2020 год доказал, что электромобили — это будущее транспорта, и Европейский парламент призвал реконструировать городское пространство в пользу активной мобильности. Париж уже близок к стратегии 15-минутного города, в которой значительно задействованы электросамокаты и электровелосипеды. За ними следуют Барселона, Лондон и Милан. Но за всеми развлечениями и удобствами, стоящими за персональным электротранспортом, стоит опасность пожара. Помните, как загорался Samsung Galaxy Note 7? Теперь умножьте этот огонь в 50-140 раз – вот сколько еще аккумуляторных батарей имеет типичный электросамокат или велосипед. И пока разрабатывается технология безопасных аккумуляторов, можно относительно легко снизить пожароопасность вашего личного электрического транспорта.
Пожароопасность литиевых батарей
Samsung изготовлено около 3 миллионов Galaxy Note 7, и только около ста из них загорелись. Но люди так испугались, что авиакомпании запретили проносить это устройство на борт с $180 000 штрафов или 10 лет тюрьмы для тех, кто ослушается. Samsung отозвала все выпускаемые galaxy Note 7 и открыла в аэропортах по всему миру офисы, где люди могли вернуть свои телефоны-бомбы. Одно такое место было открыто в аэропорту “Борисполь” в Киеве, Украина.
Проблема с загоревшимися литиевыми батареями заключается в том, что потушить их горение практически невозможно. Это потому, что огонь требует двух компонентов – топлива и окислителя. Литий-ионный аккумулятор содержит и то, и другое, в отличие от бензина, спирта или других свободно доступных горючих веществ.
Единственная возможность пожарных в случае возгорания литий-ионных батарей – это попытаться охладить их до температуры, при которой химическая реакция горения еще не начинается. Для охлаждая горящую Теслу, пожарные однажды использовали 11 тонн воды и специальный контейнер, чтобы утопить в ней автомобиль. И обычно большая батарея не сгорает полностью сразу, так что есть вероятность самовозгорания через день-два. Тесла официально заявляет, что горение батари может продолжаться до 24 часов.
Почему загораются литиевые батареи
Причина возгорания батарей — закон Ома. Это формула из школьной физики, которая гласит: любой электрический элемент имеет электрическое сопротивление. А когда течет ток, сопротивление этого электрического элемента приводит к его нагреву. Больший ток приводит к большему нагреву. По этому принципу работают домашние электронагреватели, водяные бойлыры, утюги, электроплиты, лампы накаливания.
Математически генерируемое тепло от электрического сопротивления описывается формулой P=R*I*I. Здесь P – теплота в Ваттах, R – сопротивление в Омах, I — величина протекающего тока в Амперах. Есть некоторые ограничения этой формулы, но для быстрого и простого расчета ее обычно достаточно.
Любая батарея имеет свое собственное сопротивление, которое обычно составляет тысячную часть 1 Ом (единица электрического сопротивления). А литий-ионные элементы подходят для больших токов, поэтому, умножив эти два параметра по приведенной выше формуле, можно получить оценку выделяемого тепла.
Иногда ток, протекающий в батарее, может значительно превышать расчетные значения, например, когда провода батареи соединены проводом (короткое замыкание) или когда элемент батареи проколот, все его слои соединяются внутри. В таких ситуациях аккумулятор дает весь ток, на который он способен.
Избыточный ток генерирует избыточное тепло, которое не рассеивается в окружающем воздухе достаточно быстро. Когда температура внутри батареи поднимается до 66-75 градусов Цельсия, ее электролит (наиболее распространенным является гексафторфосфат лития, LiPF6) начинает разлагаться и гореть.
Вот почему разряженные литий-ионные аккумуляторы гораздо безопаснее – у них нет энергии для генерации избыточного тока.
Как начинается перегрев батареи
Вот практическая демонстрация нагрева батареи за счет ее внутреннего сопротивления. Это пачка Ni-Mh аккумуляторов – они не загораются, поэтому проводить такой эксперимент безопасно. Если бы это были литиевые батареи – они должны были бы быть должным образом разряжены и утилизированы в тот же самый момент.
Таким образом, упаковка из четырех Ni-Mh батарей означает, что элементы имеют максимально близкое сопротивление. Их использовали в фотокамере – условия работы были одинаковыми для всех камер. Но со временем одна клетка начала деградировать, что привело к увеличению сопротивления.
Плохая батарея начинает нагреваться намного больше при зарядке. Термометр ясно показывает это:
Эти батарейные элементы соединены параллельно, что означает, что они получают одинаковое напряжение зарядки. Такое соединение исключает возможность перезаряда одной ячейки, что происходит в любой батарее с последовательным соединением ячеек (ноутбуки, электросамокаты, электровелосипеды, электромобили и т. д.). Когда ячейка батареи заряжена, она больше не может принимать зарядный ток и он весь идет на выработку тепла.
Хорошие элементы имели комнатную температуру, а плохие были на 3,5 градуса горячее. В тот момент, когда была сделана фотография, ток был небольшим — эти батареи были почти полностью заряжены и имели 1,42 вольта. Полностью заряженный Ni-Mh аккумулятор имеет напряжение 1,5 вольта. Но плохая ячейка имела 1,39 вольта, потому что она использовала энергию для нагрева себя.
Сильноточная зарядка опасна
Жизненный цикл элемента батареи сильно зависит от величины зарядного и разрядного токов. Высокий зарядный ток может ухудшить жизненный цикл батареи. Именно поэтому не рекомендуется использовать быструю зарядку. На следующей диаграмме показана потеря емкости батареи в зависимости от тока зарядки и разрядки (C — значение емкости батареи):
Ресурс (количество циклов заряда-разряда) литий-ионных аккумуляторов с зарядом и разрядом токами 1С, 2С и 3С. Источник: Batteryuniversity.com
В некоторых случаях батарея может быть разрушена за 25 быстрых циклов зарядки. В некоторых электромобилях после 60 циклов зарядки с помощью быстродействующих промышленных зарядных электродов электролиты в батарейных элементах подвергались воздействию воздуха и попадали в температуру, близкую к 60 градусам Цельсия, что увеличивало риск пожара или взрыва.
Это реальность, что электромобили загораются при зарядке большими токами. В 2019 году в Бельгии Tesla Model S сгорела вскоре после того, как была подключена к зарядной станции.
Последствия пожара от электроскутеров можно считать бОльшими, чем от электромобиля, потому что они обычно заряжаются в гостиных и спальнях, где находится много огнеопасных вещей. Квартира может сгореть за пять минут, а люди и домашние животные рискуют погибнуть раньше: дым и ядовитые газы убивают в 3 раза больше людей, чем пламя.
Электроскутеры заряжаются опасно
Большинство электронных скутеров имеют батареи 36, 48 или 52 вольта, топовые модели работают на 60 или 72 вольта. Зарядный ток обычно составляет 2-5 ампер — это не сверхбыстрый, но относительно быстрый заряд.
Возьмем электронный скутер с батареей 48 вольт (54,6 вольта при полной зарядке, 40 вольт при полной разрядке) и емкостью 12 ампер-часов при общей мощности батареи около 600 Ватт-часов.
Обычно в аккумуляторах e-scooter используются литий-ионные элементы (3,0-4,2 вольта) формата 18650 емкостью около 2,2 ампер-часа. Таким образом, такая батарея будет иметь 13 последовательно соединенных элементов, что составляет одну линию 48 вольт емкостью 2,2 ампер-часа. И есть 5 таких линий, соединенных параллельно для достижения мощности 12 ампер-часов.
Если предположить, что батарея заряжена током 2 ампера и все ячейки имеют одинаковое сопротивление, то каждая ячейка будет заряжена током 0,4 ампера. Это полностью внутри безопасного диапазона для 18650, который составляет от 1 до 2 ампер, но он способен генерировать много тепла.
Элементы в батарее не имеют равного сопротивления, когда они новые, и разница становится больше со временем и использованием. Допустим, самый деградировавший элемент преобразует весь ток от зарядного устройства непосредственно в тепло. Умножив 2 ампера на 4,2 вольта, мы получим почти 8,4 Ватта тепла.
Сколько это 8,4 Ватта тепла? Попробуйте прикоснуться к паяльнику или нагревателю с той же мощностью, но только с термометром – обожженная кожа гарантирована, если к ней прикоснуться голой рукой. Процессоры ноутбуков и смартфонов (процессоры преобразуют почти всю потребляемую энергию в тепло) с одинаковым энергопотреблением требуют охлаждения, иначе они расплавятся.
Почему защита батареи не работает
Литий-ионные аккумуляторы имеют ряд защит, но часто они не работают. Измерение параметров батареи производится системой управления батареей (BMS). Это специальная плата, которая подключается к батарее и имеет термометр для предотвращения общего перегрева батареи. Именно поэтому обычно прикасается только к одному или двум батарейным элементам. А как насчет температуры остальных элементов батареи? Ответ таков: кто знает.
Таким образом, когда один элемент где–то внутри батареи деградирует и становится нагревателем, BMS не отключает батарею — она просто не знает, что скоро произойдет пожар.
Зарядное устройство самоката имеет предел максимального тока, но неисправный аккумулятор может оставаться ниже этого предела, когда он отключает зарядку.
Существует также проблема перезаряда ячеек, которая возникает в любой батарее с последовательно соединенными ячейками. Полностью заряженный элемент должен быть отрезан от зарядки, так как плавающий заряд при полной зарядке ячейки не подходит для литий-ионного аккумулятора, так как это приведет к появлению металлического лития и поставит под угрозу безопасность.
BMS контролирует напряжение на каждой ячейке, но он не отключает ячейку точно на 4,2 вольта – он отключается на немного более высоком значении. Отключение ровно на 4,2 вольта означало бы, что ячейка остается недозаряженной. Некоторые элементы в батарее будут перезаряжены, и избыточный заряд будет рассеиваться в виде тепла.
Реалистичный сценарий
Итак, реальная ситуация: жаркий день с 30 градусами Цельсия в тени. Владелец e-scooter довольно долго идет на полном газу, чтобы получить приятный прохладный ветер, или он поднимается на длинный крутой холм. Для этого требуется много энергии, поэтому аккумулятор отдаст все, на что он способен, и будет нагреваться от протекающих через него токов.
После веселой поездки владелец сразу же подключает е-скутер к зарядному устройству. Некоторые элементы быстро перегружаются и преобразуют остальную энергию в тепло. Некоторые плохие элементы не полностью заряжаются, а также нагреваются.
Закрытый корпус батареи не дает теплу выходить наружу, температура плохих элементов поднимается до критических 66-75 градусов. БМС считает, что все в порядке – его термометр расположен на хорошей ячейке с безопасной температурой.
В следующий момент происходит нечто подобное:
Как защитить электронный скутер
Основная угроза для литий-ионного аккумулятора — это тепло, поэтому для уменьшения перегрева лучше всего значительно снизить его зарядный ток. Это можно сделать простым изменением зарядного устройства электросамоката.
Вот зарядное устройство для Kugoo M4 Pro с аккумулятором 48 вольт 12 ампер-часов. Зарядное устройство нагружено резистором 22,4 Ом, и если бы зарядное устройство не имело ограничения по току, то ток должен был бы составлять 2,4 ампера. Но он обеспечивает ровно 2 ампера зарядного тока:
Величина подаваемого тока определяется с помощью специального резистора, называемого шунтом. Он имеет очень низкое сопротивление, поэтому не будет сильно влиять на течение тока. Но сопротивление значительно, чтобы создать небольшое падение напряжения на затворе. Это падение напряжения сравнивается с эталонным значением – чем больше падение, тем больший ток протекает через шунт.
На плате легко найти шунт – это большой резистор рядом с коричневым и синим выходными проводами:
По цвету его полос можно определить значение его сопротивления с помощью онлайн-калькулятор. Цвета коричневый, черный и серебристый – сопротивление 0,1 Ом. Золотое кольцо показывает, что это значение имеет точность 5%. Шунт большой, потому что он рассчитан на 1 ватт тепловыделения — он генерирует 0,4 Вт при токе 2 ампера (P=0.1*2*2=0.4).
Если 0,1 Ом дает выход 2 ампера, то 0,2 Ом даст ток 1 ампер, 0,5 Ом приведет к току 0,4 ампера.
В выскобленной электронике были обнаружены два шунта: один 0,24 Ом и 0,499 Ом. Это для легкого изменения тока заряда в будущем, если это будет необходимо.
Один конец оригинального шунта 0,1 Ом был отсоединен, и на его место был припаян шунт 0,499 Ом. Измерения показали, что зарядный ток составляет 0,41 ампера.
Ток 0,41 ампера на амперметре означает, что каждая ячейка заряжена током 0,08 ампера. Это 0,34 Вт, если вся эта энергия будет непосредственно преобразовываться плохим элементом батареи в тепло во время зарядки.
Сколько же это тепла? Такое тепловыделение едва ощутимо. Исследования НАСА показывают, что литий-ионные элементы формата 18650 имеют теплопроводность до 0,43 Вт/м*К.
Аккумуляторная батарея самоката будет способна рассеивать тепло и оставаться ниже опасной температуры.
Результаты
Недостатком такой модификации является гораздо большее время зарядки. Теперь для этого требуется около 30 часов, тогда как раньше требовалось всего 6 часов. Но безопасность важнее.
Можно установить переключатель между шунтами, чтобы легко вернуться к максимальному зарядному току. Когда e-scooter заряжается на открытом воздухе, где он не может нанести никакого ущерба при возгорании – его можно заряжать током в 2 ампера. Если самокат заряжается дома, то будет выбрана медленная зарядка, позволяющая не беспокоиться о перегреве аккумулятора.
По материалам: Medium
