Как обеспечить целостность полевых работ и лётную годность

Во время внешнего предполетного осмотра перед взлетом пилот заметил густой белый дым, клубившийся из грузового отсека Boeing 737, и объявил сигнал тревоги. Прибывшие аварийные бригады обнаружили 28 аккумуляторов в проверенном транспортном контейнере, 6–8 из которых были уничтожены огнем. В сообщении говорится, что пожар возник из-за короткого замыкания в аккумуляторе после того, как пассажир заявил, что в транспортном контейнере нет аккумуляторов. Согласно законодательству о гражданской авиации, пассажиры, не задекларировавшие опасные грузы, могут быть наказаны лишением свободы на срок до 7 лет. Перевозка литиевых аккумуляторов подпадает под действие Закона о перевозке опасных грузов.

СМИ быстро сообщают об инцидентах, связанных с литий-ионными аккумуляторами, и не без оснований. Samsung Note 7 был запрещен на рейсах из-за потенциальной пожарной опасности; электронные сигареты воспламеняются, электрические ховерборды были отозваны, а в 2006 году поломка с частотой один случай на 200 000 привела к отзыву почти шести миллионов литий-ионных аккумуляторов. Кроме того, остановка Boeing 787 Dreamliner в 2012/2013 годах была связана с неисправным литий-ионным аккумулятором. Эти инциденты произошли после того, как соответствующие аккумуляторы прошли строгие испытания UN 38.3, стандарт, отвечающий за транспортировку литиевых аккумуляторов согласно Организации Объединенных Наций и Министерству транспорта.

Причины неисправностей и риски

Литий-ионный аккумулятор безопасен, но из-за миллионов промышленных и потребительских применений случаются сбои. Микроскопические металлические частицы, контактирующие с другими деталями аккумуляторного элемента, стали причиной отзыва Sony. Современные элементы со сверхтонкими сепараторами (21 мкм) более подвержены примесям, чем старые конструкции. В то время как классический элемент 18650 (диаметром 18 мм и длиной 65 мм) емкостью 1350 мАч мог выдержать проникновение гвоздя, современный 3400 мАч превращается в фейерверк при проведении того же теста.

Существует два типа поломок аккумуляторов:

• Производственный дефект: инцидент, случающийся примерно один раз на 10 миллионов, который обычно приводит к массовому отзыву продукции.
• Случайное событие: редкие поломки, причины которых трудно установить, поскольку элемент полностью разрушается. Возможными причинами являются зарядка при температуре ниже нуля, высокий нагрев, чрезмерная вибрация и/или многократная большая нагрузка.

Большинство поломок аккумуляторов, приводящих к разрушению, начинаются с незначительного короткого замыкания, которое остается незамеченным. Аккумулятор работает нормально, и пользователь не знает о предстоящей поломке. Это отличается от неисправной структуры, которая демонстрирует следы напряжения перед падением. Структурные аномалии хорошо задокументированы, а порог отказа известен. В этом отношении аккумулятор ведет себя больше как черный ящик с собственным разумом. Такие организации, как NRTL, ANSI, UL, IEEE, начинают изучать применение аккумуляторов и требовать их правильного использования. Тяжелый грузовик получит долговечный двигатель, а не мощный двигатель от спортивного автомобиля той же мощности.

Поломки аккумуляторов также вызваны отклонением электродов или аномальными сварными пятнами, как это было со смартфоном Samsung Note 7. Быстрая зарядка при низких температурах способствует образованию дендритов, как и хранение литий-ионного аккумулятора при напряжении ниже 1,5 В/элемент более недели. Эти напряжения могут привести к повышенному саморазряду и короткому замыканию из-за образования тепловых пятен, ослабляющих сепаратор.

Тепловой разгон

Во время теплового разгона литий-ионный аккумулятор выделяет пар, температура быстро повышается до 500°C (932°F), после чего элемент воспламеняется или взрывается. Это известно как «выпускание газа с пламенем»; «быстрая разборка» – это предпочтительный термин в аккумуляторной промышленности. Выходящими газами являются углекислый газ и угарный газ, а также газы, образующиеся в результате испарения электролита.

Защитные схемы и безопасность

Поскольку аккумуляторы могут выделять высокую энергию, необходим механизм безопасности, который предотвращает повреждение в случае короткого замыкания. Самым простым устройством является предохранитель, который размыкается при высоком токе. Некоторые предохранители размыкаются постоянно и делают аккумулятор непригодным для использования, другие являются более щадящими и сбрасываются в ноль. Положительный тепловой коэффициент (PTC) – это сбрасываемое устройство, которое создает высокое сопротивление при избыточном токе и возвращается в нормальное состояние.

Дальнейшие уровни защиты – это твердотельные переключатели, которые отключают аккумулятор, когда показатели тока или напряжения превышают установленный порог. Ограничения тока устанавливаются в соответствии с номинальной емкостью элемента в Ач; ограничения напряжения срабатывают при превышении 4,3 В/элемент во время зарядки и 2,2 В/элемент во время разрядки литий-ионного элемента. (Могут применяться другие настройки.) Некоторые элементы отключаются, если температура повышается до 90ºC и/или давление превышает установленный предел. Все коммутационные устройства имеют остаточное сопротивление, которое вызывает незначительное увеличение общего сопротивления аккумулятора и уменьшение максимального тока.

Схема защиты защищает аккумулятор от внешних агрессий, но она неэффективна для остановки внутреннего теплового разгона, когда он уже начался. Как и во время ядерного расплавления, аккумулятор питается собственной энергией, однако плавящиеся сепараторы, встроенные в некоторые усовершенствованные элементы, которые препятствуют потоку ионов при высокой температуре, замедляют этот процесс. Аккумуляторы, отозванные в 2006 году, а также главный аккумулятор Boeing 787 и аккумуляторы в других инцидентах, соответствовали всем нормативным требованиям безопасности, однако вышли из строя при нормальном использовании и с надлежащими защитными схемами.

Аккумуляторы, попадающие в опасную зону, должны быть искробезопасными. Это касается мобильных телефонов, раций двусторонней связи, ноутбуков, камер, фонариков, детекторов газа, медицинских инструментов, включая устройства, работающие от первичных элементов 9 В, типа AA и AAA. Регулируемая согласно стандарту IEC 60079, схема, встроенная в аккумуляторы или устройство, ограничивает ток, чтобы предотвратить образование электрической искры, которая может воспламенить газы на нефтеперерабатывающих заводах или химических заводах, а также пыль на зерновых элеваторах или текстильных фабриках. Сертификация в Северной Америке осуществляется Factory Mutual, UL, CSA и другими, Европа соответствует стандарту ATEX, и большинство стран принимает стандарт IEC 60079.

Для предотвращения повреждения используются многоуровневые механизмы безопасности:

• Предохранители: Размыкают цепь при высоком токе.
• PTC (Positive Thermal Coefficient): Сбрасываемое устройство, создающее высокое сопротивление при избыточном токе.
• Твердотельные переключатели: Отключают аккумулятор, когда ток, напряжение, температура или давление превышают установленные пороги.

Создание литий-ионного аккумулятора: Энергетические и Силовые элементы

При создании литий-ионного блока необходимо выбирать между двумя основными типами элементов:

Создание литий-ионного аккумуляторного блока начинается с оценки требований к напряжению, току и времени работы. Некоторые потребительские товары имеют тонкий профиль, и выбор – призматический или пакетный элемент. Если позволяет пространство, 18650 обеспечивает самую низкую стоимость и лучшую производительность с точки зрения удельной энергии, безопасности и долговечности.

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

Купить

Посмотреть больше

Ранние литий-ионные аккумуляторы считались хрупкими и непригодными для высоких нагрузок. Сегодня литиевые системы стоят бок о бок с надежными никелевыми и свинцовыми химическими составами. При создании литий-ионного блока необходимо рассмотреть два разных типа.

Энергетический элемент создан для максимальной емкости, чтобы обеспечить длительное время работы. Энергетический элемент Panasonic NCR18650B на рисунке 1 имеет очень высокую емкость при разряде 0,5°C (красная линия), но менее вынослив при 2°C (фиолетовая линия) при вдвое большем номинальном токе. Вместо того, чтобы выдавать 3200 мАч до линии разряда 3 В/элемент, Энергетический элемент выдает лишь 2300 мАч (красный круг); на 28 процентов меньше, чем указано.

Рисунок 1: Характеристики разряда энергетического элемента NCR18650B от Panasonic в корпусе 18650.
Энергетический элемент емкостью 3200 мАч разряжается при 0,2 °C, 0,5 °C, 1 °C и 2 °C. Круг на линии 3,0 В/элемент обозначает точку конца разряда при 2 °C.
Потери при низких температурах:
25 °C (77 °F) = 100 %
0 °C (32 °F) = ~83 %
–10 °C (14 °F) = ~66 %
–20 °C (4 °F) = ~53 %

Аккумулятор Panasonic UR18650RX, изображенный на рисунке 2, имеет умеренную емкость 1,95 Ач, но предлагает превосходные возможности нагрузки. Разряд 10 А (5 C) имеет минимальные потери емкости на конце напряжения разряда 3,0 В. Это идеально подходит для применений, требующих высокого тока нагрузки, таких как электроинструменты. Хотя емкость аккумулятора Power Cell на 40 процентов меньше, чем у Energy Cell, он также предлагает превосходную производительность при низких температурах.

Рисунок 2: Характеристики разряда аккумулятора UR18650RX от Panasonic в корпусе 18650.
Аккумулятор емкостью 1950 мАч разряжается при 0,2°C, 0,5°C, 1°C и 2°C и 10A. Все они достигают предела 3,0 В/элемент примерно при 2000 мАч. Аккумулятор имеет умеренную емкость, но обеспечивает высокий ток.
Потери при низких температурах:
25°C (77°F) = 100%
0°C (32°F) = ~92%
–10°C (14°F) = ~85%
–20°C (4°F) = ~80%

Готовый аккумулятор должен пройти электрические и механические испытания, чтобы соответствовать рекомендациям Руководства по испытаниям и критериям согласно UN 38.3 для перевозки опасных грузов. Эти правила согласуются с правилами Федерального управления гражданской авиации (FAA), Министерства транспорта США (DOT) и Международной ассоциации воздушного транспорта (IATA). Сертификация распространяется на первичные и вторичные литиевые элементы и аккумуляторы и должна соответствовать следующим требованиям:

Авторизованным лабораториям, проводящим испытания, нужен пул из 24 аккумуляторов, состоящий из 12 новых образцов и 12, прошедших 50 циклов зарядки/использования. Аккумуляторы должны пройти испытания без причинения вреда, связанного с разборкой, взрывом или огнем, в течение 6 часов после испытания, но аккумуляторы могут испортиться во время испытаний. IATA хочет убедиться, что соответствующие аккумуляторы пригодны для полетов и имеют целостность в полевых условиях; 50-кратное циклирование зарядки/использования аккумуляторов перед испытанием добавляет определенной реальности.

Высокая стоимость сертификации от 10 000 до 20 000 долларов США не позволяет мелким производителям использовать литий-ионные аккумуляторы для продукции малого объема производства, и предприниматели могут выбрать никель-металлгидридные аккумуляторы, поскольку этот химический состав не требует такого же уровня испытаний. Устаревание существующего литиевого элемента – еще одна проблема, которая увеличивает стоимость. Повторная сертификация обратной связи необходима, даже если новые элементы являются прямой заменой. Регуляторы утверждают, что одобрение элемента не может быть перенесено на аккумулятор, поскольку подтверждение безопасности предоставляется готовому продукту, а не компонентам.

Что делать, когда аккумулятор перегревается

Если литий-ионный аккумулятор перегревается, шипит или вздувается, немедленно переместите устройство подальше от легковоспламеняющихся материалов и положите его на негорючую поверхность. Если возможно, извлеките аккумулятор и вынесите его на улицу, где он сможет безопасно выгореть. Держите устройство под наблюдением на открытом воздухе не менее 6 часов.

Тушение пожара от аккумулятора

• 🔥 Небольшой пожар Li-ion: Используйте пенный огнетушитель, CO₂, сухое химическое вещество ABC, порошкообразный графит, медный порошок или соду. FAA также рекомендует использовать воду или газированную воду, поскольку они охлаждают соседние элементы и предотвращают распространение огня.
• 🔥🔥 Большой пожар Li-ion (напр. электромобиль): Возможно, придется дать ему выгореть, поскольку вода малоэффективна. Пожарные службы могут использовать большое количество воды для охлаждения.
• 💥 Пожар литий-металлического аккумулятора: Используйте только огнетушитель класса D. Литий-металл бурно реагирует с водой, что только усилит пожар.

Во время теплового взрыва тепло от неисправного элемента в аккумуляторном блоке может распространяться на следующий элемент, что приводит к термической нестабильности. Может возникнуть цепная реакция, во время которой каждый элемент распадается по собственному графику. Таким образом, аккумулятор может быть уничтожен за несколько секунд или в течение нескольких часов, поскольку каждый элемент расходуется. Аккумуляторные батареи должны иметь разделители, чтобы защитить неисправный элемент от распространения на соседний. Мобильные телефоны работают от одного литий-ионного элемента, в то время как аккумуляторы ноутбуков имеют несколько элементов, соединенных последовательно и параллельно для достижения необходимого напряжения и номинальной емкости в Ач.