Батареи со временем выходят из строя, но когда и как?
Опасность, попадающая в заголовки
СМИ быстро сообщают о несчастных случаях с литий-ионными аккумуляторами. Неисправный литий-ионный аккумулятор привлекает больше внимания, чем авария с аккумулятором более старого химического состава. Электрические ховерборды были отозваны из-за возгорания аккумуляторов; в 2006 году Sony отозвала аккумуляторы для ноутбуков, а в 2012/2013 годах Boeing 787 Dreamliner был приземлён, чтобы переделать корпус аккумулятора для устойчивости к огню. Эти бедствия произошли после того, как аккумулятор прошел испытания на безопасность UL, — нестабильность проявилась во время эксплуатации. С распространением литий-ионных аккумуляторов и неизвестностью того, когда и как они выйдут из строя, вопросы безопасности необходимо учитывать как часть процесса вывода из эксплуатации.
Аккумуляторы LiFePO4
Надежные литий-железо-фосфатные аккумуляторы для солнечных и резервных систем.
LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 (12В, 50Ач)
Компактный аккумулятор с встроенным BMS для безопасной работы в солнечных и резервных системах.
Купить
LiFePO4 Victron Lithium SuperPack 12.8В 100Аг
Современная литий-железо-фосфатная батарея (LiFePO4) со встроенным BMS и защитой от перегрузки
Купить
LiFePO4 Victron Smart Battery 12.8V/100Ah
Высококачественный источник энергии с длительным сроком службы, высокой безопасностью и совместимостью с экосистемой Victron Energy
КупитьПочему аккумуляторы выходят из строя?
Литий-ионный аккумулятор безопасен, но в миллионах промышленных и потребительских применений случаются сбои. Отзыв Sony произошел с частотой один случай на 200 000, вызванный контактом микроскопических металлических частиц с другими деталями в элементе аккумулятора, что приводит к короткому замыканию. Производители стремятся минимизировать наличие таких частиц, однако современные элементы с сверхтонкими сепараторами (21 мкм) более подвержены примесям, чем старые конструкции. В то время как классический элемент ёмкостью 1350 мАч мог выдержать проникновение гвоздя, энергоёмкий элемент на 3400 мАч превращается в фейерверк во время того же теста.
Существует два основных типа поломок:
- Производственный дефект: Редкий случай (1 на 10 миллионов), который может привести к массовому отзыву.
- Случайное событие: Связано с чрезмерной нагрузкой, такой как зарядка при отрицательных температурах, воздействие тепла или сильная вибрация. Это аналогично установке двигателя спортивного автомобиля в тяжелый грузовик — он просто не выдержит.
От искры до пламени: Путь к разрушению
Большинство катастрофических поломок начинаются с незаметного незначительного короткого замыкания. Причинами могут быть образование дендритов из-за быстрой зарядки на морозе или хранение аккумулятора при напряжении ниже 1,5 В/элемент. Эти микроскопические замыкания вызывают повышенный саморазряд, который, подобно небольшой утечке воды в плотине, может перерасти в разрушительный поток. Тепло накапливается, повреждает сепаратор, и температура мгновенно возрастает до 500°C, что приводит к взрыву. Этот процесс известен как «термический разгон» или, как говорят в отрасли, «быстрая разборка».
Особенно раздражает производителей и пользователей литий-ионных аккумуляторов незнание о предстоящей поломке. Аккумулятор работает нормально, поскольку внутренние напряжения замаскированы. Это аналогично стальной балке, которая внезапно ломается при повторяющихся больших нагрузках. Несущая способность хорошо задокументирована, и точка поломки известна, но случайные дефекты все равно возникают из-за усталости металла или структурного дефекта. После разрыва повреждение ограничено и не может быть воспроизведено. Это также происходит с разрушенным аккумулятором, однако есть ранний признак: повышенный саморазряд.
Защита от глубокой разрядки
Защита АКБ от воздействия глубокой разрядки и продление срока его эксплуатации
Smart BatteryProtect 12/24V 65A Victron Energy
Автоматически отключает нагрузку, когда напряжение на аккумуляторе падает ниже критического уровня, что защищает АКБ от глубокой разрядки. Предусмотрена поддержка Bluetooth.
Купить
Smart BatteryProtect 12/24V 220A Victron Energy
Умный контроллер нагрузки, который поддерживает интеграцию с VE.Bus BMS, режим работы с литиевыми аккумуляторами, а также имеет низкое энергопотребление и защиту от перенапряжения.
Купить
BatteryProtect 12/24V 100A Victron Energy
Защищает как AGM / GEL, так и LiFePO₄ аккумуляторы от глубокой разрядки, которая может значительно сократить срок службы или полностью вывести АКБ из строя.
КупитьПо мере ухудшения состояния аккумулятора саморазряд увеличивается, что может перерасти в значительный ток между электродами. Подобно, казалось бы, безобидной утечке воды в неисправной гидроэлектростанции, которая может превратиться в поток и разрушить конструкцию, высокий саморазряд также может накапливать тепло и повреждать сепаратор, что приводит к короткому замыканию. Температура быстро достигнет 500°C (932°F), и в этот момент элемент воспламенится или взорвется. Происходящий тепловой разгон известен как «испарение с пламенем», но «быстрая разборка» – это предпочтительный термин в аккумуляторной промышленности.
Технический университет Мюнхена в Германии нагружал литий-ионные элементы, применяя глубокий разряд и сохраняя их в замкнутом состоянии. На рисунке 1 показан саморазряд нового литий-ионного элемента, элемента, подвергшегося принудительному глубокому разряду, и элемента, который был полностью разряжен, замкнут в течение 14 дней, а затем перезаряжен. При нормальном использовании система управления зданием (BMS) и схемы защиты предотвращают возникновение таких условий.
Рисунок 1: Саморазряд новых и нагруженных литий-ионных элементов. Элементы, подвергшиеся глубокому разряду и хранившиеся при 0 В, демонстрируют более высокий саморазряд, чем новый элемент.
Трёхконтактный тест аккумулятора: Основа надёжности
Исследования аккумуляторов уделяют наибольшее внимание периоду от создания до выпуска. Не менее важен период от начала эксплуатации до вывода из строя, тема, которую обычно игнорируют. Хотя получение разрешений регуляторов для новых аккумуляторов является сложным, после их принятия чиновники умывают руки и перекладывают ответственность за обслуживание аккумулятора на пользователя. Именно тогда начинаются проблемы с аккумуляторами. Правила использования аккумулятора расплывчаты, и оператор может спросить: «Какой ёмкости достаточно для надежной работы? Как часто следует проверять аккумулятор? При какой ёмкости следует заменять аккумулятор?»
Информатор в области биомедицины, ответственный за медицинские инструменты, сказал: «Аккумуляторы – это компоненты, которыми чаще всего злоупотребляют. Персонал мало о них заботится и делает лишь самое необходимое. Указания по обслуживанию аккумуляторов расплывчаты и скрыты в инструкциях по эксплуатации». AAMI (Ассоциация содействия развитию медицинских инструментов) оценивает управление аккумуляторами как одну из 10 главных проблем, а опрос FDA США показывает, что до 50% проблем в больницах связаны с аккумуляторами.
Аккумуляторы должны получать такое же отношение, как и критически важные детали в машине или самолете, где износ подпадает под строгие правила технического обслуживания. Аккумуляторам предоставляются особые привилегии и они помечаются как «неконтролируемые». Этот иммунитет освобождает их от регулярных проверок, но это не обязательно должно быть так. Аккумуляторы можно и нужно проверять, и это возможно с помощью трёхконтактного теста. Трёхконтактный тест аккумулятора проверяет три важнейшие функции, которые включают:
Ёмкость
Способность накапливать энергию. Это основной показатель времени работы устройства.
Внутреннее сопротивление
Способность отдавать ток. Определяет мощность и производительность аккумулятора.
Саморазряд
Демонстрирует механическую целостность. Повышенный уровень является главным индикатором риска безопасности.
Рисунок 2: Трёхконтактный тест аккумулятора.
Трёхконтактный тест аккумулятора напоминает трёхногий стул, который отражает ёмкость, внутреннее сопротивление и саморазряд. Каждая характеристика уникальна, и между свойствами нет корреляции.
Измерение ёмкости путем полного цикла разряда обеспечивает самую надежную оценку. Этот метод наиболее эффективен для портативных аккумуляторов, а периодический анализ гарантирует, что аккумуляторы остаются в пределах приемлемого диапазона производительности. С интеллектуальными аккумуляторами FCC (полная ёмкость заряда) может быть использована для оценки состояния исправности (SoH). FCC - это кулоновский счетчик, который запоминает, сколько энергии аккумулятор получил и отдал ранее. Опора на цифровые показатели уменьшает необходимость циклирования, но любой механизм отслеживания со временем теряет точность, и ее можно восстановить с помощью периодической калибровки. Калибровка состоит из полного цикла заряда/разряда/заряда.
Более крупные аккумуляторы обычно не подвергаются циклированию, так как это занимает много времени и нагружает аккумулятор. Вот здесь и пригодятся неинвазивные методы тестирования. Существует ряд методов экспресс-тестирования, которые оценивают химический аккумулятор с помощью электрохимической импедансной спектроскопии и других методов. Ни один экспресс-тест не является идеальным, и точность коррелирует с полученными симптомами и сложностью используемых алгоритмов.
Практическое применение теста
Анализаторы аккумуляторов стали популярными в 1980-х и 1990-х годах для восстановления никель-кадмиевых аккумуляторов, которые имели «память». Сегодня эти рабочие лошадки используются для анализа широкого спектра аккумуляторов как часть управления автопарком, чтобы обеспечить целостность системы. Анализаторы аккумуляторов выступают в роли контролеров, которые выводят из эксплуатации аккумуляторы, когда ёмкость падает ниже установленного критерия производительности; 80% – это типично принятый порог окончания срока службы.
Мониторинг саморазряда также должен быть включен в систему управления аккумуляторами (BMS). Это особенно важно для колесной мобильности, где аккумуляторы подвергаются жестким экологическим нагрузкам, вызванным экстремальными температурами и вибрацией. Саморазряд также следует проверять в устройствах, которые готовят литий-ионные аккумуляторы к авиаперевозке, разряжая их до 30% SoC. Чрезмерно высокий саморазряд, вызванный внутренними повреждениями, что приводит к возможному пожару во время транспортировки, будет четко выявлен заранее.
BMS для литиевых АКБ
Защищает батареи от перезаряда, глубокого разряда, перегрева и сверхвысокого тока
Victron VE.Bus BMS V2 – система управления литиевыми аккумуляторами LiFePO4 Smart
Умная система управления батареями LiFePO4 Smart от Victron
Купить
SmallBMS – BMS для LiFePO4 Smart аккумуляторов Victron
Компактная система управления батареями Victron Lithium Smart (LiFePO4), обеспечивающая базовую защиту аккумуляторов от глубокого разряда, чрезмерного заряда и перегрева.
Купить
Smart BMS CL 12/100 – интеллектуальная защита LiFePO4 батарей в 12В системах от Victron Energy
Совмещает ограничение тока от генератора, Bluetooth-мониторинг, аварийные выходы и модульное взаимодействие с другими устройствами Victron – всё в одном устройстве!
КупитьНедостатком является более длительное время испытаний, необходимое для измерения саморазряда. Анализаторы аккумуляторов и зарядные устройства, предлагающие эту функцию, завершат оценку ёмкости и внутреннего сопротивления в ожидаемое время, а зеленый индикатор укажет на готовность к работе. Однако, если аккумулятор оставить в устройстве на несколько дополнительных часов, например, на ночь, показатели саморазряда будут добавлены. Для проведения трёхконтактного испытания аккумулятора не требуется дополнительная логистика, только время.
Будущее и выводы
По оценкам, совокупный рост литий-ионных аккумуляторов с 2014 по 2019 год составлял 22% в год. Аккумуляторы становятся больше, и, как говорится, «Маленькие дети – маленькие проблемы; большие дети – большие проблемы». Поскольку мамам и папам нужно совершенствовать свои родительские навыки с подростками дома, так и более крупные литий-ионные аккумуляторы требуют лучшей диагностики и более строгих правил безопасности, чем меньшие аккумуляторы прошлого.
«Как будут стареть большие литий-ионные системы в различных условиях окружающей среды?» – это открытый вопрос. Умрут ли они мирно, или закончат свою жизнь с треском после лет упорной работы? Cadex изучает взаимодействие эксплуатации и вывода из строя, разрабатывая BMS, зарядные устройства и анализаторы, которые включают проверки безопасности. Фундаментом этого является трёхконтактный тест аккумулятора, который показывает ключевые функции аккумулятора: ёмкость, внутреннее сопротивление и саморазряд, отвечающие за время работы, мощность и безопасность.
Большое значение также имеет баланс элементов, показатель, доступный для многих аккумуляторов SMBus. Ёмкость последовательно соединенных элементов должна быть в пределах +/-2,5%. Аккумуляторы с хорошо подобранными элементами работают лучше и служат дольше, чем те, что стали неравномерными. ОСТОРОЖНАЯ идентификация аккумулятора в случае выхода элементов из баланса обеспечивает дополнительную проверку безопасности и подсказки об окончании срока службы из-за снижения производительности.
Устройства для обслуживания и тестирования аккумуляторов скоро будут связываться с облаком по беспроводному соединению, чтобы сделать состояние аккумулятора прозрачным для пользователя. Такая система позволит оператору просто вызывать все аккумуляторы с низкой ёмкостью для замены в определенное время. Получение доступа к этой информации снижает эксплуатационные риски, поскольку известно состояние каждого аккумулятора. Это обеспечивает полный срок службы каждого аккумулятора, снижая эксплуатационные расходы и защищая окружающую среду, поскольку меньше аккумуляторов выбрасывается преждевременно. Знание состояния здоровья аккумулятора также уменьшает необходимость ремонтов, поскольку именно аккумулятор является причиной многих неисправностей.
