Безпека літій-іонних акумуляторів

Компанія Tesla Motors планує спожити два мільярди літій-іонних елементів до 2017 року. Як електромобілі Tesla Model S, так і Model X отримують електроенергію від елементів 18650, формату, який також живить ноутбуки та медичні пристрої. Елемент 18650 має діаметр 18 мм і довжину 65 мм. Циліндричний елемент у металевому корпусі міцний і має високу задану енергію (ємність), але циліндри важкі та мають низьку щільність упаковки в кластері порівняно з призматичною архітектурою та пакетною упаковкою. Акумуляторний блок для автомобіля Tesla містить понад 7000 елементів, і для отримання потрібної напруги та сили струму елементи з'єднуються послідовно та паралельно.

Ємність акумуляторів популярних електромобілів

Tesla Model S має найбільший акумулятор серед електромобілів з точки зору ват-години, маючи 90 кВт·год; він також забезпечує найдовший запас ходу між зарядами. Для порівняння, Nissan Leaf постачається з акумулятором на 30 кВт·год; Ford Focus EV має 23 кВт·год, а Chevy Volt — 16 кВт·год для відповідно коротших запасів ходу. Акумулятора ємністю 90 кВт·год достатньо, щоб забезпечити типове американське домогосподарство електроенергією майже на три дні. Але акумулятори потрібно заряджати, і це сильно споживає електроенергію з мережі. Вони також дорогі; сам по собі акумулятор електромобіля має ціну економічного автомобіля.

Зарядні пристрої для електрокарів

Зарядні пристрої від відомого виробника з гарантією 5 років

Зарядний пристрій для електромобіля Victron EV Charging Station

Забезпечує до 22 кВт потужності в трифазному режимі або до 7,3 кВт в однофазному, підтримує роботу з GX-пристроями та VRM, має вбудований Wi-Fi, Bluetooth, сенсорний дисплей і кільце світлової індикації.

Купити

Зарядна станція для електромобілів Victron EV Charging Station NS

Це ідеальне рішення для тих, хто хоче заряджати електромобіль від сонця, керувати процесом з телефону або GX-пристрою, контролювати статистику через VRM-портал, та водночас мати надійний і стильний пристрій.

Купити

Чорна передня частина для EV Charging Station NS

 Змінна лицьова частина корпусу для зарядної станції Victron Energy EV Charging Station NS.Також передбачена версія білого кольору.

Купити

Подивитися більше

Хімічний склад літій-іонних систем

Літій-іонні акумулятори бувають різних варіантів, і Tesla обрала високоенергетичний нікель-кобальто-алюмінієвий хімічний матеріал (NCA) для S-Model. Виготовлений Panasonic, елемент має ємність 3100 мАг, що трохи вище, ніж у більшості конкурентів. Іншими перевагами NCA є висока питома потужність для бурхливого розгону та тривалий термін служби. Недоліками є висока вартість та нижчий запас міцності, ніж у інших літій-іонних систем. На рисунку 2 зображено шість найважливіших характеристик батареї в павутині.

Акумулятори для електроприводу потребують високого навантаження та тривалого терміну служби, і NMC – це ще одна популярна літій-іонна система. NMC розшифровується як нікель-марганець-кобальт і також використовується в електровелосипедах, електроінструментах, військових і медичних пристроях. Катод може складатися на третину з нікелю, на третину з марганцю та на третину з кобальту, але для задоволення спеціальних вимог використовуються й інші комбінації. Ці суміші знижують вартість сировини завдяки зниженому вмісту кобальту. На рисунку 3 показані характеристики NMC.

Ще однією популярною літій-іонною системою для електричних силових агрегатів є літій-залізофосфатна (LiFePO4). Її перевага полягає в довгому терміні служби та високій безпеці, але вона має меншу ємність, ніж літій-іонні системи на основі кобальту. Ще одним недоліком є ​​нижча номінальна напруга 3,3 В/елемент порівняно зі звичайними 3,6 В/елемент для інших літій-іонних систем. На рисунку 4 підсумовано характеристики літій-фосфатної системи.

Еволюція, деградація та гарантії

Літій-іонні акумулятори значно покращилися. У 1994 році ємність елемента 18650 становила 1100 мАг при виробничих витратах понад 10 доларів США за елемент. У 2001 році ціна впала до 2 доларів, а ємність зросла до 1900 мАг. Сьогодні високоенергетичні елементи 18650 забезпечують понад 3000 мАг, і їх вартість ще більше знизилася. Однак це не обходиться без компромісів. Новіші елементи є більш делікатними, ніж старіші, і це може вплинути на кількість циклів.

Швейцарський виробник висококласних електровелосипедів провів порівняння старіших і новіших елементів. Вони використовують елемент NMC 18650 від Panasonic та LG Chem. Рання версія з номіналом 2 Аг все ще витримувала 80% після того, як вбудована система керування акумулятором (BMS) вказувала 1000 циклів. Потім з'явився NMC на 2,2 Аг, і ємність впала до 70% після 1000 циклів. Сучасний NMC ємністю 3 Аг, що використовується сьогодні, падає до 60% після 1000 циклів. Слід зазначити, що кінцева ємність нових елементів все ще вища, ніж у старих; елемент ємністю 3 Аг зберігає 1,8 Аг після падіння ємності на 60%, тоді як елемент ємністю 2 Аг має лише 1,6 Аг після падіння ємності на 20%.

На акумулятори електромобілів повинна надаватися восьмирічна гарантія. Для досягнення цієї мети новий акумулятор може заряджатися лише до 80% і розряджатися до 30%. Оскільки акумулятор втрачає ємність з віком, багато систем управління будівництвом (BMS) поступово збільшують пропускну здатність зарядки, щоб підтримувати однаковий запас ходу. Після роботи на повній пропускній здатності акумулятор більше навантажується, що відображається у прискореному падінні продуктивності та зменшенні запасу ходу.

Заряджання: температура та швидкість

Низька температура призводить до зниження продуктивності всіх акумуляторів. Сильний мороз також ускладнює заряджання, особливо літій-іонних, оскільки заряджання є більш делікатним, ніж розряджання. Можливість використовувати акумулятор при низькій температурі не дозволяє автоматично заряджати його за тих самих умов. Заряджання без автомобіля при низьких температурах може завдати незворотного пошкодження акумулятору.

Літій-іонні акумулятори не слід заряджати за температури нижче нуля градусів Цельсія (32°F). Деякі виробники акумуляторів дозволяють заряджання до -10°C (14°F), зменшуючи струм заряду до десятої частини номінального струму акумулятора, або 0,1C, заряджання, яке займе 12–15 годин на розрядженому акумуляторі. Занадто швидке заряджання за низьких температур може призвести до зростання дендритів, що відображається у вищому саморозряді та погіршенні безпеки.

Напруження акумулятора є найвищим при 4,20 В/елемент, коли акумулятор досягає повного заряду. Підтримка нижчої напруги також захищає акумулятор під час заряджання за низької температури, і деякі системи управління будівництвом (BMS) відповідно обмежують напругу та струм. Багато акумуляторів для електромобілів включають нагрівальний кожух для захисту акумулятора під час заряджання за низької температури. Енергія для нагрівання кожуха легко доступна з мережі.

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!

Купити

Подивитися більше

Власники електромобілів хочуть надшвидкої зарядки, для цього доступні технології. Хоча швидка зарядка зручна, вона шкідлива для акумулятора. Якщо можливо, уникайте часу зарядки менше 90 хвилин або швидкості зарядки вище 1C. Бортова система BMS веде облік стресових подій акумулятора, а історичні дані можуть перешкодити гарантійній претензії. Такою була реакція великого європейського виробника електромобілів, коли на нещодавній конференції з акумуляторів для електромобілів у Лондоні виникло питання надшвидкої зарядки.

Безпека та правила транспортування

Безпека є ще одним питанням, але це стосується всіх акумуляторів. Один з 200 000 випадків відмови спричинив відкликання майже шести мільйонів літій-іонних акумуляторів у 2006 році. Sony, виробник цих елементів, заявила, що в рідкісних випадках мікроскопічні частинки металу можуть контактувати з іншими частинами елемента акумулятора, що призводить до короткого замикання, яке може спричинити вибух полум'я.

Літій-іонні акумулятори покращилися, і рівень відмов знизився до одного з 10 мільйонів. Це обнадійливо, але формула один з 10 мільйонів може призвести до виходу з ладу 200 елементів з партії з двох мільярдів, яку Tesla планує спожити. Цілком ймовірно, що рівень відмов ще більше знизився, але слід бути обережним, зберігаючи тонни акумуляторів в одному місці. Пожежі у виробників акумуляторів та під час зберігання акумуляторів на складах є поширеним явищем.

Відносно мало відомо, коли літій-іонні акумулятори піддаються впливу суворих умов навколишнього середовища. Внутрішні короткі замикання та швидке розбирання викликають занепокоєння, подію, яку жодна схема безпеки не може зупинити, коли вона вже виникла. Несправність виникає всередині елемента, і акумулятор повинен перегоріти.

Літій-іонний акумулятор Boeing 787 Dreamliner міг вийти з ладу через електричне коротке замикання; модифікований акумулятор, укладений у металевий корпус, забезпечить захист у разі повторення короткого замикання. Усі акумулятори схильні до виходу з ладу, і також повідомлялося про інцидент, коли автоматичний вимикач акумулятора Boeing 777 довелося вимкнути через перегрів нікель-кадмієвого акумулятора. На початку 1970-х років Національна рада з безпеки на транспорті повідомляла про кілька інцидентів з акумуляторами на рік, пов'язаних з тоді ще новим нікель-кадмієвим бортовим акумулятором на літаках. Удосконалення зрештою зробили нікель-кадмієвий акумулятор безпечним; це також станеться з літій-іонним.

Транспортування акумуляторів повітрям залишається проблемою. Існують правила щодо того, скільки металевого (або еквівалентного) літію може бути включено до авіаперевезення. Деякий вміст може бути незареєстрованим, і Головне управління цивільної авіації Об'єднаних Арабських Еміратів з достатньою впевненістю встановило, що пожежа на борту вантажного літака UPS 747-400 була спричинена літієвою батареєю. Літак розбився у вересні 2010 року в пустелі Дубая приблизно через годину після початку рейсу до Кельна, Німеччина.

Нові вантажні авіаконтейнери проходять випробування з матеріалів, здатних витримувати сильні пожежі до чотирьох годин, що дозволяє здійснювати аварійну посадку на більшості рейсів. Вогнестійкі панелі цих вантажних авіаконтейнерів виготовлені з армованого волокном пластикового композиту, який гасить вогонь, позбавляючи його кисню.

Пожежу легше загасити в салоні, ніж у вантажному відсіку, і з січня 2008 року люди більше не можуть брати запасні літієві батареї в зареєстрований багаж. Авіакомпанії дозволяють їх перевозити як ручну поклажу, якщо є вогнегасники. В одному з випадків кавник слугував засобом для гасіння палаючої батареї ноутбука. Мандрівникам нагадують, скільки батарей можна провозити на борту в портативних пристроях та як запасні. Це також включає основні літієві батареї, а максимальна вага літієвих (або еквівалентних) батарей становить:

• 2 грами для літієвих батарей. Сьогодні мало споживчих товарів використовують ці первинні батареї.
• 8 грамів для вторинного літій-іонного акумулятора. Це відповідає акумулятору ємністю 100 Вт·год (ноутбук має близько 60 Вт·год)
• 25 грамів для всіх літій-іонних акумуляторів разом. Це дорівнює 300 Вт·год літій-іонних акумуляторів.

З 2016 року літієві акумулятори більше не можна перевозити як вантаж у пасажирських літаках. Крім того, літій-іонні акумулятори у вантажних перевезеннях повинні мати рівень заряду 30 відсотків. Усі посилки повинні мати маркування «Тільки для вантажних літаків» на додаток до інших необхідних позначок та етикеток. Це обмеження не стосується літій-іонних акумуляторів, упакованих з обладнанням або що містяться в ньому.

Хоча літій-іонні акумулятори ретельно перевіряються на безпеку, інші хімічні склади також демонструють проблеми. Нікелеві та свинцеві акумулятори також спричиняють пожежі, і деякі з них відкликаються. Причинами несправностей є дефектні сепаратори, що виникли внаслідок старіння, недбалого поводження, надмірної вібрації та високої температури.

Вивчення 113 зареєстрованих випадків транспортування акумуляторів повітрям протягом 19 років показує, що більшість несправностей сталися через неправильне пакування або поводження. Основними винуватцями були пошкоджені акумуляторні блоки та короткі замикання через недбале пакування. Більшість інцидентів сталися в аеропортах або вантажних вузлах. Проблемні акумулятори включають первинний літій, який містить літій-метал, а також свинцеві, нікелеві та лужні системи, а не лише літій-іонні, як вважається. Сучасні споживчі товари сьогодні мають дуже мало поломок, пов'язаних з літій-іонними акумуляторами.