Безопасность литий-ионных аккумуляторов

Компания Tesla Motors планирует использовать два миллиарда литий-ионных элементов к 2017 году. Как электромобили Tesla Model S, так и Model X получают электроэнергию от элементов 18650, формата, который также питает ноутбуки и медицинские устройства. Элемент 18650 имеет диаметр 18 мм и длину 65 мм. Цилиндрический элемент в металлическом корпусе прочен и имеет высокую удельную энергию (емкость), но цилиндры тяжелые и имеют низкую плотность упаковки в кластере по сравнению с призматической архитектурой и пакетной упаковкой. Аккумуляторный блок для автомобиля Tesla содержит более 7000 элементов, и для получения нужного напряжения и силы тока элементы соединяются последовательно и параллельно.

Емкость аккумуляторов популярных электромобилей

Tesla Model S имеет самый большой аккумулятор среди электромобилей с точки зрения ватт-часов, имея 90 кВт·ч; он также обеспечивает самый большой запас хода между зарядками. Для сравнения, Nissan Leaf поставляется с аккумулятором на 30 кВт·ч; Ford Focus EV имеет 23 кВт·ч, а Chevy Volt — 16 кВт·ч для соответственно более коротких запасов хода. Аккумулятора емкостью 90 кВт·ч достаточно, чтобы обеспечить типичное американское домохозяйство электроэнергией почти на три дня. Но аккумуляторы нужно заряжать, и это сильно потребляет электроэнергию из сети. Они также дорогие; сам по себе аккумулятор электромобиля имеет цену экономичного автомобиля.

Зарядные устройства для электрокаров

Зарядные устройства от известного производителя с гарантией 5 лет

Зарядное устройство для электромобиля Victron EV Charging Station

Обеспечивает до 22 кВт мощности в трехфазном режиме или до 7,3 кВт в однофазном, поддерживает работу с GX-устройствами и VRM, имеет встроенный Wi-Fi, Bluetooth, сенсорный дисплей и кольцо световой индикации.

Купить

Зарядная станция для электромобилей Victron EV Charging Station NS

Это идеальное решение для тех, кто хочет заряжать электромобиль от солнца, управлять процессом с телефона или GX-устройства, контролировать статистику через VRM-портал, и при этом иметь надежное и стильное устройство.

Купить

Черная передняя часть для EV Charging Station NS

 Сменная лицевая часть корпуса для зарядной станции Victron Energy EV Charging Station NS. Также предусмотрена версия белого цвета.

Купить

Посмотреть больше

Химический состав литий-ионных систем

Литий-ионные аккумуляторы бывают разных вариантов, и Tesla выбрала высокоэнергетический никель-кобальт-алюминиевый химический материал (NCA) для S-Model. Изготовленный Panasonic, элемент имеет емкость 3100 мАч, что немного выше, чем у большинства конкурентов. Другими преимуществами NCA являются высокая удельная мощность для бурного разгона и длительный срок службы. Недостатками являются высокая стоимость и более низкий запас прочности, чем у других литий-ионных систем. На рисунке 2 изображены шесть важнейших характеристик батареи в паутине.

Аккумуляторы для электропривода требуют высокой нагрузки и длительного срока службы, и NMC – это еще одна популярная литий-ионная система. NMC расшифровывается как никель-марганец-кобальт и также используется в электровелосипедах, электроинструментах, военных и медицинских устройствах. Катод может состоять на треть из никеля, на треть из марганца и на треть из кобальта, но для удовлетворения специальных требований используются и другие комбинации. Эти смеси снижают стоимость сырья благодаря сниженному содержанию кобальта. На рисунке 3 показаны характеристики NMC.

Еще одной популярной литий-ионной системой для электрических силовых агрегатов является литий-железо-фосфатный (LiFePO4). Его преимущество заключается в длительном сроке службы и высокой безопасности, но он имеет меньшую емкость, чем литий-ионные системы на основе кобальта. Еще одним недостатком является более низкое номинальное напряжение 3,3 В/элемент по сравнению с обычными 3,6 В/элемент для других литий-ионных систем. На рисунке 4 суммированы характеристики литий-фосфатной системы.

Эволюция, деградация и гарантии

Литий-ионные аккумуляторы значительно улучшились. В 1994 году емкость элемента 18650 составляла 1100 мАч при производственных затратах более 10 долларов США за элемент. В 2001 году цена упала до 2 долларов, а емкость выросла до 1900 мАч. Сегодня высокоэнергетические элементы 18650 обеспечивают более 3000 мАч, и их стоимость еще больше снизилась. Однако это не обходится без компромиссов. Новые элементы более деликатны, чем старые, и это может повлиять на количество циклов.

Швейцарский производитель высококлассных электровелосипедов провел сравнение старых и новых элементов. Они используют элемент NMC 18650 от Panasonic и LG Chem. Ранняя версия с номиналом 2 Ач все еще выдерживала 80% после того, как встроенная система управления аккумулятором (BMS) указывала 1000 циклов. Затем появился NMC на 2,2 Ач, и емкость упала до 70% после 1000 циклов. Современный NMC емкостью 3 Ач, используемый сегодня, падает до 60% после 1000 циклов. Следует отметить, что конечная емкость новых элементов все еще выше, чем у старых; элемент емкостью 3 Ач сохраняет 1,8 Ач после падения емкости на 60%, в то время как элемент емкостью 2 Ач имеет лишь 1,6 Ач после падения емкости на 20%.

На аккумуляторы электромобилей должна предоставляться восьмилетняя гарантия. Для достижения этой цели новый аккумулятор может заряжаться лишь до 80% и разряжаться до 30%. Поскольку аккумулятор теряет емкость с возрастом, многие системы управления (BMS) постепенно увеличивают пропускную способность зарядки, чтобы поддерживать одинаковый запас хода. После работы на полной пропускной способности аккумулятор больше нагружается, что отражается в ускоренном падении производительности и уменьшении запаса хода.

Зарядка: температура и скорость

Низкая температура приводит к снижению производительности всех аккумуляторов. Сильный мороз также усложняет зарядку, особенно литий-ионных, поскольку зарядка более деликатна, чем разрядка. Возможность использовать аккумулятор при низкой температуре не позволяет автоматически заряжать его в тех же условиях. Зарядка вне автомобиля при низких температурах может нанести необратимый ущерб аккумулятору.

Литий-ионные аккумуляторы не следует заряжать при температуре ниже нуля градусов Цельсия (32°F). Некоторые производители аккумуляторов разрешают зарядку до -10°C (14°F), уменьшая ток заряда до десятой части номинального тока аккумулятора, или 0,1C, зарядка, которая займет 12–15 часов на разряженном аккумуляторе. Слишком быстрая зарядка при низких температурах может привести к росту дендритов, что отражается в более высоком саморазряде и ухудшении безопасности.

Напряжение аккумулятора является самым высоким при 4,20 В/элемент, когда аккумулятор достигает полного заряда. Поддержание более низкого напряжения также защищает аккумулятор во время зарядки при низкой температуре, и некоторые системы управления (BMS) соответственно ограничивают напряжение и ток. Многие аккумуляторы для электромобилей включают нагревательный кожух для защиты аккумулятора во время зарядки при низкой температуре. Энергия для нагрева кожуха легко доступна из сети.

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!

Купить

Посмотреть больше

Владельцы электромобилей хотят сверхбыстрой зарядки, и для этого доступны технологии. Хотя быстрая зарядка удобна, она вредна для аккумулятора. Если возможно, избегайте времени зарядки менее 90 минут или скорости зарядки выше 1C. Бортовая система BMS ведет учет стрессовых событий аккумулятора, а исторические данные могут помешать гарантийной претензии. Такова была реакция крупного европейского производителя электромобилей, когда на недавней конференции по аккумуляторам для электромобилей в Лондоне возник вопрос сверхбыстрой зарядки.

Безопасность и правила транспортировки

Безопасность является еще одним вопросом, но это касается всех аккумуляторов. Один из 200 000 случаев отказа вызвал отзыв почти шести миллионов литий-ионных аккумуляторов в 2006 году. Sony, производитель этих элементов, заявила, что в редких случаях микроскопические частицы металла могут контактировать с другими частями элемента аккумулятора, что приводит к короткому замыканию, которое может вызвать взрыв пламени.

Литий-ионные аккумуляторы улучшились, и уровень отказов снизился до одного на 10 миллионов. Это обнадеживает, но формула один на 10 миллионов может привести к выходу из строя 200 элементов из партии в два миллиарда, которую Tesla планирует использовать. Весьма вероятно, что уровень отказов еще больше снизился, но следует быть осторожным, храня тонны аккумуляторов в одном месте. Пожары у производителей аккумуляторов и во время хранения аккумуляторов на складах являются распространенным явлением.

Относительно мало известно, когда литий-ионные аккумуляторы подвергаются воздействию суровых условий окружающей среды. Внутренние короткие замыкания и быстрая разборка вызывают беспокойство, событие, которое ни одна схема безопасности не может остановить, когда оно уже возникло. Неисправность возникает внутри элемента, и аккумулятор должен перегореть.

Литий-ионный аккумулятор Boeing 787 Dreamliner мог выйти из строя из-за электрического короткого замыкания; модифицированный аккумулятор, заключенный в металлический корпус, обеспечит защиту в случае повторения короткого замыкания. Все аккумуляторы подвержены выходу из строя, и также сообщалось об инциденте, когда автоматический выключатель аккумулятора Boeing 777 пришлось отключить из-за перегрева никель-кадмиевого аккумулятора. В начале 1970-х годов Национальный совет по безопасности на транспорте сообщал о нескольких инцидентах с аккумуляторами в год, связанных с тогда еще новым никель-кадмиевым бортовым аккумулятором на самолетах. Усовершенствования в конечном итоге сделали никель-кадмиевый аккумулятор безопасным; это также произойдет и с литий-ионным.

Транспортировка аккумуляторов по воздуху остается проблемой. Существуют правила относительно того, сколько металлического (или эквивалентного) лития может быть включено в авиаперевозку. Некоторое содержимое может быть незарегистрированным, и Главное управление гражданской авиации Объединенных Арабских Эмиратов с достаточной уверенностью установило, что пожар на борту грузового самолета UPS 747-400 был вызван литиевой батареей. Самолет разбился в сентябре 2010 года в пустыне Дубая примерно через час после начала рейса в Кельн, Германия.

Новые грузовые авиаконтейнеры проходят испытания из материалов, способных выдерживать сильные пожары до четырех часов, что позволяет совершать аварийную посадку на большинстве рейсов. Огнестойкие панели этих грузовых авиаконтейнеров изготовлены из армированного волокном пластикового композита, который тушит огонь, лишая его кислорода.

Пожар легче потушить в салоне, чем в грузовом отсеке, и с января 2008 года люди больше не могут брать запасные литиевые батареи в зарегистрированный багаж. Авиакомпании позволяют их перевозить как ручную кладь, если есть огнетушители. В одном из случаев кофейник послужил средством для тушения горящей батареи ноутбука. Путешественникам напоминают, сколько батарей можно провозить на борту в портативных устройствах и в качестве запасных. Это также включает основные литиевые батареи, а максимальный вес литиевых (или эквивалентных) батарей составляет:

• 2 грамма для литиевых батарей. Сегодня мало потребительских товаров используют эти первичные батареи.
• 8 граммов для вторичного литий-ионного аккумулятора. Это соответствует аккумулятору емкостью 100 Вт·ч (ноутбук имеет около 60 Вт·ч)
• 25 граммов для всех литий-ионных аккумуляторов вместе. Это равно 300 Вт·ч литий-ионных аккумуляторов.

С 2016 года литиевые аккумуляторы больше нельзя перевозить как груз в пассажирских самолетах. Кроме того, литий-ионные аккумуляторы в грузовых перевозках должны иметь уровень заряда 30 процентов. Все посылки должны иметь маркировку «Только для грузовых самолетов» в дополнение к другим необходимым знакам и этикеткам. Это ограничение не касается литий-ионных аккумуляторов, упакованных с оборудованием или содержащихся в нем.

Хотя литий-ионные аккумуляторы тщательно проверяются на безопасность, другие химические составы также демонстрируют проблемы. Никелевые и свинцовые аккумуляторы также вызывают пожары, и некоторые из них отзываются. Причинами неисправностей являются дефектные сепараторы, возникшие вследствие старения, небрежного обращения, чрезмерной вибрации и высокой температуры.

Изучение 113 зарегистрированных случаев транспортировки аккумуляторов по воздуху в течение 19 лет показывает, что большинство неисправностей произошли из-за неправильной упаковки или обращения. Основными виновниками были поврежденные аккумуляторные блоки и короткие замыкания из-за небрежной упаковки. Большинство инцидентов произошли в аэропортах или грузовых узлах. Проблемные аккумуляторы включают первичный литий, который содержит литий-металл, а также свинцовые, никелевые и щелочные системы, а не только литий-ионные, как считается. Современные потребительские товары сегодня имеют очень мало поломок, связанных с литий-ионными аккумуляторами.