Як забезпечити цілісність польових робіт та льотну придатність

Під час зовнішнього передпольотного огляду перед зльотом пілот помітив густий білий дим, що клубочився з вантажного відсіку Boeing 737, і оголосив сигнал тривоги. Прибулі аварійні бригади виявили 28 акумуляторів у перевіреному транспортному контейнері, 6–8 з яких були знищені вогнем. У повідомленні йдеться, що пожежа виникла через коротке замикання в акумуляторі після того, як пасажир заявив, що в транспортному контейнері немає акумуляторів. Згідно із законодавством про цивільну авіацію, пасажири, які не задекларували небезпечні вантажі, можуть бути покарані покаранням у вигляді позбавлення волі на строк до 7 років. Перевезення літієвих акумуляторів підпадає під дію Закону про перевезення небезпечних вантажів.

ЗМІ швидко повідомляють про інциденти, пов'язані з літій-іонними акумуляторами, і не без підстав. Samsung Note 7 був заборонений на рейсах через потенційну пожежну небезпеку; електронні сигарети спалахують, електричні ховерборди були відкликані, а у 2006 році поломка з частотою один випадок на 200 000 призвела до відкликання майже шести мільйонів літій-іонних акумуляторів. Крім того, зупинка Boeing 787 Dreamliner у 2012/2013 роках була пов'язана з несправним літій-іонним акумулятором. Ці інциденти сталися після того, як відповідні акумулятори пройшли суворі випробування UN 38.3, стандарт, що відповідає за транспортування літієвих акумуляторів згідно з Організацією Об'єднаних Націй та Міністерством транспорту.

Причини несправностей та ризики

Літій-іонний акумулятор безпечний, але через мільйони промислових та споживчих застосувань трапляються збої. Мікроскопічні металеві частинки, що контактують з іншими деталями акумуляторного елемента, стали причиною відкликання Sony. Сучасні елементи з надтонкими сепараторами (21 мкм) більш схильні до домішок, ніж старіші конструкції. У той час як класичний елемент 18650 (діаметром 18 мм та довжиною 65 мм) з ємністю 1350 мАг міг витримати проникнення цвяха, сучасний 3400 мАг перетворюється на феєрверк під час проведення того ж тесту.

Існує два типи поломок акумуляторів:

• Виробничий дефект: інцидент, що трапляється приблизно один раз на 10 мільйонів, який зазвичай призводить до масового відкликання продукції.
• Випадкова подія: рідкісні поломки, причини яких важко встановити, оскільки елемент повністю руйнується. Можливими причинами є заряджання при температурі нижче нуля, високий нагрів, надмірна вібрація та/або багаторазове велике навантаження.

Більшість поломок акумуляторів, що призводять до руйнування, починаються з незначного короткого замикання, яке залишається непоміченим. Акумулятор працює нормально, і користувач не знає про майбутню поломку. Це відрізняється від несправної структури, яка демонструє сліди напруги перед падінням. Структурні аномалії добре задокументовані, а поріг відмови відомий. У цьому відношенні акумулятор поводиться більше як чорна скринька з власним розумом. Такі організації, як NRTL, ANSI, UL, IEEE, починають вивчати застосування акумуляторів та вимагати їх правильного використання. Важка вантажівка отримає довговічний двигун, а не потужний двигун від спортивного автомобіля тієї ж потужності.

Поломки акумуляторів також спричинені відхиленням електродів або аномальними зварними плямами, як це було зі смартфоном Samsung Note 7. Швидке заряджання за низьких температур сприяє утворенню дендритів, як і зберігання літій-іонного акумулятора при напрузі нижче 1,5 В/елемент більше тижня. Ці напруження можуть призвести до підвищеного саморозряду та короткого замикання через утворення теплових плям, що послаблюють сепаратор.

Тепловий розгін

Під час теплового розгону літій-іонний акумулятор виділяє пар, температура швидко підвищується до 500°C (932°F), після чого елемент спалахує або вибухає. Це відомо як «випускання газу полум'ям»; «швидке розбирання» – це кращий термін у акумуляторній промисловості. Вихідними газами є вуглекислий газ та чадний газ, а також гази, що утворюються внаслідок випаровування електроліту.

Захисні схеми та безпека

Оскільки акумулятори можуть виділяти високу енергію, потрібен механізм безпеки, який запобігає пошкодженню у разі короткого замикання. Найпростішим пристроєм є запобіжник, який розмикається при високому струмі. Деякі запобіжники розмикаються постійно та роблять акумулятор непридатним для використання, інші є більш щадними та скидаються в нуль. Позитивний тепловий коефіцієнт (PTC) – це пристрій, що скидається в нуль, який створює високий опір при надлишковому струмі та повертається до нормального стану.

Подальші рівні захисту – це твердотільні перемикачі, які відключають акумулятор, коли показники струму або напруги перевищують встановлений поріг. Обмеження струму встановлюються відповідно до номінальної ємності елемента в Аг; обмеження напруги спрацьовують при перевищенні 4,3 В/елемент під час заряджання та 2,2 В/елемент під час розряджання літій-іонного елемента. (Можуть застосовуватися інші налаштування.) Деякі елементи вимикаються, якщо температура підвищується до 90ºC та/або тиск перевищує встановлену межу. Усі комутаційні пристрої мають залишковий опір, який спричиняє незначне збільшення загального опору акумулятора та зменшення максимального струму.

Схема захисту захищає акумулятор від зовнішніх агресій, але вона неефективна для зупинки внутрішнього теплового розгону, коли він вже розпочався. Як і під час ядерного розплавлення, акумулятор живиться власною енергією, проте плавильні сепаратори, вбудовані в деякі вдосконалені елементи, що перешкоджають потоку іонів за високої температури, уповільнюють цей процес. Акумулятори, відкликані у 2006 році, а також головний акумулятор Boeing 787 та акумулятори в інших інцидентах, відповідали всім нормативним вимогам безпеки, проте вийшли з ладу за нормального використання та з належними захисними схемами.

Акумулятори, що потрапляють у небезпечну зону, повинні бути іскробезпечними. Це стосується мобільних телефонів, рацій двостороннього зв'язку, ноутбуків, камер, ліхтариків, детекторів газу, медичних інструментів, включаючи пристрої, що працюють від первинних елементів 9 В, типу AA та AAA. Регульована згідно зі стандартом IEC 60079, схема, вбудована в акумулятори або пристрій, обмежує струм, щоб запобігти утворенню електричної іскри, яка може запалити гази на нафтопереробних заводах або хімічних заводах, а також пил на зернових елеваторах або текстильних фабриках. Сертифікація в Північній Америці здійснюється Factory Mutual, UL, CSA та іншими, Європа відповідає стандарту ATEX, і більшість країн приймає стандарт IEC 60079.

Для запобігання пошкодженню використовуються багаторівневі механізми безпеки:

• Запобіжники: Розмикають ланцюг при високому струмі.
• PTC (Positive Thermal Coefficient): Пристрій, що скидається в нуль, створюючи високий опір при надлишковому струмі.
• Твердотільні перемикачі: Відключають акумулятор, коли струм, напруга, температура або тиск перевищують встановлені пороги.

Створення літій-іонного акумулятора: Енергетичні та Силові елементи

При створенні літій-іонного блоку необхідно обирати між двома основними типами елементів:

Створення літій-іонного акумуляторного блоку починається з оцінки вимог до напруги, струму та часу роботи. Деякі споживчі товари мають тонкий профіль, і вибір – призматичний або пакетний елемент. Якщо дозволяє простір, 18650 забезпечує найнижчу вартість та найкращу продуктивність з точки зору питомої енергії, безпеки та довговічності.

Ранні літій-іонні акумулятори вважалися крихкими та непридатними для високих навантажень. Сьогодні літієві системи стоять пліч-о-пліч з надійними нікелевими та свинцевими хімічними складами. Під час створення літій-іонного блоку необхідно розглянути два різних типи.

Акумулятори LiFePO4

Надійні літій-залізо-фосфатні акумулятори для сонячних та резервних систем.

LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 (12В, 50Аг)

Компактний акумулятор із вбудованим BMS для безпечної роботи у сонячних та резервних системах.

Купити

 LiFePO4 Victron Lithium SuperPack 12.8В 100Аг

Сучасна літій-залізо-фосфатна батарея (LiFePO4) з вбудованим BMS і захистом від перевантаження

Купити

LiFePO4 Victron Smart Battery 12.8V/100Ah 

 Високоякісне джерело енергії з довгим терміном служби, високою безпекою та сумісністю з екосистемою Victron Energy

Купити

Подивитися більше

Енергетичний елемент створений для максимальної ємності, щоб забезпечити тривалий час роботи. Енергетичний елемент Panasonic NCR18650B на рисунку 1 має дуже високу ємність при розряді 0,5°C (червона лінія), але менш витривалий при 2°C (фіолетова лінія) при вдвічі більшому номінальному струмі. Замість того, щоб видавати 3200 мАг до лінії розряду 3 В/елемент, Енергетичний елемент видає лише 2300 мАг (червоне коло); на 28 відсотків менше, ніж зазначено.

Рисунок 1: Характеристики розряду енергетичного елемента NCR18650B від Panasonic у корпусі 18650.
Енергетичний елемент ємністю 3200 мАг розряджається при 0,2 °C, 0,5 °C, 1 °C та 2 °C. Коло на лінії 3,0 В/елемент позначає точку кінця розряду при 2 °C.
Втрати при низьких температурах:
25 °C (77 °F) = 100 %
0 °C (32 °F) = ~83 %
–10 °C (14 °F) = ~66 %
–20 °C (4 °F) = ~53 %

Акумулятор Panasonic UR18650RX , зображений на рисунку 2, має помірну ємність 1,95 А·год, але пропонує чудові можливості навантаження. Розряд 10 А (5 C) має мінімальні втрати ємності на кінці напруги розряду 3,0 В. Це ідеально підходить для застосувань, що потребують високого струму навантаження, таких як електроінструменти. Хоча ємність акумулятора Power Cell на 40 відсотків менша, ніж у Energy Cell, він також пропонує чудову продуктивність за низьких температур.

Рисунок 2: Характеристики розряду акумулятора UR18650RX від Panasonic у корпусі 18650.
Акумулятор ємністю 1950 мАг розряджається при 0,2°C, 0,5°C, 1°C та 2°C і 10A. Усі вони досягають межі 3,0 В/елемент приблизно при 2000 мАг. Акумулятор має помірну ємність, але забезпечує високий струм.
Втрати при низьких температурах:
25°C (77°F) = 100%
0°C (32°F) = ~92%
–10°C (14°F) = ~85%
–20°C (4°F) = ~80%

Готовий акумулятор повинен пройти електричні та механічні випробування, щоб відповідати рекомендаціям Посібника з випробувань та критеріїв згідно з UN 38.3 для перевезення небезпечних вантажів. Ці правила узгоджуються з правилами Федерального управління цивільної авіації (FAA), Міністерства транспорту США (DOT) та Міжнародної асоціації повітряного транспорту (IATA). Сертифікація поширюється на первинні та вторинні літієві елементи та акумулятори та повинна відповідати таким вимогам:

Авторизованим лабораторіям, що проводять випробування, потрібен пул із 24 акумуляторів, що складається з 12 нових зразків та 12, що пройшли 50 циклів зарядки/використання. Акумулятори повинні пройти випробування без заподіяння шкоди, пов'язаної з розбиранням, вибухом чи вогнем, протягом 6 годин після випробування, але акумулятори можуть зіпсуватися під час випробувань. IATA хоче переконатися, що відповідні акумулятори придатні для польотів та мають цілісність у польових умовах; 50-кратне циклування зарядки/використання акумуляторів перед випробуванням додає певної реальності.

Висока вартість сертифікації від 10 000 до 20 000 доларів США не дозволяє дрібним виробникам використовувати літій-іонні акумулятори для продукції малого обсягу виробництва, і підприємці можуть обрати нікель-металгідридні акумулятори, оскільки цей хімічний склад не вимагає такого ж рівня випробувань. Застаріння існуючого літієвого елемента – ще одна проблема, яка збільшує вартість. Повторна сертифікація зворотного зв'язку необхідна, навіть якщо нові елементи є прямою заміною. Регулятори стверджують, що схвалення елемента не може бути перенесено на акумулятор, оскільки підтвердження безпеки надається готовому продукту, а не компонентам.

Що робити, коли акумулятор перегрівається

Якщо літій-іонний акумулятор перегрівається, шипить або випирає, негайно перемістіть пристрій подалі від легкозаймистих матеріалів і покладіть його на негорючу поверхню. Якщо можливо, вийміть акумулятор і винесіть його на вулицю, де він зможе безпечно вигоріти. Тримайте пристрій під наглядом на відкритому повітрі щонайменше 6 годин.

Гасіння пожежі від акумулятора

• 🔥 Невелика пожежа Li-ion: Використовуйте пінний вогнегасник, CO₂, суху хімічну речовину ABC, порошкоподібний графіт, мідний порошок або соду. FAA також рекомендує використовувати воду або газовану воду, оскільки вони охолоджують сусідні елементи та запобігають поширенню вогню.
• 🔥🔥 Велика пожежа Li-ion (напр. електромобіль): Можливо, доведеться дати їй вигоріти, оскільки вода малоефективна. Пожежні служби можуть використовувати велику кількість води для охолодження.
• 💥 Пожежа літій-металевого акумулятора: Використовуйте лише вогнегасник класу D. Літій-метал бурхливо реагує з водою, що лише посилить пожежу.

Під час теплового вибуху тепло від несправного елемента в акумуляторному блоці може поширюватися на наступний елемент, що призводить до термічної нестабільності. Може виникнути ланцюгова реакція, під час якої кожен елемент розпадається за власним графіком. Таким чином, акумулятор може бути знищений за кілька секунд або протягом кількох годин, оскільки кожен елемент витрачається. Акумуляторні батареї повинні мати роздільники, щоб захистити несправний елемент від поширення на сусідній. Мобільні телефони працюють від одного літій-іонного елемента, тоді як акумулятори ноутбуків мають кілька елементів, з'єднаних послідовно та паралельно для досягнення необхідної напруги та номінальної ємності в Аг.