Аннотация: Безопасность литий-ионных аккумуляторов

Литий-ионные аккумуляторы иногда перегреваются и возгораются, и это вызывает серьезную озабоченность в промышленности. Регуляторные разрешения сложны, но после принятия и утверждения должностные лица умывают руки и перекладывают ответственность за уход на пользователя. Процедуры утверждения в основном направлены на период от рождения до выпуска; после того, как аккумулятор был утвержден как часть рабочей силы до выхода на пенсию, существует мало требований к регулярности. Хотя это хорошо работает для более безопасных свинцово-никелевых аккумуляторов, у литий-ионных есть четкие красные линии, которых необходимо придерживаться.

В этой статье рассматривается процесс утверждения и предлагаются методы мониторинга литий-ионных аккумуляторов в полевых условиях для выявления аномалий, которые могут возникнуть под воздействием окружающей среды. Все аккумуляторы стареют, но изменения характеристик особенно проблематичны для литий-ионных. Один из способов наблюдения за аномалиями – это включение диагностических функций в зарядные устройства и устройства, работающие от аккумуляторов, что повысит безопасность без дополнительной логистики. В статье также рассматривается выбор литий-ионных аккумуляторов для соответствия профилю нагрузки и воздействию окружающей среды. Такие соображения могут однажды сыграть определенную роль в процессе утверждения, чтобы обеспечить работу аккумуляторов в безопасном диапазоне.

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

Тестирование и мониторинг безопасности

Производители несут окончательную ответственность за безопасность аккумулятора. UN/DOT 38.3 требует, чтобы литий-ионные элементы прошли испытания на пригодность к полетам, выдерживая испытания на симуляции высоты, перегрева, вибрации, ударов, короткого замыкания, перезаряда и принудительного разряда. Эти испытания проводятся на новых или почти новых литий-ионных элементах, но не на аккумуляторах, которые, возможно, исчерпали свой срок службы. Проверки безопасности на рабочем месте, кажется, игнорируются; все усилия направлены на предутверждение; постутверждение выходит за рамки возможностей.

«До» утверждения напоминает жизнь студентов, которые получают академические знания для подготовки к карьере, сдавая экзамены для проверки знаний перед выпуском; «после» утверждения представляет рабочую силу, где пользователи предоставлены сами себе, часто с минимальным руководством. Правила становятся расплывчатыми. Необходимость зависеть от источника питания, который также уменьшает емкость с каждым циклом, побуждает пользователя спросить: «Как часто мне следует проверять аккумулятор? Какой резервной емкости достаточно? При какой емкости мне следует заменять аккумулятор?»

Несмотря на тщательное тестирование, сообщается о пожарах литий-ионных аккумуляторов, и эти нарушения вызывают серьезную озабоченность в области здравоохранения, обороны и связи. С увеличением использования литий-ионных аккумуляторов для масштабного использования возникает вопрос: «Следует ли делать больше для обеспечения постоянной безопасности после того, как аккумулятор исчерпает свой срок службы?» Вместо того, чтобы прилагать все усилия на этапе до утверждения, система, основанная на техническом обслуживании, будет контролировать аккумулятор в полевых условиях и уведомлять пользователя об обнаруженных дефектах, которые могут поставить под угрозу безопасность. Литий-ионный аккумулятор уникален тем, что он может скрыть дефект, продолжая обеспечивать полную производительность. Неисправное здание или корродированный мост реагируют по-разному, поскольку на конструкциях появляются видимые следы напряжения, позволяющие принять меры безопасности; литий-ионный аккумулятор не дает такого предварительного предупреждения.

Текущую безопасность литий-ионных аккумуляторов можно свести к трем категориям:

Сертификация продукта дает зеленый свет для выпуска литий-ионных элементов на рынок; она также разрешает авиаперевозки. Однако проблемы с обслуживанием возникают только после того, как продукт используется некоторое время. К аккумуляторам следует относиться так же, как к критической детали самолета или машины, износ которой соответствует нормам. Это особенно важно, когда аккумуляторы подвергаются воздействию стрессовых условий, таких как нагрев, сверхбыстрая зарядка, зарядка ниже нуля, жесткая нагрузка и вибрация.

Чтобы оставаться в пределах допустимого, выбор литий-ионного аккумулятора важен в процессе проектирования. Энергетический элемент обеспечивает высокую удельную энергию, но обеспечивает умеренные токи нагрузки и требует длительного времени зарядки. Силовой элемент предназначен для высокого тока нагрузки, что также позволяет быстрее заряжать, но имеет пониженную емкость. Необходимость адаптировать аккумулятор к конкретным применениям была менее распространенной в никель-кадмиевых (NiCd) системах. Один тип служил большинству применений.

Повреждение литий-ионного аккумулятора в режиме отказа более критично, чем у систем на основе свинца и никеля. К повреждению сепаратора в литий-ионных аккумуляторах следует относиться серьезно, поскольку большинство пожаров вызваны его неисправностью, что может привести к короткому замыканию. NiCd аккумуляторы более снисходительны в этом отношении. Сепаратор может быть настолько поврежден большим количеством циклов разряда-заряда и кристаллообразованием (память), что аккумулятор саморазряжается за 8 часов.

Высокий саморазряд в литий-ионных аккумуляторах также может возникать, когда дендриты образуются в результате сверхбыстрой зарядки, жесткой нагрузки или зарядки при низких температурах. Хранение литий-ионного элемента в низком состоянии заряда также приводит к росту дендритов. Однако одной из самых больших проблем производителей литий-ионных аккумуляторов является скопление посторонних частиц в одном месте. Были внесены улучшения, но они сообщают, что сложные методы сборки затрудняют удаление всей металлической пыли. Элементы со сверхтонкими сепараторами размером всего 20 мкм или меньше (20-тысячные мм) более подвержены примесям, чем старые конструкции.

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.

Купить

Посмотреть больше

Нарушенный сепаратор в литий-ионном элементе может вызвать лишь незначительное повышение саморазряда. для большинства элементов это состояние остается стабильным, но в редких случаях линия разрыва может перерасти в значительный ток, протекающий между электродами в элементе. Пятно может нагреваться и еще больше ослаблять сепаратор, пока не перерастет в короткое замыкание. Аналогична небольшая утечка воды в неисправной гидроэлектростанции, которая может превратиться в поток и разрушить конструкцию. Температура литий-ионного аккумулятора с коротким замыканием может быстро достичь 500°C (932°F), после чего элемент воспламеняется или взрывается. Тепловой разгон известен как «выброс пламени». После того, как событие началось, его невозможно остановить, и ему нужно выгореть.

Рекомендации по напряжению заряда

Производители аккумуляторов придерживаются общих стандартов чистоты с полупроводниковой промышленностью. Производители микросхем потратили миллионы долларов на уменьшение количества частиц, которые могут привести к потере пластин. Лучшие чистые помещения в мире соответствуют стандарту ISO 4 (класс 10), что означает, что в них присутствует не более 10 000 частиц размером более 0,1 микрометра (мкм). Даже на таком низком уровне частицы все еще влияют на полупроводниковые пластины. Аккумуляторы часто изготавливаются в менее строго контролируемых чистых помещениях, и чистота может потребовать улучшения, чтобы быть такой же или лучше, чем в производстве полупроводников.

Поставщик первого уровня признает, что литий-ионные аккумуляторы имеют риск возгорания. Предложенные ими меры предосторожности включают ограничение тока в параллельной конфигурации, чтобы сделать короткое замыкание элемента безвредным, снижение напряжения заряда, когда емкость аккумулятора уменьшается, обеспечение отслеживаемых номеров партий вплоть до уровня элемента и аккумулятора, создание аккумулятора, который предотвращает распространение от элемента к элементу в случае пожара, и обеспечение выхода выхлопных газов, предотвращая утечку огня за пределы аккумулятора.

Поставщик первого уровня также сообщает, что циклическая нагрузка/отключение увеличивает давление на электроды. Анод утолщается во время использования, что еще больше усиливает давление на сепаратор. В случае попадания посторонних материалов, которых невозможно полностью избежать, поставщик первого уровня подтверждает, что обычное использование литий-ионного аккумулятора может привести к короткому замыканию в отдельных случаях. Из-за запросов клиентов о большей емкости и постоянном поддержании необходимого уровня безопасности, поставщик первого уровня рекомендует снизить напряжение заряда, чтобы отрегулировать падение емкости, следующим образом:

Поставщик первого уровня также предлагает снизить напряжение заряда на 0,1 В в медицинских учреждениях для критически больных пациентов и пациентов с инвалидностью. На рисунках 1 и 2 показаны внутренние изменения литий-ионного элемента в зависимости от старения, что может привести к преждевременному выходу из строя.

Коэффициент отказов литий-ионных аккумуляторов улучшился и сейчас превышает один на 10 миллионов. Заслуга принадлежит добросовестным производителям аккумуляторов, которые серьезно относятся к безопасности. Ни одна другая поломка аккумулятора не привлекает большего внимания СМИ, чем пожар литий-ионного аккумулятора. Все устройства накопления энергии несут риск, и общественность была встревожена в 1800-х годах, когда взрывались паровые двигатели, и люди получали травмы. Перевозка легковоспламеняющегося бензина в автомобилях была горячей темой в начале 1900-х годов. У Томаса Эдисона были веские причины продвигать электромобиль в начале 1900-х годов как лучший вариант. Он пропагандировал никель-железные аккумуляторы в пользу свинцово-кислотных, а не литий-ионных.

Существует два типа поломок литий-ионных аккумуляторов. Один из них связан с конструктивным или производственным дефектом, который повторяется с предсказуемой частотой и часто приводит к отзыву, примерами являются смартфоны Samsung Galaxy 7 в 2016 году и аккумуляторы для ноутбуков Sony в 2006 году. Самые сложные поломки – это случайные события. Они могут быть вызваны многократной зарядкой при температуре ниже нуля, резкой нагрузкой или чрезмерной вибрацией. Это также может быть случайность, подобная падению метеорита.

Cadex проводит лабораторные испытания для измерения скорости саморазряда между исправными литий-ионными элементами и теми, что подверглись нагрузке. Цель состоит в разработке метода обнаружения неисправностей, предполагая, что тепловое событие сопровождается высоким саморазрядом. Насколько нам известно, официальных исследований по этому вопросу не проводилось. Если повышенный саморазряд можно обнаружить на поврежденном литий-ионном элементе, можно разработать алгоритмы, которые выдают сообщения ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ, если аккумулятор требует замены, и ОПАСНОСТЬ, если аккумулятор достигает угрозы теплового события.

Краткое изложение и предлагаемое решение

Литий-ионный аккумулятор является одной из лучших аккумуляторных систем, но он неумолим в режиме отказа. Для некоторых систем могут потребоваться функции безопасности на основе технического обслуживания как часть постсертификации, чтобы обеспечить безопасную эксплуатацию литий-ионного аккумулятора от рабочего места до выхода на пенсию в любых условиях. Традиционной сертификации было достаточно для одобрения свинцово-никелевых аккумуляторов, поскольку эти системы достигают конца срока службы из-за потери производительности. Хотя пожары также случаются с аккумуляторами, не содержащими лития, они случаются реже на ватт-час и более контролируемы.

Многие литий-ионные аккумуляторы продолжают работать даже в случае возникновения неисправности. Аналогию можно провести со стареющим паровым двигателем, который все еще обеспечивает полную мощность, но с котлом, который больше не соответствует требованиям безопасности. Опасения также касаются стареющих литий-ионных установок в системах накопления энергии и лодках. Синдром старения может быть еще не полностью понят, поскольку большинство этих систем новые. Мы задаем вопрос: «будет ли емкость или безопасность определять окончание срока службы?»

Возможны зарядные устройства с диагностическими функциями, которые сообщают пользователю о предстоящем дефекте аккумулятора. Эти зарядные устройства будут осуществлять контроль качества, прогнозируя, когда аккумулятор нужно заменить, на основе оценки емкости и обнаружения аномалий.

Разрабатывается программное обеспечение на основе передового машинного обучения (AML), которое можно добавить в зарядное устройство или портативное устройство для обеспечения функций мониторинга по экономичной цене. Эти системы выходят за рамки измерения напряжения, тока и кулоновского подсчета, а также исследуют состояние химического аккумулятора. AML также используется в распознавании голоса и изображений, а также в автомобилях с автономным управлением. Помимо повышения безопасности аккумулятора, AML оценивает емкость аккумулятора во время зарядки, чтобы данные о производительности были прозрачными для пользователя. Это связывает точки, используя существующие технологии, которые сделают аккумулятор более безопасным, надежным и экологичным продуктом.

Зарядные устройства Victron Energy

Высококачественные зарядные устройства для долговечной службы и надежной работы

Зарядное устройство Victron Blue Smart IP22 Charger 12/30 (1)

Идеально подходит для использования в мастерских, а также для зарядки аккумуляторов автомобилей, мотоциклов, лодок и кемперов.

Купить

Зарядное устройство Blue Smart IP65 Charger 12/15

Благодаря классу защиты IP65, устройство устойчиво к пыли и воде, что делает его идеальным для использования в жестких условиях.

Купить

Зарядное устройство Victron Phoenix Smart IP43 Charger 12/30 (3) 120/240V

Оснащено Bluetooth-интерфейсом для простого настройки и мониторинга через приложение VictronConnect. Высокая эффективность и надежность делают его идеальным решением для коммерческих, промышленных и морских применений.

Купить

Посмотреть больше