2020 рік довів, що електромобілі – це майбутнє транспорту, і Європейський парламент закликав реконструювати міський простір на користь активної мобільності. Париж вже близький до стратегії 15-хвилинного міста , в якій значно задіяні електросамокати і електровелосипеди. За ними слідують Барселона, Лондон і Мілан. Але за всіма розвагами і зручностями, що стоять за персональним електротранспортом, стоїть небезпека пожежі. Пам’ятаєте, як спалахував Samsung Galaxy Note 7? Тепер помножте цей вогонь в 50-140 разів – ось скільки ще акумуляторних батарей має типовий електросамокат або велосипед. І поки розробляється технологія безпечних акумуляторів, можна відносно легко підвищити пожежну безпеку вашого особистого електричного транспорту.
Пожежна безпека літієвих батарей
Samsung виготовлено близько 3 мільйонів Galaxy Note 7, і тільки близько ста з них загорілися . Але люди так злякалися, що авіакомпанії заборонили проносити цей пристрій на борт з $ 180. 000 штрафів або 10 років в’язниці для тих, хто не послухається. Samsung відкликала всі випускаються galaxy Note 7 і відкрила в аеропортах по всьому світу офіси, де люди могли повернути свої телефони-бомби. Одне таке місце було відкрито в аеропорту “Бориспіль” в Києві , Україна.
Проблема з палаючими літієвими батареями полягає в тому, що загасити їх горіння практично неможливо. Це тому, що вогонь вимагає двох компонентів – палива і окислювача. Літій-іонний акумулятор містить і те, і інше, на відміну від бензину, спирту або інших вільно доступних горючих речовин.
Єдина можливість пожежних в разі загоряння літій-іонних батарей – це спробувати охолодити їх до температури, при якій хімічна реакція горіння ще не починається. Для охолоджуючи палаючу Теслу, пожежні одного разу використовували 11 тонн води і спеціальний контейнер, щоб втопити в ній автомобіль. І звичайно велика батарея не згорає повністю відразу, так що є ймовірність самозаймання через день-два. Тесла офіційно заявляє , що горіння батареї може тривати до 24 годин.
Чому спалахують літієві батареї
Причина загоряння батарей – закон Ома. Це формула зі шкільної фізики, в якій мовиться: будь-який електричний елемент має електричний опір. А коли тече струм, опір цього електричного елемента призводить до його нагрівання. Більший струм призводить до більшого нагрівання. За цим принципом працюють домашні електронагрівачі, водяні бойлири, праски, електроплити, лампи розжарювання.
Математично генерується тепло від електричного опору описується формулою P = R * I * I . Тут P – теплота в Ватах, R – опір в Омах, I – величина струму, що протікає в Амперах. Є деякі обмеження цієї формули, але для швидкого і простого розрахунку її зазвичай достатньо.
Будь-яка батарея має своє власне опір, яке зазвичай становить тисячну частину 1 Ом (одиниця електричного опору). А літій-іонні елементи підходять для великих струмів, тому, помноживши ці два параметри за наведеною вище формулою, можна отримати оцінку тепла, що виділяється.
Іноді висока напруга, яка в батареї, може значно перевищувати розрахункові значення, наприклад, коли дроти батареї з’єднані проводом (коротке замикання) або коли елемент батареї проколот, все його шари з’єднуються всередині. У таких ситуаціях акумулятор дає весь струм, на який він здатний.
Надмірна ток генерує надлишкове тепло, яке розсіюється в навколишньому повітрі досить швидко. Коли температура всередині батареї піднімається до 66-75 градусів Цельсія, її електроліт (найбільш поширеним є гексафторфосфат літію , LiPF6) починає розкладатися і горіти.
Ось чому виряджені літій-іонні акумулятори набагато безпечніше – у них немає енергії для генерації надмірного струму.
Як починається перегрів батареї
Ось практична демонстрація нагріву батареї за рахунок її внутрішнього опору. Це пачка Ni-Mh акумуляторів – вони не загоряються, тому проводити такий експеримент безпечно. Якби це були літієві батареї – вони повинні були б бути належним чином розряджені і утилізовані в той же самий момент.
Таким чином, упаковка з чотирьох Ni-Mh батарей означає, що елементи мають максимально близьке опір. Їх використовували в фотокамері – умови роботи були однаковими для всіх камер. Але з часом одна клітина почала деградувати, що призвело до збільшення опору.
Погана батарея починає нагріватися набагато більше при зарядці. Термометр ясно показує це:
Ці батарейні елементи з’єднані паралельно, що означає, що вони отримують однакову напругу зарядки. Таке з’єднання виключає можливість перезарядження одного осередку, що відбувається в будь-який батареї з послідовним з’єднанням осередків (ноутбуки, електросамокати, електровелосипеди, електромобілі і т. Д.). Коли осередок батареї заряджена, вона більше не може приймати зарядний струм і він весь іде на вироблення тепла.
Хороші елементи мали кімнатну температуру, а погані були на 3,5 градуса гаряче. У той момент, коли була зроблена фотографія, ток був невеликим – ці батареї були майже повністю заряджені і мали 1,42 вольта. Повністю заряджений Ni-Mh акумулятор має напругу 1,5 вольти. Але погана осередок мала 1,39 вольта, тому що вона використовувала енергію для нагріву себе.
Зарядка великим струмом небезпечна
Життєвий цикл елемента батареї сильно залежить від величини зарядного і розрядного струмів. високий зарядний струм може погіршити життєвий цикл батареї. Саме тому не рекомендується використовувати швидку зарядку. На наступній діаграмі показана втрата ємності батареї в залежності від струму зарядки і розрядки (C – значення ємності батареї):
Ресурс (кількість циклів заряду-розряду) літій-іонних акумуляторів з зарядом і розрядом струмами 1с, 2с і 3с. Джерело: Batteryuniversity.com
У деяких випадках батарея може бути зруйнована за 25 швидких циклів зарядки. У деяких електромобілях після 60 циклів зарядки за допомогою швидкодіючих промислових зарядних електродів електроліти в батарейних елементах піддавалися впливу повітря і потрапляли в температуру, близьку до 60 градусів Цельсія, що збільшувало ризик пожежі або вибуху.
Це реальність, що електромобілі загоряються при зарядці великими струмами. У 2019 році в Бельгії Tesla Model S згоріла незабаром після того, як була підключена до зарядної станції.
Наслідки пожежі від електроскутерів можна вважати більшими, ніж від електромобіля, тому що вони зазвичай заряджаються в вітальнях і спальнях, де знаходиться багато вогненебезпечних речей. Квартира може згоріти за п’ять хвилин, а люди і Домашні тварини ризикують загинути раніше: дим і отруйні гази вбивають в 3 рази більше людей, ніж полум’я.
Електросамокати заряджаються небезпечно
Більшість електроскутерів мають батареї 36, 48 або 52 вольта, топові моделі працюють на 60 або 72 вольта. Зарядний струм зазвичай становить 2-5 ампер-це не надшвидкий, але відносно швидкий заряд.
Візьмемо електронний скутер з батареєю 48 вольт (54,6 вольта при повній зарядці, 40 вольт при повній розрядці) і ємністю 12 ампер-годин при загальній потужності батареї близько 600 ват-годин.
Зазвичай в акумуляторах e-scooter використовуються літій-іонні елементи (3,0-4,2 вольта) формату 18650 ємністю близько 2,2 ампер-години. Таким чином, така батарея буде мати 13 послідовно з’єднаних елементів, що становить одну лінію 48 вольт ємністю 2,2 ампер-години. І є 5 таких ліній, з’єднаних паралельно для досягнення потужності 12 ампер-годин.
Якщо припустити, що батарея заряджена струмом 2 ампера і всі осередки мають однаковий опір, то кожна осередок буде заряджена струмом 0,4 ампера. Це повністю всередині безпечного діапазону для 18650, який становить від 1 до 2 ампер, але він здатний генерувати багато тепла.
Елементи в батареї не мають Рівного опору, коли вони нові, і різниця стає більше з часом і використанням. Припустимо, самий деградував елемент перетворює весь струм від зарядного пристрою безпосередньо в тепло. Помноживши 2 ампера на 4,2 вольта, ми отримаємо майже 8,4 вата тепла.
Скільки це 8,4 вата тепла? Спробуйте доторкнутися до паяльника або нагрівача з тією ж потужністю, але тільки з термометром – обпалена шкіра гарантована, якщо до неї доторкнутися голою рукою. Процесори ноутбуків і смартфонів (Процесори перетворять майже всю споживану енергію в тепло) з однаковим енергоспоживанням вимагають охолодження, інакше вони розплавляться.
Чому захист батареї не працює
Літій-іонні акумулятори мають ряд захистів, але часто вони не працюють. Вимірювання параметрів батареї проводиться системою управління батареєю (BMS). Це спеціальна плата, яка підключається до батареї і має термометр для запобігання загального перегріву батареї. Саме тому зазвичай торкається тільки до одного або двох батарейних елементів. А як щодо температури інших елементів батареї? Відповідь така: хто знає.
Таким чином, коли один елемент десь всередині батареї деградує і стає нагрівачем, BMS не відключає батарею – він просто не знає, що скоро станеться пожежа.
Зарядний пристрій електронного скутера має межу максимального струму, але несправний акумулятор може залишатися нижче цієї межі, коли він відключає зарядку.
Існує також проблема перезаряду осередків, яка виникає в будь-якій батареї з послідовно з’єднаними осередками. Повністю заряджений елемент повинен бути відрізаний від зарядки, так як плаваючий заряд при повній зарядці не підходить для літій-іонного акумулятора, так як це призведе до утворення металевого літію і поставить під загрозу безпеку.
BMS контролює напругу на кожній комірці, але він не відключає її точно при 4,2 вольта – він відключається на трохи більш високому значенні. Відключення рівно при 4,2 вольта означало б, що елемент залишається недозарядженим. Деякі елементи в батареї будуть перезаряджені, і надлишковий заряд буде розсіюватися у вигляді тепла.
Реалістичний сценарій загоряння
Отже, реальна ситуація: жаркий день з 30 градусами Цельсія в тіні. Власник e-scooter досить довго йде на повному газу, щоб отримати приємний прохолодний вітер, або він піднімається на довгий крутий пагорб. Для цього потрібно багато енергії, тому акумулятор віддасть все, на що він здатний, і буде нагріватися від протікаючих через нього струмів.
Після веселої поїздки власник відразу ж підключає е-скутер до зарядного пристрою. Деякі елементи швидко перезаряджаються і перетворюють решту енергії в тепло. Деякі погані елементи не повністю заряджаються, і також нагріваються.
Закритий корпус батареї не дає теплу виходити назовні, температура поганих елементів піднімається до критичних 66-75 градусів. Система управління батареєю вважає, що все в порядку – її термометр розташований на хорошій комірці з безпечною температурою.
У наступний момент відбувається щось подібне:
Як захистити електронний скутер
Основна загроза для літій-іонного акумулятора – це тепло, тому для зменшення перегріву найкраще значно знизити його зарядний струм. Це можна зробити простим зміною зарядного пристрою електросамоката.
Ось зарядний пристрій для Kugoo M4 Pro з акумулятором 48 вольт 12 ампер-годин. Зарядний пристрій навантажений резистором 22,4 Ом, і якби зарядний пристрій не мав обмеження по струму, то струм повинен був би становити 2,4 ампера. Але він забезпечує рівно 2 ампера зарядного струму:
Величина поданого струму визначається за допомогою спеціального резистора, що називається шунтом. Він має дуже низький опір, тому не буде сильно впливати на протікання струму. Але опір достатній, щоб створити невелике падіння напруги на кінцях шунта. Це падіння напруги порівнюється з еталонним значенням – чим більше падіння, тим більший струм протікає через шунт.
На платі легко знайти шунт – це великий зелений резистор поруч з коричневим і синім вихідними проводами:
За кольором його смуг можна визначити значення його опору за допомогою онлайн-калькулятора. Кольори коричневий, чорний і сріблястий маркують опір 0,1 Ом. Золоте кільце показує, що це значення має точність 5%. Шунт великий, тому що він розрахований на 1 Вт тепловиділення – він генерує 0,4 Вт при струмі 2 ампера (Р=0.1*2*2=0.4).
Якщо 0,1 Ом дає вихід 2 ампера, то 0,2 Ом дасть струм 1 ампер, 0,5 Ом знизить струм до 0,4 ампера.
Серед старого електронного смітття вдалося знайти два шунти: один 0,24 Ом і 0,499 Ом. Це для легкої зміни струму заряду в майбутньому, якщо таке буде необхідно.
Один кінець оригінального шунта 0,1 Ом був від’єднаний, і на його місце був припаяний шунт 0,499 Ом. Вимірювання показали, що зарядний струм становить 0,41 ампера.
Струм 0,41 ампера на амперметрі означає, що кожна комірка заряджена струмом 0,08 ампера. Це 0,34 Вт, якщо вся ця енергія буде безпосередньо перетворюватися поганим елементом батареї в тепло під час зарядки.
Скільки ж це тепла? Таке тепловиділення ледь відчутно. дослідження НАСА показують, що літій-іонні елементи формату 18650 мають теплопровідність до 0,43 Вт/м*К.
Акумуляторна батарея самоката буде здатна розсіювати тепло і залишатися нижче небезпечної температури.
Результати
Недоліком такої модифікації є набагато більший час зарядки. Тепер для цього потрібно близько 30 годин, тоді як раніше було потрібно всього 6 годин. Але безпека важливіша.
Можна встановити перемикач між шунтами, щоб легко повернутися до максимального зарядного струму. Коли e-scooter заряджається на відкритому повітрі, де він не може завдати ніякої шкоди при загорянні – його можна заряджати струмом в 2 ампера. Якщо самокат заряджається будинку, то буде обрана повільна зарядка, що дозволяє не турбуватися про перегрів акумулятора.
За матеріалами: Medium
