Анотація: Безпека літій-іонних акумуляторів

Літій-іонні акумулятори іноді перегріваються та займаються, і це викликає серйозне занепокоєння в промисловості. Регуляторні дозволи є складними, але після прийняття та затвердження посадовці вмивають руки та перекладають відповідальність за догляд на користувача. Процедури затвердження в основному спрямовані на період від народження до закінчення навчання; після того, як акумулятор був затверджений як частина робочої сили до виходу на пенсію, існує мало вимог щодо регулярності. Хоча це добре працює для більш безпечних свинцево-нікелевих акумуляторів, літій-іонні мають чіткі червоні лінії, яких необхідно дотримуватися.

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

У цій статті розглядається процес затвердження та пропонуються методи моніторингу літій-іонних акумуляторів у польових умовах для виявлення аномалій, які можуть виникнути під впливом навколишнього середовища. Усі акумулятори старіють, але зміни характеристик є особливо проблематичними для літій-іонних. Один із способів спостереження за аномаліями – це включення діагностичних функцій до зарядних пристроїв та пристроїв, що працюють від акумуляторів, що підвищить безпеку без додаткової логістики. У статті також розглядається вибір літій-іонних акумуляторів для відповідності профілю навантаження та впливу навколишнього середовища. Такі міркування можуть одного дня відіграти певну роль у процесі затвердження, щоб забезпечити роботу акумуляторів у безпечному діапазоні.

Тестування та моніторинг безпеки

Виробники несуть остаточну відповідальність за безпеку акумулятора. UN/DOT 38.3 вимагає, щоб літій-іонні елементи пройшли випробування на придатність до польотів, витримуючи випробування на симуляції висоти, перегріву, вібрації, ударів, короткого замикання, перезаряду та примусового розряду. Ці випробування проводяться на нових або майже нових літій-іонних елементах, але не на акумуляторах, які, можливо, вичерпали свій термін служби. Перевірки безпеки на робочому місці, здається, ігноруються; всі зусилля спрямовані на досхвалення; післясхвалення виходить за межі можливостей.

«До» схвалення нагадує життя студентів, які отримують академічні знання для підготовки до кар’єри, складаючи іспити для перевірки знань перед випуском; «після» схвалення представляє робочу силу, де користувачі надані самі собі, часто з мінімальним керівництвом. Правила стають розпливчастими. Необхідність залежати від джерела живлення, яке також зменшує ємність з кожним циклом, спонукає користувача запитати: «Як часто мені слід перевіряти акумулятор? Якої резервної ємності достатньо? При якій ємності мені слід замінювати акумулятор?»

Незважаючи на ретельне тестування, повідомляється про пожежі літій-іонних акумуляторів, і ці порушення викликають серйозне занепокоєння в галузі охорони здоров'я, оборони та зв'язку. Зі збільшенням використання літій-іонних акумуляторів для масштабного використання виникає питання: «Чи слід робити більше для забезпечення постійної безпеки після того, як акумулятор вичерпає свій термін служби?» Замість того, щоб докладати всіх зусиль на етапі до затвердження, система, що базується на технічному обслуговуванні, контролюватиме акумулятор у польових умовах і повідомлятиме користувача про виявлені дефекти, які можуть поставити під загрозу безпеку. Літій-іонний акумулятор унікальний тим, що він може приховати дефект, продовжуючи забезпечувати повну продуктивність. Несправна будівля або кородований міст реагують по-різному, оскільки на конструкціях з'являються видимі сліди напруги, що дозволяють вжити заходів безпеки; літій-іонний акумулятор не дає такого попереднього попередження.

Поточну безпеку літій-іонних акумуляторів можна звести до трьох категорій:

Сертифікація продукту дає зелене світло для випуску літій-іонних елементів на ринок; вона також дозволяє авіаперевезення. Однак проблеми з обслуговуванням виникають лише після того, як продукт використовується певний час. До акумуляторів слід ставитися так само, як до критичної деталі літака або машини, знос якої відповідає нормам. Це особливо важливо, коли акумулятори піддаються впливу стресових умов, таких як нагрівання, надшвидка зарядка, зарядка нижче нуля, жорстке навантаження та вібрація.

Щоб залишатися в межах допустимого, вибір літій-іонного акумулятора є важливим у процесі проектування. Енергетичний елемент забезпечує високу питому енергію, але забезпечує помірні струми навантаження та вимагає тривалого часу заряджання. Силовий елемент призначений для високого струму навантаження, що також дозволяє швидше заряджання, але має знижену ємність. Необхідність адаптувати акумулятор до конкретних застосувань була менш поширеною в нікель-кадмієвих (NiCd) системах. Один тип служив більшості застосувань.

Пошкодження літій-іонного акумулятора в режимі відмови є більш критичним, ніж у систем на основі свинцю та нікелю. До пошкодження сепаратора в літій-іонних акумуляторах слід ставитися серйозно, оскільки більшість пожеж спричинені його несправністю, що може призвести до короткого замикання. NiCd акумулятори більш поблажливі в цьому відношенні. Сепаратор може бути настільки пошкоджений великою кількістю циклів розрядки-розрядки та кристалоутворенням (пам'ять), що акумулятор саморозряджається за 8 годин.

Високий саморозряд у літій-іонних акумуляторах також може виникати, коли дендрити утворюються в результаті надшвидкої зарядки, жорсткого навантаження або зарядки при низьких температурах. Зберігання літій-іонного елемента в низькому стані заряду також призводить до росту дендритів. Однак однією з найбільших проблем виробників літій-іонних акумуляторів є скупчення сторонніх частинок в одному місці. Були внесені покращення, але вони повідомляють, що складні методи складання ускладнюють видалення всього металевого пилу. Елементи з надтонкими сепараторами розміром лише 20 мкм або менше (20-тисячні мм) більш схильні до домішок, ніж старіші конструкції.

Захист від глибокої розрядки

Захист АКБ від впливу глибокої розрядки та подовження терміну його експлуатації

Smart BatteryProtect 12/24V 65A Victron Energy

Автоматично відключає навантаження, коли напруга на акумуляторі падає нижче критичного рівня, що захищає АКБ від глибокого розряду. Передбачено підтримку Bluetooth

Купити

Smart BatteryProtect 12/24V 220A Victron Energy

 Розумний контролер навантаження, який підтримує інтеграцію з VE.Bus BMS, режим роботи з літієвими акумуляторами, а також має низьке енергоспоживання та захист від перенапруги.

Купити

BatteryProtect 12/24V 100A Victron Energy

Захищає як AGM / GEL, так і LiFePO₄ акумулятори від глибокого розряду, який може серйозно зменшити строк служби або повністю вивести АКБ з ладу.

Купити

Подивитися більше

Порушений сепаратор у літій-іонному елементі може спричинити лише незначне підвищення саморозряду. Для більшості елементів цей стан залишається стабільним, але в рідкісних випадках лінія розриву може перерости у значний струм, що протікає між електродами в елементі. Пляма може нагріватися та ще більше послаблювати сепаратор, аж поки не переросте в коротке замикання. Аналогічною є невеликий витік води в несправній гідроелектростанції, який може перетворитися на потік і зруйнувати конструкцію. Температура літій-іонного акумулятора з коротким замиканням може швидко досягти 500°C (932°F), після чого елемент спалахує або вибухає. Тепловий втеча відомий як «витік полум'ям». Після того, як подія почалася, її неможливо зупинити, і її потрібно випалити.

Рекомендації щодо напруги заряду

Виробники акумуляторів дотримуються спільних стандартів чистоти з напівпровідниковою промисловістю. Виробники мікросхем витратили мільйони доларів на зменшення кількості частинок, які можуть призвести до втрати пластин. Найкращі чисті приміщення у світі відповідають стандарту ISO 4 (клас 10), що означає, що в них присутнє не більше 10 000 частинок розміром більше 0,1 мікрометра (мкм). Навіть на такому низькому рівні частинки все ще впливають на напівпровідникові пластини. Акумулятори часто виготовляються в менш суворо контрольованих чистих приміщеннях, і чистота може потребувати покращення, щоб бути такою ж або кращою, ніж у виробництві напівпровідників.

Постачальник першого рівня визнає, що літій-іонні акумулятори мають ризик займання. Запропоновані ними запобіжні заходи включають обмеження струму в паралельній конфігурації, щоб зробити коротке замикання елемента нешкідливим, зниження напруги заряду, коли ємність акумулятора зменшується, забезпечення відстежуваних номерів партій аж до рівня елемента та акумулятора, створення акумулятора, який запобігає поширенню від елемента до елемента у разі пожежі, та забезпечення виходу вихлопних газів, запобігаючи витоку вогню за межі акумулятора.

Постачальник першого рівня також повідомляє, що циклічне завантаження/вимкнення збільшує тиск на електроди. Анод потовщується під час використання, що ще більше посилює тиск на сепаратор. У разі потрапляння сторонніх матеріалів, яких неможливо повністю уникнути, постачальник першого рівня підтверджує, що звичайне використання літій-іонного акумулятора може призвести до короткого замикання в окремих випадках. Через запити клієнтів щодо більшої ємності та постійного підтримання необхідного рівня безпеки, постачальник першого рівня рекомендує знизити напругу заряду, щоб відрегулювати падіння ємності, наступним чином:

Постачальник першого рівня також пропонує знизити напругу заряду на 0,1 В у медичних закладах для критично хворих пацієнтів та пацієнтів з інвалідністю. На рисунках 1 та 2 показано внутрішні зміни літій-іонного елемента залежно від старіння, що може призвести до передчасного виходу з лаю.

Коефіцієнт відмов літій-іонних акумуляторів покращився і зараз перевищує один на 10 мільйонів. Заслуга належить сумлінним виробникам акумуляторів, які серйозно ставляться до безпеки. Жодна інша поломка акумулятора не привертає більше уваги ЗМІ, ніж пожежа літій-іонного акумулятора. Усі пристрої накопичення енергії несуть ризик, і громадськість була стривожена у 1800-х роках, коли вибухали парові двигуни, і люди отримували травми. Перевезення легкозаймистого бензину в автомобілях було гарячою темою на початку 1900-х років. У Томаса Едісона були вагомі причини просувати електромобіль на початку 1900-х років як кращий варіант. Він пропагував нікель-залізні акумулятори на користь свинцево-кислотних, а не літій-іонних.

Існує два типи поломок літій-іонних акумуляторів. Один з них пов'язаний з конструктивним або виробничим дефектом, який повторюється з передбачуваною частотою та часто призводить до відкликання, прикладами є смартфони Samsung Galaxy 7 у 2016 році та акумулятори для ноутбуків Sony у 2006 році. Найскладніші поломки – це випадкові події. Вони можуть бути спричинені багаторазовою зарядкою при температурі нижче нуля, різким навантаженням або надмірною вібрацією. Це також може бути випадковість, подібна до падіння метеорита.

Cadex проводить лабораторні випробування для вимірювання швидкості саморозряду між справними літій-іонними елементами та тими, що зазнали навантаження. Мета полягає в розробці методу виявлення несправностей, припускаючи, що теплова подія супроводжується високим саморозрядом. Наскільки нам відомо, офіційних досліджень з цього питання не проводилося. Якщо підвищений саморозряд можна виявити на пошкодженому літій-іонному елементі, можна розробити алгоритми, які видають повідомлення ПОПЕРЕДЖЕННЯ, якщо акумулятор потребує заміни, та НЕБЕЗПЕКА, якщо акумулятор досягає загрози теплової події.

Короткий виклад та запропоноване рішення

Літій-іонний акумулятор є однією з найкращих систем акумуляторів, але він невблаганний у режимі відмов. Для деяких систем можуть знадобитися функції безпеки на основі технічного обслуговування як частина післясертифікації, щоб забезпечити безпечну експлуатацію літій-іонного акумулятора від робочого місця до виходу на пенсію за будь-яких умов. Традиційної сертифікації було достатньо для схвалення свинцево-нікелевих акумуляторів, оскільки ці системи досягають кінця терміну служби через втрату продуктивності. Хоча пожежі також трапляються з акумуляторами, що не містять літію, вони трапляються рідше на ват-годину та є більш контрольованими.

Багато літій-іонних акумуляторів продовжують працювати навіть у разі виникнення несправності. Аналогію можна навести зі старіючим паровим двигуном, який все ще забезпечує повну потужність, але з котлом, який більше не відповідає вимогам безпеки. Занепокоєння також стосуються старіючих літій-іонних установок у системах накопичення енергії та човнах. Синдром старіння може бути ще не повністю зрозумілий, оскільки більшість цих систем є новими. Ми ставимо питання: «чи визначатиме ємність чи безпека закінчення терміну служби?»

Можливі зарядні пристрої з діагностичними функціями, які повідомляють користувача про майбутній дефект акумулятора. Ці зарядні пристрої здійснюватимуть контроль якості, прогнозуючи, коли акумулятор потрібно замінити, на основі оцінки ємності та виявлення аномалій.

Розробляється програмне забезпечення на основі передового машинного навчання (AML), яке можна додати до зарядного пристрою або портативного пристрою для забезпечення функцій моніторингу за економічною ціною. Ці системи виходять за рамки вимірювання напруги, струму та кулонівського підрахунку, а також досліджують стан хімічного акумулятора. AML також використовується в розпізнаванні голосу та зображень, а також в автомобілях з автономним керуванням. Окрім підвищення безпеки акумулятора, AML оцінює ємність акумулятора під час заряджання, щоб дані про продуктивність були прозорими для користувача. Це пов'язує точки, використовуючи існуючі технології, які зроблять акумулятор безпечнішим, надійнішим та екологічнішим продуктом.

Зарядні пристрої Victron Energy

Високоякісні зарядні пристрої для довговічної служби та надійності роботи

Зарядний пристрій Victron Blue Smart IP22 Charger 12/30 (1)

 Ідеально підходить для використання в майстернях, а також для заряджання акумуляторів автомобілів, мотоциклів, човнів та кемперів.

Купити

Зарядний пристрій Blue Smart IP65 Charger 12/15

Завдяки класу захисту IP65, пристрій стійкий до пилу та води, що робить його ідеальним для використання в суворих умовах.

Купити

Зарядний пристрій Victron Phoenix Smart IP43 Charger 12/30 (3) 120/240V

Оснащений Bluetooth-інтерфейсом для простого налаштування й моніторингу через додаток VictronConnect. Висока ефективність та надійність роблять його ідеальним рішенням для комерційних, промислових та морських застосувань.

Купити

Подивитися більше