пошкоджує сепаратор, і температура миттєво зростає до 500°C, що призводить до вибуху. Цей процес відомий як «термічний розгін» або, як кажуть у галузі, «швидке розбирання».
Особливо дратує виробників та користувачів літій-іонних акумуляторів незнання про майбутню поломку. Акумулятор працює нормально, оскільки внутрішні напруження замасковані. Це аналогічно сталевій балці, яка раптово ламається під час повторюваних великих навантажень. Несуча здатність добре задокументована, і точка поломки відома, але випадкові дефекти все одно виникають через втому металу або структурний дефект. Після розриву пошкодження є обмеженим і не може бути перемотуване для повторення. Це також трапляється зі зруйнованим акумулятором, однак є раннє передбачення: підвищений саморозряд.
Зі погіршенням стану акумулятора саморозряд збільшується, що може перерости у значний струм між електродами. Подібно до, здавалося б, нешкідливого витоку води в несправній гідроелектростанції, який може перетворитися на потік і зруйнувати конструкцію, високий саморозряд також може накопичувати тепло та пошкоджувати сепаратор, що призводить до короткого замикання. Температура швидко досягне 500°C (932°F), і в цей момент елемент спалахне або вибухне. Тепловий втеча, що відбувається, відома як «випаровування з полум’ям», «швидке розбирання» – це кращий термін, який використовують у акумуляторній промисловості.
Захист від глибокої розрядки
Захист АКБ від впливу глибокої розрядки та подовження терміну його експлуатації
Smart BatteryProtect 12/24V 65A Victron Energy
Автоматично відключає навантаження, коли напруга на акумуляторі падає нижче критичного рівня, що захищає АКБ від глибокого розряду. Передбачено підтримку Bluetooth
Купити
Smart BatteryProtect 12/24V 220A Victron Energy
Розумний контролер навантаження, який підтримує інтеграцію з VE.Bus BMS, режим роботи з літієвими акумуляторами, а також має низьке енергоспоживання та захист від перенапруги.
Купити
BatteryProtect 12/24V 100A Victron Energy
Захищає як AGM / GEL, так і LiFePO₄ акумулятори від глибокого розряду, який може серйозно зменшити строк служби або повністю вивести АКБ з ладу.
КупитиТехнічний університет Мюнхена в Німеччині навантажував літій-іонні елементи, застосовуючи глибокий розряд та зберігаючи їх у замкненому стані. На рисунку 1 показано саморозряд нового літій-іонного елемента, елемента, який зазнав примусового глибокого розряду, та елемента, який був повністю розряджений, замкнений протягом 14 днів, а потім перезаряджений. За нормального використання система управління будівництвом (BMS) та схеми захисту запобігають виникненню таких умов.
Рисунок 1: Саморозряд нових та навантажених літій-іонних елементів. Елементи, що зазнали глибокого розряду та зберігалися при 0 В, демонструють вищий саморозряд, ніж новий елемент.
Триконтактний тест акумулятора: Основа надійності
Дослідження акумуляторів приділяють найбільшу увагу періоду від народження до випуску. Не менш важливим є період від робочої сили до виходу на пенсію, тема, яку зазвичай ігнорують. Хоча отримання регуляторних схвалень для нових акумуляторів є складним, після їх прийняття посадовці вмивають руки та перекладають відповідальність за обслуговування акумулятора на користувача. Саме тоді починаються проблеми з акумуляторами. Правила використання акумулятора розпливчасті, і оператор може запитати: «Якої ємності достатньо для надійної роботи? Як часто слід перевіряти акумулятор? При якій ємності слід замінювати акумулятор?»
Інформатор у галузі біомедицини, відповідальний за медичні інструменти, сказав: «Акумулятори – це компоненти, які найчастіше зловживають. Персонал мало про них дбає та робить лише найнеобхідніше. Посилання на обслуговування акумуляторів розпливчасті та приховані в інструкціях з обслуговування». AAMI (Асоціація сприяння розвитку медичних інструментів) оцінює управління акумуляторами як одну з 10 головних проблем, а опитування FDA США показує, що до 50% проблем у лікарнях пов’язані з акумуляторами.
Акумулятори повинні отримувати таке ж ставлення, як і критичні деталі в машині чи літаку, де знос підпадає під суворі правила технічного обслуговування. Акумуляторам надаються спеціальні привілеї та позначаються як «неконтрольовані». Цей імунітет звільняє їх від регулярних перевірок, але це не обов’язково має бути так. Акумулятори можна і потрібно перевіряти, і це можливо за допомогою триконтактного тесту. Триконтактний тест акумулятора перевіряє три найважливіші функції, які включають:
Ємність
Здатність накопичувати енергію. Це основний показник часу роботи пристрою.
Внутрішній опір
Здатність віддавати струм. Визначає потужність та продуктивність акумулятора.
Саморозряд
Демонструє механічну цілісність. Підвищений рівень є головним індикатором ризику безпеки.
Рисунок 2: Триконтактний тест акумулятора.
Триконтактний тест акумулятора нагадує триніжний стілець, який відображає ємність, внутрішній опір та саморозряд. Кожна характеристика унікальна, і між властивостями немає кореляції.
Вимірювання ємності шляхом повного циклу розряду забезпечує найнадійнішу оцінку. Цей метод найефективніший для портативних акумуляторів, а періодичний аналіз гарантує, що акумулятори залишаються в межах прийнятного діапазону продуктивності. З інтелектуальними акумуляторами FCC (повна ємність заряду) може бути використана для оцінки стану справності (SoH). FCC - це кулонівський лічильник, який запам'ятовує, скільки енергії акумулятор отримав і віддав раніше. Покладання на цифрові опорні показники зменшує необхідність циклування, але будь-який механізм відстеження з часом втрачає точність, і її можна відновити за допомогою періодичного калібрування. Калібрування складається з повного циклу заряду/розряду/заряду.
Більші акумулятори зазвичай не циклічно заряджаються, оскільки це займає багато часу та навантажує акумулятор. Ось тут і знадобляться неінвазивні методи тестування. Існує ряд методів експрес-тестування, які оцінюють хімічний акумулятор за допомогою електрохімічної імпедансної спектроскопії та інших методів. Жоден експрес-тест не є ідеальним, і точність корелює з отриманими симптомами та складністю використовуваних алгоритмів.
Практичне застосування тесту
Аналізатори акумуляторів стали популярними в 1980-х і 1990-х роках для відновлення нікель-кадмієвих акумуляторів, які мали «пам'ять». Сьогодні ці робочі конячки використовуються для аналізу широкого спектру акумуляторів як частини управління автопарком, щоб забезпечити цілісність системи. Аналізатори акумуляторів виступають у ролі контролерів, які виводять з експлуатації акумулятори, коли ємність падає нижче встановленого критерію продуктивності, 80% – це типово прийнятий поріг закінчення терміну служби.
Моніторинг саморозряду також має бути включений до системи керування акумуляторами (BMS). Це особливо важливо для колісної мобільності, де акумулятори зазнають жорстких екологічних навантажень, спричинених екстремальними температурами та вібрацією. Саморозряд також слід перевіряти в пристроях, які готують літій-іонні акумулятори до авіаперевезення, розряджаючи їх до 30% SoC. Надмірно високий саморозряд, спричинений внутрішніми пошкодженнями, що призводить до можливої пожежі під час транспортування, буде чітко виявлено заздалегідь.
BMS для літієвих АКБ
Захищає батареї від перезаряду, глибокого розряду, перегріву та надвисокого струму
Victron VE.Bus BMS V2 – система управління літієвими акумуляторами LiFePO4 Smart
Розумна система керування батареями LiFePO4 Smart від Victron
Купити
SmallBMS – BMS для LiFePO4 Smart акумуляторів Victron
Компактна система керування батареями Victron Lithium Smart (LiFePO4), що забезпечує базовий захист акумуляторів від глибокого розряду, надмірного заряду та перегріву.
Купити
Smart BMS CL 12/100 – інтелектуальний захист LiFePO4 батарей у 12В системах від Victron Energy
Поєднує обмеження струму з генератора, Bluetooth-моніторинг, аварійні виходи та модульну взаємодію з іншими пристроями Victron – все в одному пристрої!
КупитиНедоліком є довший час випробувань, необхідний для вимірювання саморозряду. Аналізатори акумуляторів та зарядні пристрої, що пропонують цю функцію, завершать оцінку ємності та внутрішнього опору в очікуваний час, а зелений індикатор вкаже на готовність до роботи. Однак, якщо акумулятор залишити в пристрої на кілька додаткових годин, наприклад, на ніч, показники саморозряду будуть додані. Для проведення триконтактного випробування акумулятора не потрібна додаткова логістика, лише час.
Майбутнє та висновки
За оцінками, сукупне зростання літій-іонних акумуляторів з 2014 по 2019 рік становило 22% на рік. Акумулятори стають більшими, і, як кажуть, «Маленькі діти – маленькі проблеми; великі діти – великі проблеми». Оскільки мамам і татам потрібно вдосконалювати свої батьківські навички з підлітками вдома, то й більші літій-іонні акумулятори потребують кращої діагностики та суворіших правил безпеки, ніж менші акумулятори минулого.
«Як старітимуть великі літій-іонні системи за різних умов навколишнього середовища?» – це відкрите питання. Чи помруть вони мирно, чи закінчать своє життя з тріском після років наполегливої роботи? Cadex вивчає взаємодію робочої сили та пенсійного забезпечення, розробляючи BMS, зарядні пристрої та аналізатори, які включають перевірки безпеки. Фундаментом цього є триконтактний тест акумулятора, який показує ключові функції акумулятора: ємність, внутрішній опір та саморозряд, що відповідають за час роботи, потужність та безпеку.
Велике значення також має баланс елементів, показник, доступний для багатьох акумуляторів SMBus. Ємність послідовно з'єднаних елементів повинна бути в межах +/-2,5%. Акумулятори з добре підібраними елементами працюють краще та служать довше, ніж ті, що стали нерівномірними. ОБЕРЕЖНА ідентифікація акумулятора у разі виходу елементів з балансу забезпечує додаткову перевірку безпеки та підказки щодо закінчення терміну служби через зниження продуктивності.
Пристрої для обслуговування та тестування акумуляторів незабаром будуть зв'язуватися з хмарою через бездротове з'єднання, щоб зробити стан акумулятора прозорим для користувача. Така система дозволить оператору просто викликати всі акумулятори з низькою ємністю для заміни у визначений час. Отримання доступу до цієї інформації знижує експлуатаційні ризики, оскільки відомий стан кожного акумулятора. Це забезпечує повний термін служби кожного акумулятора, знижуючи експлуатаційні витрати та захищаючи навколишнє середовище, оскільки менше акумуляторів викидається передчасно. Знання стану здоров'я акумулятора також зменшує необхідність ремонтів, оскільки саме акумулятор є причиною багатьох несправностей.
