Огонь батарея с теплообменником: «Огонь-батарея 11Б» с теплообменником в Санкт-Петербурге купить по цене 32400 руб доставка, монтаж, наличие

Содержание

отзывы, характеристики, цена со встроенным теплообменником и без

В 2009 компания Термофор взялась за разработку принципиально новой серии печей. За 2 последующих года, используя новейшие методы компьютерного моделирования, конструкторам удалось вывести идеальные теплотехнические характеристики для будущих устройств. В результате получили печь длительного горения Огонь-Батарея, в процессе создания которой было подано 3 патентных заявок на изобретение.

Оглавление:

  1. Особенности конструкции и работа
  2. Отзывы владельцев
  3. Как выполнить монтаж
  4. Разновидности и цены

Устройство и отличительные особенности

Вначале создали виртуальную модель тепловых и гидравлических процессов, осуществляющихся в устройствах, работающих на дровах. Опираясь на нее, инженеры рассчитали количество конвекционной и лучистой энергии, которое поступает на греющие поверхности печей при сжигании твердого топлива. Полученные данные позволили скорректировать геометрию конвекторов и топливника для наилучшей организации теплопередачи.

Также, что касается особенностей характеристик дачных печей Огонь-Батарея — на этапе создания была рассчитана и оптимизирована аэродинамика тракта перемещения топочных газов (внутри конструкции) и аэродинамика конвективных воздушных потоков, расположенных снаружи. Благодаря компьютерному моделированию удалось воссоздать точную картину температурных полей, распределенных вокруг печи и проанализировать тепловую эффективность ее элементов, прибегнув к расчету равнопрочности их полей.

Конструкция

Отличается от других необычной формой и стильным дизайном, позволяющим вписать ее в любой интерьер. Она оснащена конфоркой из чугуна с двумя кольцами разных диаметров, что предоставляет возможность готовить еду на открытом огне в посуде разнообразных размеров и чистить поверхность устройства от сажи. Присутствует выбор режима горения, благодаря чему регулируется интенсивность работы печи. Загрузка древесины осуществляется как через конфорочные отверстия, так и через широкие боковые дверцы.

Среди прочих преимуществ стоит отметить отсутствие жестокого инфракрасного излучения. Судя по отзывам о печах компании Термофор Огонь-Батарея, — щелевые конвекторы около 77 % тепла преобразуют в мягкий конвекционный поток. Теплообменник изготовлен из нержавеющей стали и позволяет подогревать воду для различных бытовых нужд. Конструкция дымоотвода допускает его вывод назад и вверх. Фиксатор положения печной заслонки крепко держит ее в выбранном положении.

Геометрия топливника исключает возможность скопления недогоревших углей, что подтверждается многочисленными отзывами покупателей. В процессе работы печи они осыпаются под действием силы тяжести вниз на колосник. Топливник оснащен сменной защитой от прогорания. Зольник имеет замок, благодаря которому не происходит спонтанный забор воздуха из помещения, однако при этом очищение его от золы осуществляется очень просто. В силу того, что печка собирается роботом, она имеет высокое качество сварки. Кроме того — все сварные швы расположены внутри.

Мнения пользователей

«Купил печь для гаража Термофор серии Лайт 5Б Огонь-Батарея, ориентируясь на отзывы в интернете. Первое время жалел о том, что поскупился на вариант со стеклом в дверке, но потом привык. Особенно оценил подключение к водяному контуру батареи с компрессионным бачком, заполненным антифризом, — все-таки хорошо, что взял печь с теплообменником! Сейчас в гараже тепло круглый год».

Олег Васильев, Казань.

«Давно смотрел на печки Огонь-батарея и наконец решил себе на дачу аналогичную поставить. Первое, что хочется отметить — ее экономичность. Одной закладки дров хватает как минимум на ночь. В прежней кирпичной печи их уходило в 2–4 раза больше! А в этой и скорость прогрева выше. Места занимает немного, отлично вписывается в интерьер гостиной. Я крайне доволен».

Даниил, Москва.

«Привлекли отзывы друзей о данных печах, отчего приобрел и себе такую. Но в моей модели Огонь-батарея 5 уж очень короткая топка — всего 30 см, хотя и достаточно высокая. Из-за этого постоянно приходится подбрасывать дрова. Разочарован — нельзя даже отойти надолго, иначе по-новой приходится затапливать».

Иван, Тверь.

«Год назад родители купили печь дровяную Огонь-Батарея 9 для отопления домика в деревне, площадью в 220 м3. Решили наконец разобрать старую кирпичную и установить что-то более компактное. До сих пор радуются — и места в помещении стало больше и с функциями прежней печи отлично справляется, как и следовало из отзывов других ее обладателей».

Ирина, Москва.

Особенности установки

Согласно схеме сборки комплектующих Огонь-батареи — защиту для топливника монтируют в нижней части печной топки, а ближе к задней стенке оставляют место для колосника, он должен быть в посадочном месте защиты. В патрубок дымоотвода вставляется выход трубы, предварительно развернутый в нужную сторону. Место стыковки ее с патрубком уплотняют огнеупорным герметиком, а отверстие на варочном настиле закрывают крышкой конфорки.

В выбранном под размещение печи помещении соблюдают условия пожарной безопасности:

  • Стены из подверженных воздействию огня материалов защищают слоем штукатурки в 25 см по металлической сетке, либо закрывают листами из металла (от пола до уровня выше печи на 25 см).
  • В месте вывода (в потолке) дымоходной трубы осуществляют разделку.
  • Пол вдоль печи и под ней защищают металлическими листами.
  • При монтаже дымоотвода в домах с крышами из пожароопасных материалов обязательно изолировать его искроуловителем из металлической сетки (размеры до 5х5 мм) и обложить вокруг негорючими теплоизоляторами.

Требования к размещению:

  1. Удаленность от топочной дверцы до противоположной стены должна быть более 125 см.
  2. Расстояние между верхом печи и неизолированным потолком — не менее 120 см.
  3. От внешней поверхности до дымохода и стены следует оставлять пространство в 50 см (или в 38, если организована защита помещения с применением металлических листов)
  4. Между полом и дном зольника соблюдается расстояние в 14 см.
  5. У трубы дымоотвода желательно минимальное количество колен. Если она выведена в обратную сторону, то соединяется с печью через тройник-ревизию.
  6. Монтаж моделей, оснащенных теплообменниками, должен осуществляться квалифицированными специалистами.

Модификации и стоимость

Огонь-батарея представлена рядом разных модификаций. Они отличаются габаритами, весом, числом щелевых конвекторов, объемом топливника и так далее. При желании купить печь можно выбрать один из имеющихся вариантов расцветки: атрацит, шоколад или металлик. Часть печей оснащена конфоркой из чугуна с двумя кольцами, отличающихся по диаметру, — она позволяет помимо приготовления пищи осуществлять загрузку дров сверху.

Есть модификации, обозначенные литерой Б, — они включают теплообменник из нержавеющей стали, служащий для нагрева воды под бытовые нужды. Также, печи Термофор выпускаются с разным количеством конвекторных секций — 5, 7, 9 и 11. Выбор зависит от объема отапливаемого помещения.

Базовая линейка снабжена термостойким самоочищающимся стеклом японского производства, размещенным на дверке топливника. Оно позволяет воссоздать эффект камина, а также упрощает настройку функционирования. Данные модели включают универсальный выход дымоходной трубы с возможностью отводить ее вверх или в обратную сторону.

При желании сэкономить, следует обратить внимание на линейку Лайт — цены на печи для дачи Огонь-Батарея этого вида несколько ниже, а отличия от базового не столь существенны. Дымоотвод ориентирован только вертикально, конфорки отсутствуют, дверца не имеет остекления. Цветовое исполнение и количество конвекционных секций такое же, как у печей классической серии.

Стоимость и основные характеристики:

Огонь батарея

Модель Объем отапливаемого помещения, м3 Размеры, мм Цена, рубли
100 650х370х405 12 999
7 150 650х370х530 12 990
14 899
9 200 370х760х805 16 590
17 890
11 250 650х370х930 17 890
11Б 18 890
Огонь-батарея Лайт
5 100 760х370х450 9 396
11 289
7 150 760х370х575 11 296
9 200 760х370х700 13 890
11 250 760х370х825 14 990

Отопительная печь Термофор Огонь-батарея 7Б антрацит с теплообменником

Модификация печи «Огонь-батарея 7», отличающаяся наличием стальной дверцы с жаростойким стеклом и конвекторов цвета «антрацит», а также встроенного теплообменника для подключения бака, который греет воду для бытовых нужд.

Руководство по эксплуатации (PDF)

Характеристики отопительных печей
Производитель TMF (Термофор)
Объем отапливаемого помещения (max), м. куб 150
Вид топлива Дрова
Срок гарантии, лет 1
Объем топки, л 47
Мощность, кВт 10
Наличие средств дополнительного нагрева помещения Щелевой конвектор
Масса, кг 54
Габариты (ДхШхВ), мм 680х370х760
Диаметр дымохода, мм 120
Мин. высота дымохода, м 5
Расположение дымохода Универсальное
Функция длительного горения Да
Тип дверцы Со стеклом
Оформление конвектора Антрацит
Наличие зольного ящика Да
Варочная поверхность Чугун
Теплообменник Да

Огонь Батарея 11Б (Бак Теплообменник) Доставка

Печь отопительная TMF Огонь батарея 11Б — совершенная отопительная печь, созданная с помощью компьютерного математического моделирования и современных технологий.

Отопительная печь Огонь батарея 11Б

✔ быстро и экономично отапливает любое помещение объёмом до 250 м3
✔ позволяет сделать большую загрузку топлива для длительного горения от 6 до 10 часов;
✔ изготавливается роботами, поэтому надёжна, долговечна и красива;
✔ её удобно монтировать и обслуживать;
✔ с её помощью можно нагреть воды в выносном баке до 100 литров воды
✔ на ней можно готовить.

Огонь батарея 11Б – печь для отапливания помещений до 250 м3

11 пар щелевых конвекторов печи TMF Огонь батарея 11Б способны быстро и экономично отопить помещение объёмом до 250 куб. м. Если принять высоту потолка 2,5 м  — то площадь помещения не должна превышать 100 кв.м. Это может быть бытовка, гараж, небольшой дачный дом. А встроенный теплообменник позволяет нагревать воду.

Огонь батарея 11Б – печка длительного горения

Теплообменник встроен в отопительную печь и имеет небольшой объём – 1,3 л, но способен нагреть воду в присоединённом выносном баке объёмом до 100 л. Для этого выносной бак и теплообменник соединяются трубами; штуцеры для присоединения системы водо нагрева выступают на задней стенке печи (наружная резьба G3/4). Принцип действия бака теплообменника основан на физических свойствах горячей воды подниматься, а холодной — опускаться. Таким образом, создав возможность для круговорота воды в системе нагрева, вода в выносном баке постепенно нагревается, и Вы имеете возможность горячей водой помыть или помыться. Значит, печь TMF Огонь батарея 11Б не только согреет, накормит и напоит, но ещё и тёплой водой умоет — ну просто волшебница!

Надеемся, что Вы уже знакомы с принципом работы любой дровяной печи: для горения дров необходим воздух, при розжиге печи его доступ к топливу почти не ограничивается, а для достижения режима тления, или режима длительного горения, доступ воздуха практически перекрывается, при этом принципиально важна создаваемая дымоходом тяга.

Отопительная печь TMF Огонь батарея предназначена для экономичного отопления помещений именно в режиме тления и способна работать на одной закладке дров от 6 до 10 часов. Самый вместительный топливник в своём классе способен вместить максимальное количество дров, которые удобно загружать через большую дверцу и сверху через круги для конфорок.

Дровяная отопительно-варочная печь «TMF Огонь-батарея 9Б» антрацит, с баком-теплообменником

Линейка печей нового поколения «Огонь-батарея» предназначена для экономичного воздушного отопления жилых и нежилых помещений, а также для приготовления и разогрева пищи.

Совершенных теплотехнических характеристик «Огонь-батареи» удалось достичь при помощи компьютерного математического моделирования. Все детали устройства изготовлены с применением цифровых технологий, что позволяет свести к минимуму негативное влияние человеческого фактора на качество сборки. Элегантный внешний вид печи позволяет установить ее в любом современном жилом помещении. На видимых поверхностях печи нет ни одного сварного шва. Самый вместительный топливник в своем классе позволяет загрузить в печь максимальное количество дров для длительного непрерывного горения. Сменная защита от прогорания предохраняет нижнюю часть топливника печи в месте скопления горячих углей. При необходимости защита легко меняется на новую в домашних условиях. Герметичный зольник с замком исключает неконтролируемый подсос воздуха на колосник. Тонкая регулировка интенсивности горения позволяет бесступенчато выбирать любой режим горения — от интенсивного до полного затухания печи.

«Огонь-батарея» прошла тестирование на соответствие требованиям европейского стандарта, подтверждающего ее высокое качество, экологичность и безопасность, а также получила диплом «100 лучших товаров России». «Огонь-батарея» сделана для тех, кто ценит в печах высокую функциональность, качество изготовления, экологичность и современный дизайн.

В задней части топливника установлен бак-теплообменник, объемом 1,3 литра, для нагрева воды для бытовых нужд.

Особенности и преимущества:

  • Совершенные теплотехнические характеристики получены при помощи компьютерного математического моделирования
  • Стильный дизайн позволяет устанавливать печь в самом современном интерьере
  • Чугунная конфорка с двумя кольцами разных диаметров позволяет готовить пищу на открытом огне в посуде разного размера, загружать топливо сверху и прочищать от сажи верхнюю часть печи
  • Высокоэффективные щелевые конвекторы защищают от жёсткого инфракрасного излучения и преобразуют 77% полезного тепла в мягкие конвекционные потоки
  • Вместительный топливник позволяет заполнить печь максимальным количеством дров для длительного непрерывного горения
  • Большая вертикально-ориентированная дверца топливника позволяет удобно наполнять печь дровами до самого верха
  • Тонкая регулировка интенсивности горения позволяет бесступенчато выбирать любой режим работы печи
  • Универсальный выход дымовой трубы позволяет одинаково удобно выводить дымовую трубу и вверх, и назад
  • Фиксатор положения заслонки дымохода надёжно удерживает её в выбранном Вами положении
  • Продуманная геометрия топливника исключает скопление непрогоревших углей. Всё топливо постепенно ссыпается на колосник под действием силы тяжести
  • Сменная защита предохраняет топливник от прогорания в месте скопления горячих углей
  • Герметичный зольник с замком исключает неконтролируемый подсос воздуха, но при этом удалять золу по-прежнему легко и удобно
  • Нержавеющий теплообменник позволяет нагревать воду для бытовых нужд

Материал: Конструкционная сталь
Мин. объем отапливаемого помещения, м³: 120
Макс. объем отапливаемого помещения, м³: 200
Масса печи, кг: 63
Тип топлива: Дрова
Тип дверцы : Со стеклом
Диаметр дымохода, мм: 120
Мощность, кВт: 13
Выход дымохода: Вверх/назад
Варочная поверхность: Да
Конфорки, шт: 1
Высота,мм: 760
Глубина,мм: 805
Ширина,мм: 370
Объем топки, л: 59
Длина дров,мм: 525
Срок гарантии: 1 год
Страна: Россия

Печь «Огонь-Батарея 5» дверца со стеклом

Как-то мы выглянули в окно и увидели, что на дворе стоит XXI век — век информационных технологий и суперкомпьютеров. А мы до сих пор делаем примитивные трубные отопительные печи, придуманные еще в эпоху арифмометров и дисковых телефонов. Нам стало очень стыдно.

Чтобы идти в ногу со временем, мы решили построить и проанализировать математическую компьютерную модель тепловых и гидравлических процессов, происходящих в дровяной печи. Мы вычислили доли лучистой и конвекционной составляющей тепла, передающегося от горящих дров к поверхностям нагрева. Просчитали и оптимизировали геометрию топливника и конвекторов, аэродинамику тракта движения топочных газов внутри печи и конвективных потоков воздуха снаружи. Сформировали полную картину распределения температурных полей, подвергли тщательным расчетам тепловую равнопрочность элементов печи и численно оценили их тепловую эффективность.

Теперь мы не будем спорить о том, какой должна быть дровяная отопительная печь, спроектированная в XXI веке. Мы это знаем. Такой, как наша «Огонь-батарея». Вы видели еще что-нибудь подобное?

Линейка печей нового поколения «Огонь-батарея» предназначена для экономичного воздушного отопления жилых и нежилых помещений, а также для приготовления и разогрева пищи.

Совершенных теплотехнических характеристик «Огонь-батареи» удалось достичь при помощи компьютерного математического моделирования. Все детали устройства изготовлены с применением цифровых технологий, что позволяет свести к минимуму негативное влияние человеческого фактора на качество сборки. Элегантный внешний вид печи позволяет установить ее в любом современном жилом помещении. На видимых поверхностях печи нет ни одного сварного шва. Самый вместительный топливник в своем классе позволяет загрузить в печь максимальное количество дров для длительного непрерывного горения. Сменная защита от прогорания предохраняет нижнюю часть топливника печи в месте скопления горячих углей. При необходимости защита легко меняется на новую в домашних условиях. Герметичный зольник с замком исключает неконтролируемый подсос воздуха на колосник. Тонкая регулировка интенсивности горения позволяет бесступенчато выбирать любой режим горения — от интенсивного до полного затухания печи.

Серийно изготавливаются четыре модели номинальной мощностью от 6 до 16 кВт для отопления помещений максимальным объемом от 100 до 250 м3 соответственно. Каждая модель выпускается в трех вариантах дизайна: «антрацит», «антрацит-металлик» и «шоколад». Для каждой модели предусмотрены модификации с баком для нагрева воды. Нагревать воду для бытовых нужд позволяет нержавеющий теплообменник (в модификациях с баком).

«Огонь-батарея» прошла тестирование на соответствие требованиям европейского стандарта, подтверждающего ее высокое качество, экологичность и безопасность, а также получила диплом «100 лучших товаров России». «Огонь-батарея» сделана для тех, кто ценит в печах высокую функциональность, качество изготовления, экологичность и современный дизайн.

  • Благодаря компьютерному математическому моделированию были получены оптимальные теплотехнические характеристики.
  • Стильный современный дизайн печи прекрасно вписывается практически в любой интерьер.
  • На чугунной конфорке с двумя кольцами разного размера удобно готовить пищу.
  • Через конфорку можно загружать топливо и прочищать верхнюю часть печи от сажи.
  • В модификации с нержавеющим теплообменником (с литерой «Б») предусмотрена возможность нагревания воды для бытовых нужд.
  • Благодаря высокоэффективным щелевым конвекторам 77 % полезного тепла преобразуются в мягкие конвекционные потоки обеспечивая защиту от жесткого инфракрасного излучения.
  • Непрерывное длительное горение обеспечивается благодаря вместительному топливнику.
  • Вертикально-ориентированная дверца топливника позволяет легко наполнить дровами печь до самого верха.
  • Возможность бесступенчатой регулировки работы печи — от интенсивного горения до режима тления.
  • Наличие универсального выхода дымовой трубы упрощает монтаж и позволяет выводить трубу и назад, и вверх.
  • Удержать заслонку в нужном положении позволяет удобный и надежный фиксатор.
  • Конструкция топки имеет специальную геометрическую форму, исключающую скопление не прогоревших углей.
  • Предусмотрена сменная защита топливника от прогорания в месте скопления горячих углей.
  • Зольник имеет специальный замок, обеспечивающий герметичность и исключающий неконтролируемый подсос воздуха.
  • Выдвижной емкий зольный ящик дает возможность удалять золу, не прерывая процесса горения.

Желаете недорого купить печи отопления? Звоните в интернет-магазин ООО «ПЕЧИ-ЕКАТ» в городе Екатеринбурге. Специалисты помогут подобрать отличный вариант из большого ассортимента продукции по приемлемой цене и, более того, расскажут обо всех нюансах установки подобного оборудования. Печь «Огонь-Батарея 5» дверца со стеклом — это отопительное устройство, позволяющее быстро поднять температурные показатели до необходимого уровня. Отопительные печи такого плана используются в загородных коттеджах, а также в разных рабочих помещениях и т.п. Они обладают высокой мощностью и экономичностью. Пользователи ко всему прочему по достоинству оценили и простоту в эксплуатации.

Печь ТМФ Огонь-Батарея 9 для отопления вашего дома!

Описание

Печь ТМФ Огонь-Батарея 9

Линейка печей нового поколения ТМФ Огонь-батарея 9 предназначена для экономичного воздушного отопления жилых и нежилых помещений, а также для приготовления и разогрева пищи.

Совершенных теплотехнических характеристик «Огонь-батареи» удалось достичь при помощи компьютерного математического моделирования. Все детали устройства изготовлены с применением цифровых технологий, что позволяет свести к минимуму негативное влияние человеческого фактора на качество сборки. Элегантный внешний вид печи позволяет установить ее в любом современном жилом помещении. На видимых поверхностях печи нет ни одного сварного шва. Самый вместительный топливник в своем классе позволяет загрузить в печь максимальное количество дров для длительного непрерывного горения. Сменная защита от прогорания предохраняет нижнюю часть топливника печи в месте скопления горячих углей. При необходимости защита легко меняется на новую в домашних условиях. Герметичный зольник с замком исключает неконтролируемый подсос воздуха на колосник. Тонкая регулировка интенсивности горения позволяет бесступенчато выбирать любой режим горения — от интенсивного до полного затухания печи.

Серийно изготавливаются четыре модели номинальной мощностью от 6 до 16 кВт для отопления помещений максимальным объемом от 100 до 250 м3 соответственно. Каждая модель выпускается в трех вариантах дизайна: «антрацит», «антрацит-металлик» и «шоколад». Для каждой модели предусмотрены модификации с баком для нагрева воды. Нагревать воду для бытовых нужд позволяет нержавеющий теплообменник (в модификациях с баком).

Печь ТМФ Огонь-батарея прошла тестирование на соответствие требованиям европейского стандарта, подтверждающего ее высокое качество, экологичность и безопасность, а также получила диплом «100 лучших товаров России». «Огонь-батарея» сделана для тех, кто ценит в печах высокую функциональность, качество изготовления, экологичность и современный дизайн.

Основные отличия печей ТМФ Огонь-батарея и ТМФ Огонь-батарея Лайт

Конструкция и дизайн упростились настолько, насколько было возможно при этом оставить отопительную печь с прекрасной теплотехникой и тонкой регулировкой горения; удобную в использовании печь, оснащённую большим герметичным топливником и высокой дверцей; печь, которая обеспечивает возможность разогревать пищу; печь, которая эстетично выглядит и станет украшением любого интерьера.

Отличия в печах ТМФ Огонь-батарея?

Огонь-батарея

 

Огонь-батарея ЛАЙТ

 

Конфорки для приготовления пищи Есть, чугунные, разного диаметра Нет, только разогрев
Выход дымохода Поворотный: вверх и назад Только вверх
Дверца Со стеклом и конвектором Стальная, без стекла
Дополнительные конвекторы На дверце топливника и задней стенке печи Нет

 

Обзор

— мета-обзор пожарной безопасности литий-ионных батарей: проблемы отрасли и результаты исследований

Литий-ионная батарея (LIB) — важная технология для настоящего и будущего хранения энергии. Его высокая удельная энергия, высокая мощность, длительный срок службы и снижение производственных затрат делают LIB ключевым фактором устойчивой мобильности и возобновляемых источников энергии. 1 Ионно-литиевая технология является предпочтительной электрохимической технологией для все большего числа отраслей, начиная от небольших элементов в бытовой электронике и заканчивая крупногабаритными батареями при электрификации дорожного транспорта и интеллектуальных сетей.Совокупный рынок LIB огромен, например, только мировой рынок электромобилей, по прогнозам, вырастет до 93,1 миллиарда долларов к 2025 году. 2

Хотя коммерциализация LIB была достигнута, проблемы безопасности возникли из-за неожиданных пожаров. . Некоторые LIB могут проявлять тенденцию к воспламенению в условиях неправильного обращения и инициировать возгорание или выделять токсичные газы, создавая таким образом опасность. Более того, по мере того, как технология LIB переходит в более крупные масштабы, от отдельных ячеек до модулей и пакетов, обеспечение их безопасности становится все более серьезной проблемой и ставками. Превышение диапазона условий, в которых LIB работают безопасно, может вызвать тепловой разгон (TR) и привести к пожару (см. Рис. 1). Термический разгон — это состояние, которое возникает, когда температура LIB достигает критического значения, так что скорость экзотермической реакции увеличивает температуру, что, в свою очередь, приводит к дальнейшему ускорению скорости реакции. 3 Эта положительная обратная связь о повышении температуры является признаком возгорания и создает опасность возгорания. При выходе из строя ячейки большое количество выделяемого тепла может вызвать тепловой разгон соседних ячеек, способствуя распространению огня.Пожары на весах модулей и пакетов могут выделять большое количество тепла и токсичных газов 4 , и их трудно подавить.

Увеличить

Уменьшить

Сбросить размер изображения

Рис. 1. 4 известных неправильных условия, которые могут привести к тепловому разгоне LIB и дисбалансу между тепловыделением и рассеиванием тепла.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ
Изображение высокого разрешения

В течение последних двух десятилетий пожары устройств с питанием от LIB несколько раз попадали в заголовки газет, начиная от небольшой бытовой электроники и заканчивая крупными энергосистемами.Наиболее заметные возгорания приведены в таблице I. Первоначальные опасения вызывают портативные устройства, такие как сотовые телефоны и ноутбуки. Первый крупный отзыв продукции по соображениям пожарной безопасности произошел в 2006 году, когда Sony отозвала более 9,6 миллиона LIB, которые использовались для ноутбуков известных производителей компьютеров, с ориентировочной прямой стоимостью в 360 миллионов долларов. 5 Десять лет спустя, в 2016 году, Samsung произвела один из крупнейших отзывов в истории: 2,5 миллиона смартфонов Note 7 с ориентировочной прямой стоимостью в 5 долларов.3 млрд (17 млрд долларов, включая упущенную выгоду). 6 Позже проблемы коснулись более крупных LIB, собранных в модули и блоки, например, в электромобилях (EV), где пожары Chevy Volt и Tesla Model S попали в заголовки газет.

Таблица I.
Возгорание литий-ионных аккумуляторов широко освещалось в СМИ за последние два десятилетия. Инциденты упорядочены по приложениям, а затем представлены в хронологическом порядке.

Приложение Компания Год Описание инцидента
Сотовый телефон Nokia 2003–07 Внезапный отказ аккумуляторов мобильных телефонов.
Kyocera Wireless 2004
Samsung 2016
Ноутбук Sony 2006 Внезапный отказ аккумуляторов ноутбука.
Электромобиль Шевроле 2011 Chevy Volt загорелся через несколько недель после краш-теста.
Тесла 2013 Модель S загорелась после попадания в мусор.
2013 Model S загорелась после аварии.
2016–19 Модель S внезапно загорелась во время стоянки.
Ягуар 2018 i-Pace внезапно загорелся во время стоянки.
Аэрокосмическая промышленность Боинг 2013 Внезапный отказ вспомогательных агрегатов Dreamliner 787.
Ховерборд Различный 2015–17 Внезапный отказ в батареях многих ховербордов.
Морской Corvus Energy 2019 Гибридный аккумуляторный паром загорелся из-за утечки охлаждающей жидкости.
Стационарные накопители энергии Различный 2017–19 Возгорание аккумуляторных батарей в крупных энергосистемах

Помимо СМИ, официальная статистика, собираемая агентствами в определенных секторах, показывает влияние пожаров LIB. В Китае, крупнейшем в мире рынке электромобилей, в год регистрируется 31 пожар LIB, 7–9 , наиболее распространенной причиной является внезапное возгорание (36.9%) с последующей зарядкой (26,2%). 7 В США Национальный совет по безопасности на транспорте (NTSB) сообщил о 17 пожарах Tesla и 3 BMWi3 LIB из 350 000 и 100 000 автомобилей соответственно. 10 Крупномасштабные LIB также привели к проблемам с безопасностью во время хранения и транспортировки перед подключением к продукту. С 2006 года Федеральное управление гражданской авиации США (FAA) зарегистрировало 252 инцидента с пожарами в воздухе и аэропортах с участием LIB в грузе или багаже. 11 А Комиссия по безопасности потребительских товаров США (CPSC) сообщила о 25000 возгораний в более чем 400 потребительских товарах в период с 2012 года. и 2017. 12

Хотя пожары LIB статистически редки, они вызывают беспокойство, потому что LIB повсеместно распространены в современном обществе, а также потому, что пожары LIB представляют опасность, которая значительно отличается от других пожарных опасностей с точки зрения возникновения, распространения, продолжительности, токсичности и угасания. . Это даже привело к новой концепции напряженной энергии в отношении постоянного и прерывистого горения, наблюдаемого во многих пожарах электромобилей. Существует множество технологий повышения уровня безопасности LIB, которые можно разделить на четыре основных уровня противопожарной защиты (как показано на рис. 2): предотвращение, разделение, обнаружение и подавление. Концепция слоев защиты распространена в пожарной технике, но редко применялась ранее к пожарам LIB. Его преимущество заключается в рациональной классификации различных технологий по целям. Слой предотвращения направлен на предотвращение теплового разгона; речь идет об искробезопасности конструкции LIB. Как только предотвращение не удается, происходит возгорание, которое приводит к пожару. Разделение призвано препятствовать распространению огня и избегать каскадных отказов.Раннее обнаружение является ключевым моментом для аварийного реагирования, эвакуации и подавления срабатывания триггера. После активации спринклеры или аналогичные системы подавления могут погасить пламя и охладить аккумулятор. Каждый уровень защиты играет свою роль на каждом уровне технологии LIB, от активных материалов до ячейки и упаковки (см. Рис. 3). Например, разработка более безопасных химических веществ обычно проводится в масштабе активных материалов, в то время как методы предотвращения теплового разгона изучаются в масштабе ячейки, а распространение огня — в масштабе модуля и упаковки.

Увеличить

Уменьшить

Сбросить размер изображения

Рисунок 2. Четыре уровня противопожарной защиты, присутствующие в LIB. Профилактика включает компоненты безопасности и устройства безопасности. Если предотвращение не удается, уровень обнаружения может обеспечить быстрое предупреждение, подавление срабатывания и аварийное реагирование. Компартментация направлена ​​на задержку или остановку распространения в другие ячейки и модули.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ
Изображение высокого разрешения

Увеличить

Уменьшить

Сбросить размер изображения

Рисунок 3. Различные масштабы, используемые в технологии LIB, от активных материалов до ячейки и упаковки. В разных масштабах опасность пожара и стратегии защиты различаются.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ
Изображение высокого разрешения

В этом документе собраны и проанализированы проблемы безопасности, с которыми сталкиваются отрасли LIB в разных секторах, и проведено сравнение их с результатами исследований, проведенных в этой области. Мы представляем проблемы безопасности, с которыми сталкиваются отрасли LIB, и преобразуем их в вопросы исследования, а затем анализируем современное состояние исследований LIB в отношении пожаров, структурируя их по уровням защиты и масштабам.Наконец, мы сравниваем проблемы отрасли с результатами исследований, чтобы определить пробелы в знаниях и возможности в будущем.

Этот документ призван объединить знания и экспертов из двух разных дисциплин, например, батареи и пожарные, для обмена знаниями и различными подходами к безопасности LIB, что по своей сути является междисциплинарной темой. Такой обмен должен существенно повлиять на скорость поиска успешных решений проблем, которые в настоящее время препятствуют более полному освоению LIB.Успешная интеграция дисциплин требует также сближения терминологий. Эксперты по аккумуляторным батареям и пожарные часто предпочитают разные термины для описания одного и того же явления. В этой статье термин «зажигание» включает в себя инициирование теплового разгона, а термин «распространение огня» включает каскад явлений теплового разгона между ячейками (также называемый распространением теплового разгона).

Многие отрасли промышленности активно работают над продвижением и повышением безопасности технологии LIB. Здесь мы анализируем основные проблемы безопасности, с которыми сталкиваются различные отрасли промышленности, и их потребности в исследованиях для борьбы с пожарами LIB.Мы разослали опрос 12 компаниям LIB, охватывающим многие отрасли промышленности. Мы спросили их основные проблемы безопасности и потребности в исследованиях. 9 ответили, представив свои взгляды и предоставив информацию для нашего анализа (6 компаний согласились называться в благодарностях). Рассматриваемые отрасли промышленности включают производство, бытовую электронику, электромобили, внедорожники большой грузоподъемности, аэрокосмическую промышленность, дроны, логистику, электросеть, стационарные накопители энергии, переработку отходов и переработку аккумуляторов. Мы сгруппировали все их опасения по пяти основным проблемам (см. Рис.4): зажигание и распространение, правила и стандарты, обнаружение и надежность, аварийное реагирование, транспортировка и окончание срока службы. Эти пять проблем были ранжированы по степени важности, и на первом месте перечислены проблемы безопасности, наиболее характерные для этих компаний.

Увеличить

Уменьшить

Сбросить размер изображения

Рис. 4. Пять основных проблем безопасности, с которыми сталкивается промышленность литий-ионных аккумуляторов, согласно данным, собранным в этой работе.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ
Изображение высокого разрешения

Проблемы с воспламенением и распространением энергии

Основная проблема безопасности LIB, которая воспринимается в различных отраслях, от бытовой электроники до стационарных накопителей энергии, — это возможность инициирования теплового разгона в одной из ячеек. Температурный разгон считается наиболее критичным для безопасности видом отказа аккумуляторной батареи. 13 Связанные с этим эффекты включают перегрев электролизера, избыточное давление, выбросы газов и твердых частиц, искры, пламя и даже взрыв.

Существует несколько причин, которые могут вызвать тепловой разгон, резюмированные на рис. 1, которые можно разделить на внешние нарушения (например, механические, термические, электрические) или внутренние неисправности (например, дефекты, самонагрев). 13 Условия злоупотребления связаны друг с другом. Механическое повреждение, такое как проникновение или раздавливание, вызывает короткое замыкание, которое является злоупотреблением электрическим током. Злоупотребление электрическим током приводит к джоулевому нагреву, который увеличивает температуру элемента (термическое воздействие), что может вызвать тепловой разгон.Внутренняя неисправность может привести к самовозгоранию. Большинство исследований сосредоточено на условиях злоупотребления, и лишь небольшая часть статей исследует самовозгорание. И это несмотря на то, что статистика безопасности электромобилей показывает, что самой частой причиной является самовозгорание, на которое приходится 80% пожаров. Сбои, связанные с производственными дефектами, безусловно, вызывают наибольшее беспокойство, поскольку их очень трудно обнаружить, даже с учетом значительных усилий, предпринимаемых производителями аккумуляторов. Таким образом, внутренние дефекты ячеек и внутренние сбои, которые развиваются внутри отдельных ячеек с течением времени и приводят к возникновению теплового разгона, являются серьезной проблемой для всех отраслей промышленности, которые требуют методов и инструментов для их надежной идентификации.Производственные дефекты также могут быть вызваны на уровне модуля и блока, и эти сбои могут не быть обнаружены до тех пор, пока устройство не будет включено и система управления батареями (BMS) не определит проблему сопротивления (при условии, что BMS с такой возможностью). После обнаружения дефекта повторное изготовление модулей, в которых шины были приварены к ячейкам, является проблематичным, поскольку повторная обработка сварного шва может привести к чрезмерному нагреву или внутреннему повреждению ячейки, что, в свою очередь, может вызвать короткое замыкание.По этой причине неисправный модуль в целом может потребоваться утилизировать. Поэтому производители упаковок требуют исследования методов раннего обнаружения нестандартных сварных швов (до завершения сборки модуля и включения BMS) и способов безопасной повторной обработки сварных швов как на уровне модуля, так и на уровне ячейки, что позволяет избежать их утилизации. Один из способов избежать этой проблемы — разработать новые способы крепления шин к ячейкам. 14

Связь между типом злоупотребления и временем до возгорания (также называемым инкубационным периодом) — еще одна тема, которая вызвала значительный интерес, поскольку широкий круг отраслей требует дальнейших исследований.Например, нагрев поверхности ячейки до 200 ° C в течение 10 с не приводит к тепловому разгоне, а выдержка ячейки при 110 ° C в течение 1 часа приводит. 13 Такие факторы, как SOC, химия и SOH, также влияют на время до воспламенения, но не совсем понятным образом. 13 Кроме того, понимание пожаров, связанных с авариями, является очень важным вопросом в автомобильной промышленности. Последствия разрушения аккумуляторной батареи в транспортном средстве, вероятность возгорания и способы оценки ее безопасности являются серьезными проблемами для электромобилей и высоковольтной промышленности.

Согласно данным производственной, передовой инженерной, автомобильной и аэрокосмической отраслей, исследования должны быть сосредоточены на мерах контроля для обнаружения отказов аккумуляторных батарей через фундаментальное понимание пределов ячеек. Три области исследований должны быть ключевыми для предотвращения инициирования теплового разгона; (i) разработка методологий для определения максимальной безопасной температуры (T safe ) для конкретных клеток, (ii) оценка взаимосвязи между T safe и максимально допустимой температурой с помощью BMS и (iii) понимание изменчивости T сейф с SOC и устареванием (SOH), а также расположение в модуле.Это относится к фундаментальным исследованиям генерации тепла в элементах и ​​его зависимости от SOC, температуры окружающей среды, силы тока и понимания SOH. Более глубокое понимание процессов, связанных с отводом тепла в ячейке, снизит риск возникновения теплового разгона. 15,16

Распространение огня в системах LIB является серьезной проблемой для отраслей, связанных с крупномасштабными аккумуляторными батареями, где время эвакуации людей может быть длительным, например, в автомобилях или стационарных сетях. 17 Распространение от ячейки к ячейке зависит от характеристик теплового разгона и баланса между тепловыделением и тепловыделением (рис. 1). Одной из основных проблем в этом отношении является взаимосвязь между режимом теплового разгона (тип нарушения) и серьезностью пожара, а следовательно, и характеристиками распространения. Эта взаимосвязь вызвала значительную путаницу, поскольку методы злоупотреблений, включенные в правила и стандарты, не всегда соответствуют реальным сценариям. Ток короткого замыкания является фундаментальным параметром процесса. На сегодняшний день не существует надежного метода создания внутренних коротких замыканий по требованию в ячейках, которые приводят к распространению и, таким образом, демонстрируют реакцию, которая является репрезентативной для коротких замыканий, вызванных настоящими сбоями. 13 Следовательно, существует необходимость в разработке надежного теста распространения в дополнение к тесту теплового разгона одиночной ячейки.

На распространение огня также влияют другие факторы, такие как начальная температура системы, тепловые граничные условия (например, теплопроводность к соседним ячейкам, стратегии охлаждения и охлаждающая способность модуля или блока), архитектура и механическая структура модуля, неоднородность температуры внутри ячеек или между ячейками в модуле, приводящая к температурным градиентам и ускоренной локальной деградации и т. д.Помимо общего тепла, выделяемого при тепловом разгоне, другими важными величинами для описания и прогнозирования распространения огня являются скорость тепловыделения, которая зависит от химического состава ячейки, SOC, тока и SOH, а также других внешних факторов, таких как наличие источника воспламенения. , и доступность кислорода.

Промышленность рекомендует два конкретных подхода к противопожарной защите батарей. 18 Первый рекомендуемый подход — это разработка безопасного химического состава аккумуляторов или безопасных конструкций аккумуляторов, которые не приводят к тепловому разгоне или последующему распространению огня.Существует мнение, что некоторые химические составы катодов безопаснее других (например, LFP имеет более высокую термическую стабильность, чем LCO, LMO или NMC). 19,20 Другие стратегии защиты — это использование модифицированных сепараторов (с керамическим покрытием или частицами), которые повышают температуру срабатывания теплового разгона, или сепараторов отключения, которые останавливают перенос ионов лития при достижении заданной температуры. Использование модифицированных электролитов или негорючих электролитов ограничит тепловыделение и может привести к дальнейшему повреждению. 18,21 Твердотельные батареи считаются следующим шагом, который изменит правила игры с точки зрения безопасности, поскольку они не содержат горючий электролит. 21 Другие кандидаты для будущего химического состава аккумуляторов, такие как LiS-аккумуляторы, представляют различные риски, связанные с быстрыми реакциями на поверхности литиевого анода. Однако потребуется общая оценка безопасности, чтобы установить влияние этих вариантов на безопасность на уровне ячеек и модулей.

Второй подход, рекомендованный промышленностью к противопожарной защите, наиболее распространенный в автомобильной, аэрокосмической и передовой машиностроительной отраслях, предполагает, что в конечном итоге произойдет тепловой разгон, и основан на реализации надежных, легких, небольших по объему средств безопасности, которые сосредоточены на обнаружении. , разделение и уменьшение распространения пожара от ячейки к ячейке и от модуля к модулю.Было бы полезно иметь надежные средства обнаружения и разделения на отсеки, снижая вес батареи, улучшая ее характеристики и, в конечном итоге, снижая ее стоимость. 13 Таким образом, эти отрасли требуют конкретных исследований стратегий защиты при проектировании батарей. Аналитические исследования влияния расстояния между ячейками, материалов для размещения, зазора над разрывным диском ячеек, обработки поверхности ячейки, слияния отдельных ячеек и держателей ячеек, предназначенных для замедления распространения огня, являются некоторыми примерами исследований стратегий проектирования, необходимых для ячейки и уровни модуля.Пример адекватного расстояния между ячейками проиллюстрирован на рис. 5, где тепловое ускорение индуцируется в ячейке, расположенной в центре пакета, и не распространяется на соседние ячейки.

Увеличить

Уменьшить

Сбросить размер изображения

Рис. 5. Изображения с высокоскоростной камеры , показывающие возгорание и развитие пожара в центральной ячейке 7-элементной аккумуляторной батареи 18650. К центральной ячейке применялся внешний нагрев, и зажигание происходило через 4 мин и 40 с.Кадры предоставлены Cognition Energy.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ
Изображение высокого разрешения

На данный момент не определено единого подхода к уменьшению распространения пожара, и, как следствие, широкий спектр различных стратегий безопасности объединяется для достижения достаточного уровня безопасности. 13 Отключающие сепараторы, плавкие предохранители, устройства отключения температуры, устройства с положительным температурным коэффициентом, токоограничивающие предохранители, устройства прерывания тока, вентиляционные диски или заглушки и BMS встроены в уровни элементов, модулей и аккумуляторных блоков для защиты от ненормальные условия. 13,19,20 Однако сдерживание возгорания или взрыва внутри корпуса батареи во время отказа по-прежнему является проблемой для большинства отраслей промышленности, которые работают с крупноформатными элементами (например, электромобили, высоковольтные двигатели, аэрокосмическая промышленность, производство или стационарные сети). По-прежнему требуется конкретное исследование того, какая энергия должна содержаться в корпусе батареи, как ее рассчитать и, следовательно, какую толщину материала использовать для корпуса.

Еще одна серьезная проблема, которая актуальна для этих отраслей в случае отказа LIB, заключается в том, как безопасно отвести любые выхлопные газы от пассажиров.Такие стандарты, как SAE J2289: 2008 22 , описывают, что материал, выходящий из аккумулятора, не должен направляться в пассажирский салон, так как это может представлять опасность. Исследования по этой теме, подкрепленные моделированием (например, тематические исследования аварий в различных сценариях), востребованы многими транспортными отраслями.

Разработчики аккумуляторов, дизайнеры продукции и производители оригинального оборудования также требуют дополнительных испытаний на уровне модулей и комплектов, чтобы лучше понять распространение огня. Целостный взгляд на ячейку, модуль, пакет и приложение необходим для снижения рисков распространения пожара, избегая ловушки оптимизации подсистемы, которая приводит к ограниченному повышению безопасности при более высоких затратах.

Требования к нормам и стандартам

LIB должны пройти серию испытаний на безопасность, чтобы быть сертифицированными для использования в приложениях в соответствии с международными и национальными стандартами и правилами. Эти тесты безопасности были разработаны на основе исследований и предварительных нормативных данных регулирующих органов, промышленности и научных кругов. В то время как правила издаются правительствами и имеют юридическое исполнение, стандарты — это добровольные документы, определяющие отраслевой консенсус в отношении минимальных требований к конструкции и испытаниям для достижения желаемого уровня безопасности или эксплуатации.Поскольку технология LIB все еще развивается, в отрасли еще нет единого мнения о конструкции системы и методологиях тестирования, основанных на производительности. 19 Тем не менее, имеющиеся стандарты обеспечивают основу для обмена знаниями и опытом и позволяют установить постоянный уровень безопасности во всей отрасли.

В случае индустрии электромобилей ряд признанных международных (SAE, 23,24 ISO, 25–27 IEC 28–30 ) и национальных (например, США, 31–33 Корея, 34 Индия, 35 Китай 36 ) действуют стандарты с упором на тестирование безопасности LIB на уровне системы, упаковки, модуля и ячейки.Стандарты безопасности LIB также доступны для других типов промышленности, таких как бытовая электроника, 37 производственных и промышленных приложений, 38 авиационных установок 39 и стационарных приложений. 40,41 На эти стандарты могут ссылаться нормативные документы по аккумуляторным батареям, такие как UN / ECE-R100.02 42 или GRT-EVS 17 в случае сектора электромобилей.

Одна из основных проблем во всех этих отраслях заключается в том, что доступные стандарты могут не соответствовать реальным сценариям.В случае электромобилей и высокого напряжения большинство стандартов и правил налагают условия испытаний, основанные на правилах для двигателей внутреннего сгорания, и поэтому не репрезентативны для полевых отказов LIB. Несмотря на то, что дорожно-транспортные происшествия являются динамическими событиями, испытания, описанные в соответствующих стандартах, проводятся на уровне компонентов с использованием статических сборок (например, испытание на проникновение гвоздей). 43 Эти отрасли требуют большего анализа и оценки данных, относящихся к электрифицированным силовым агрегатам, и добавления соответствующих тестов, таких как низкотемпературные опасности, воспламеняемость, токсичность, переворачивание, падение и погружение в будущие стандарты и правила. 43

Другой проблемой, вызываемой большинством отраслей, является необходимость дальнейшей гармонизации стандартов терминологии, условий тестирования, параметров тестирования и критериев прохождения / непрохождения. Например, необходима дальнейшая гармонизация способа проверки аккумуляторов на предмет риска теплового разгона, 17,31 , поскольку различные варианты появляются в разных стандартах. 13 Включение подробностей о скорости повышения температуры, возникновении вентиляции и доле высвобождаемой энергии было бы полезно для установления подкатегорий теплового разгона. 13

Несмотря на многочисленные усилия по стандартизации, текущие стандарты допускают очень разные методы инициирования и настройки тестирования. В настоящее время не существует надежного метода перевода ячеек в режим теплового разгона, который также характерен для режимов отказа в полевых условиях. 13,44 Большой разброс условий испытаний (например, SOC, температура, скорость зарядки / разрядки) для испытаний на неправильное использование, таких как перезаряд, короткое замыкание или тепловой удар, затрудняет сравнения на основе данных, полученных с использованием различных стандартов. 43 Различия в условиях испытаний могут быть предназначены для рассмотрения различных сценариев, но в этом отношении требуются дальнейшие усилия по гармонизации. Кроме того, тестирование внутреннего теплового разгона при коротком замыкании остается спорным, поскольку не существует репрезентативного теста, который имитировал бы истинную характеристику внутреннего короткого замыкания при полевом отказе в условиях тестирования. 13,43,45 Необходимы исследования для получения дополнительных знаний о способах развития внутреннего короткого замыкания в батарее.Это улучшит разработку и внедрение репрезентативного метода испытаний. Отрасли также требуют лучшего понимания ряда условий, которые изменяют степень реакции на злоупотребления; например испытание на внешнее короткое замыкание при 60 ° C намного ближе к реальным условиям эксплуатации, в которых произойдет тепловой разгон, чем испытание при 25 ° C. Кроме того, они требуют четких и однозначных процедур тестирования как части метода тестирования вместе с подробным описанием. Например, событие теплового разгона, вызванное испытанием на проникновение гвоздя, зависит от размера гвоздя, глубины проникновения, формы кончика, поверхности гвоздя и состава материала гвоздя. 46 Включение подробных процедур тестирования улучшило бы воспроизводимость тестов безопасности 47 в случаях, когда испытательная установка оказывает значительное влияние на результат теста. 13 В автомобилестроении, передовом машиностроении и обрабатывающей промышленности, среди прочего, требуется надежный, повторяемый и практичный метод создания внутренних коротких замыканий по требованию, обеспечивающих реакцию, соответствующую тем, которые наблюдаются при отказах в полевых условиях. Этот метод также должен учитывать изменчивость таких важных факторов, как состояние заряда ячейки (SOC), химический состав, форм-фактор и состояние здоровья (SOH).В ответ на это требование Неофициальная рабочая группа по безопасности электромобилей (EVS-IWG), созданная в рамках Всемирного форума Организации Объединенных Наций по гармонизации правил в отношении транспортных средств, ставит одной из своих целей найти такой метод испытаний, востребованный промышленностью. 47

Выявлены значительные различия в требованиях к критериям в различных стандартах. 13 Например, критерием соответствия для IEC 62619 38 и UL 1973 40 является «отсутствие пожара вне системы», для VDE AR ​​2510-50 41 критерием является «отсутствие возгорания, взрыва, утечки». «и для SAE J2464 23 нет критериев годен / не годен.Другой пример разногласий — наличие источника непрерывных искр во время испытания на тепловой разгон, как того требуют одни стандарты 31,33 и не требуются другими. 27 Это напрямую повлияет на условие прохождения / отказа «без пожара», так как оно будет проверяться в различных средах. Несмотря на то, что безопасность зависит от приложения, так что критерии «годен / не годен» могут различаться в зависимости от тестируемого приложения, существует явное преимущество последовательного подхода к классификации критериев «годен / не годен» по всем стандартам.

Еще одна важная проблема, с которой согласны большинство отраслей, — важность масштаба, в котором проводятся испытания безопасности (см. Рис. 3). Тесты, выполняемые на уровне компонентов, могут быть несопоставимы с тестами, выполняемыми на уровне системы. Большая часть исследований по безопасности проводится на ячейках 46,48 или небольших модулях, и аналогичные данные по упаковке и системе немногочисленны. Поскольку выполнение всех тестов на уровне системы недопустимо, срочно необходимы исследования сопоставимости результатов тестирования на уровне ячейки, модуля и упаковки. 43 Отрасли промышленности требуют дополнительных предварительных исследований для решения этой проблемы и предоставления руководящих указаний по выбору соответствующего уровня, на котором следует проводить каждый тест. Такие исследования окажут немедленное влияние на предоставление репрезентативных результатов для оценки безопасности приложения и минимизируют сложность стандартов и стоимость тестирования. 13

Наконец, общая проблема для всех подходящих отраслей — это влияние старения элементов на результаты испытаний на безопасность, предмет, который в настоящее время не охвачен ни одним стандартом.Наблюдались различия в результатах тестов между клетками начала жизни (BOL) и клеток конца жизни (EOL). 49 Однако влияние старения на характеристики безопасности еще не изучено в научном сообществе. Все отрасли поощряют дальнейшие исследования по этой теме.

Гармонизированные подходы легче реализовать, когда применяются международные правила, как, например, в случае перевозки опасных грузов (например, UN 38.3). 50 Эти правила разрабатываются и регулярно обновляются каждые два года на уровне Организации Объединенных Наций соответствующими комитетами экспертов.В секторе электромобилей основные усилия были приложены к разработке Глобальных технических правил безопасности электромобилей, ранее упомянутых 17 и утвержденных Всемирным форумом Организации Объединенных Наций по гармонизации правил в отношении транспортных средств.

В секторе возобновляемой энергетики безопасное внедрение аккумуляторов энергии еще не регулируется на международном уровне. В контексте пересмотра Директивы ЕС по батареям 2006 г., которая будет опубликована в октябре 2020 г., 51,52 ЕС запросил согласованные стандарты для оценки эффективности и оценки устойчивости.

Проблемы обнаружения и надежности

Автомобильная, аэрокосмическая и транспортная отрасли озабочены обнаружением отказов, поскольку их продукты и приложения должны обеспечивать много времени для выхода пассажиров. 17 Лучшее понимание компромисса между выключением аккумуляторной батареи или продолжением подачи питания на критически важные системы (например,грамм. аварийная посадка / остановка) имеет решающее значение в этих приложениях.

Отказ LIB может произойти очень быстро после повреждения ячейки или медленно в течение длительного периода времени, вызывая отложенный отказ через долгое время после того, как повреждение началось. 19 Промежуток времени обычно называют инкубационным периодом, который может длиться от нескольких часов до лет, в зависимости от причины и механизма отказа (см. Рис. 1). Однако, когда достигается критическая точка, обычно регулируемая балансом между тепловыделением и отводом тепла от элемента и аккумуляторной батареи в окружающую среду, отказ происходит очень быстро. 20 Поскольку процессы отказа LIB зависят от времени, раннее обнаружение и диагностика могут оценить механизмы отказа ячеек в реальном времени. Это может определить, является ли отказ чрезвычайной ситуацией, требующей срочных действий, или действие может быть отложено, поскольку оно связано с уменьшением долгосрочного повреждения батареи.

BMS в настоящее время является наиболее широко используемым механизмом, с помощью которого обнаруживается сбой в аккумуляторных приложениях. BMS полагается на встроенные датчики напряжения и температуры для контроля состояния батареи.Однако многие разработчики упаковок и производственные предприятия обеспокоены надежностью BMS. Например, внутренняя температура ячейки является самым прямым показателем теплового разгона ячейки, но не является доступным измерением. Вместо этого датчики температуры должны быть расположены на внешней поверхности ячейки. Для многих реалистичных сценариев между повышением температуры в середине ячейки и повышением температуры на поверхности может возникнуть значительная задержка во времени. 19 Поверхностный датчик покажет статистически значимое повышение температуры, когда скорость повышения температуры уже слишком велика, и тепловой разгон неизбежен. 20 По этой причине ключевые параметры, относящиеся к обнаружению и контролю развития повреждений, в настоящее время не измеряются, а выводятся с помощью моделей. 19 Разработчики и производители пакетов поэтому требуют реализации дополнительных стратегий защиты помимо BMS (например, предохранителей, реле, устройства прерывания тока, положительного теплового коэффициента, тепловых экранов, детекторов замыкания на землю) для предотвращения отказов из-за внешнего электрического или теплового воздействия.

Исследование дизайна BMS (e.грамм. адекватное количество датчиков, подходящее расположение датчика, интеграция зондирования на основе модели, уменьшение задержки датчика и ошибки синхронизации) поощряется электромобилями, высоковольтным оборудованием и аэрокосмической отраслью, чтобы обеспечить раннее обнаружение сбоев и быструю активацию мер контроля и смягчения. Эти отрасли также требуют разработки новых методов диагностики на месте, которые могут выявить начинающийся отказ и принять меры на достаточно раннем этапе для предотвращения теплового разгона. Исследования по диагностике, искусственному интеллекту (e.грамм. облачные вычисления, большие данные) 53 и другие методы анализа данных поощряются этими отраслями не только для предотвращения сбоев, но и для обеспечения достаточной энергии и мощности для аварийной остановки или посадки в случае обнаружения условий отказа. Существует значительный объем исследований, направленных на разработку улучшенных методов обнаружения, как описано ниже.

Транспортные отрасли с батарейным питанием выступают за разработку отказоустойчивых аккумуляторных систем (например, отказоустойчивых и отказоустойчивых систем). 54 Этого можно достичь не только с помощью аппаратного обеспечения (например, с резервированием), но также с помощью высокоуровневого (например, стратегии снижения номинальных характеристик) и программного обеспечения низкого уровня (например, блоков восстановления, программирования N-версии, программного обеспечения самопроверки). 55

Разработка моделей безопасности элементов, модулей и аккумуляторных батарей также является приоритетом для этих отраслей, поскольку они будут способствовать пониманию и улучшению безопасности больших аккумуляторных блоков. Одна из основных проблем, с которыми приходится сталкиваться в этом отношении, — это отсутствие возможности переноса между масштабами.Большое количество литературы посвящено усовершенствованным методам моделирования, диагностики и прогнозирования на клеточном уровне с использованием передового лабораторного оборудования. 56,57 Однако большую часть этих знаний нелегко перенести в коммерческие системы (например, методы на основе спектроскопии электрохимического импеданса (EIS)) 58 из-за недостаточного качества и количества измерений, доступных в коммерческих системах, а также отсутствия в вычислительной мощности в BMS или центральном блоке управления системой.Последняя проблема может быть решена с помощью технологии 5 G и облачных вычислений, 53 , хотя требуются дальнейшие исследования, поскольку это может быть не беспроблемное решение (например, выбросы, затраты, конфиденциальность данных).

Более фундаментальной проблемой, препятствующей развитию диагностики, является сложность онлайн-идентификации параметров сложных моделей батарей из-за ограниченной наблюдаемости системы. 59,60 Состояния модели батареи зависят от ячейки и могут быть выведены только по напряжению, току и ограниченным данным о температуре поверхности.Проблема усугубляется тем, что в большинстве приложений управление этими переменными ограничено. Интеграция активных систем балансировки может обеспечить большую управляемость, но это повысит сложность системы и может повлиять на надежность. 61,62

Вызовы аварийного реагирования

Из-за сложности, связанной с пожарной безопасностью LIB, проблемы не из легких и простых, и существует потребность в обмене информацией, знаниями и пониманием во всех областях применения, например.грамм. Электромобили, 63,64 стационарный сетевой накопитель, 65 или аэрокосмический. 66

Например, заинтересованным сторонам требуется детальное знание различных ключевых факторов, влияющих на скорость тепловыделения при пожаре батареи (мощность огня), а также скорость и токсичность выделяемых газов. 63 Хотя существует множество исследований, посвященных пожарной безопасности на уровне ячеек и блоков, 67–70 опубликовано мало данных о пожарной безопасности на уровне системы (например, стационарные сетевые хранилища или электромобили). 64,65 Этот пробел в литературе можно объяснить более высокой стоимостью разрушающего тестирования на уровне системы и рассмотрением этих вопросов заинтересованными сторонами как промышленных секретов по техническим причинам, а также из-за репутации и имиджа бренда. Хотя верно то, что разумные прогнозы ключевых факторов могут быть сделаны на основе данных уровня ячейки или пакета, а также ограниченной базы данных о пожарах в полевых условиях, комплексные и методологические испытания пожаров на уровне системы 63 прольют свет на эти важные вопросы. например: повторяемость испытаний на огнестойкость, чувствительность к условиям испытаний, масштабируемость с помощью массы или SOC, а также системы пожаротушения.

Что касается последнего, не существует уникального подхода к борьбе с пожарами LIB, и доступны различные средства пожаротушения и формы применения. Обычные доступные средства пожаротушения включают воду (чистую или с добавками), пену, сухой химический порошок, влажный химикат или инертные газы, каждое из которых имеет свои преимущества и недостатки. Существует мало литературы по этой теме для больших аккумуляторных приложений (например, стационарные сетевые накопители, электромобили, высокое напряжение, аэрокосмическая промышленность) 64,65 , и приветствуются дальнейшие исследования в этой области.Однако, судя по имеющимся данным, средства пожаротушения на водной основе являются одними из самых эффективных. 63 Это связано с их охлаждающими способностями, хотя они не являются беспроблемным решением, как обсуждается ниже.

Например, может потребоваться длительное время тушения и большие объемы воды, чтобы избежать проблем течения и повторного возгорания, которые могут возникнуть даже через несколько часов после тушения пожара из-за постоянного электрического или термического воздействия. 63–65,71,72 Следовательно, может существовать риск проблем с водоснабжением.Кроме того, нанесение воды на большой LIB может вызвать опасность поражения электрическим током. Действительно, вода может повредить как саму аккумуляторную систему, так и другие активы, закоротив неповрежденные элементы или модули, что приведет к полной потере системы. Также существует опасность утечки электрического тока. При использовании водоотталкивающих средств необходимо соблюдать индивидуальные средства защиты и меры предосторожности, а также соблюдать безопасное расстояние. 64,65

Время тушения, объем воды, выбросы вредных газов и риск повторного возгорания из-за короткого замыкания, вызванного водой, — это проблемы, которые возникают в большинстве отраслей промышленности.Однако их можно значительно уменьшить за счет: 1) конструкции за счет улучшенного огнестойкости корпуса, 72 внутренних каскадных защит или тепловых экранов, 72–75 оптимального расстояния между ячейками; 76,77 2) с использованием небольшого процента определенных инкапсулирующих добавок; 78 или 3) более прямой контакт воды с поврежденными ячейками через водяные пики, перфорационные молотки и специальные конструкции систем. Также было предложено погрузить поврежденные батареи в специальные переносные водонепроницаемые контейнеры, чтобы избежать повторного возгорания и полностью разрядить большие поврежденные батареи. 79

Вода или агенты на водной основе можно наносить с помощью водяного тумана или спринклерных систем, которые доказали свою эффективность при крупных стационарных сетевых хранилищах и при пожарах аккумуляторных складов. 80,81 Таким образом, требуется меньший объем воды, что ограничивает риски, связанные с водой, или повреждение аккумуляторной системы и других активов. Также предлагались жидкие диэлектрические агенты, но они могут быть легко загрязнены на ранних стадиях тушения пожара, становясь проводящими и такими же проблемными, как обычная вода.Пенообразователи не показали лучших характеристик, чем вода, демонстрируют более низкую охлаждающую способность и поэтому не рекомендуются при пожаре в аккумуляторных батареях. 64,72

В тех случаях, когда использование воды вызывает озабоченность (например, стационарные накопители энергии для центров обработки данных), инертные газы или сухой порошок могут показаться предпочтительным решением, хотя их эффективность для тушения возгорания батарей ограничена из-за к их неспособности охладить аккумулятор. 72 Однако, при использовании в сочетании с мерами раннего прогнозирования, системами вентиляции и охлаждения, возгорание батареи в модуле с адекватной каскадной защитой можно подавить с помощью газового агента.Риск повторного возгорания по-прежнему будет присутствовать из-за ограниченных возможностей мониторинга батареи. 72 По этим причинам агенты на неводной основе были предложены в подходах к поэтапному тушению для тушения пожаров на начальных стадиях пожаров стационарных хранилищ. Если проблема не устраняется или требуется дальнейшее охлаждение, следует использовать растворы на водной основе. 72

В случае ограниченного доступа к водоснабжению и отсутствия дополнительных рисков для здоровья и безопасности населения или повреждения ценного имущества рекомендуется дать батарее гореть в качестве практического метода самозатухания, даже если огонь может продолжаться 24 часа. 64,65,82 Такие пассивные стратегии неприменимы при многих пожарах внутри или под землей аккумуляторных батарей, 64,65,83 или при пожарах в аэрокосмических аккумуляторах, которые требуют определенных стратегий пожаротушения и локализации. 66

Ожидаются большие выбросы токсичных газов в результате пожара LIB, и потребуется локализация или вентиляция. Отрасли электромобилей и высокого напряжения требуют дальнейших исследований количества и токсичности продуктов (газов и остатков), выделяемых в результате пожаров LIB.Им также требуются новые методики удержания и очистки этих газов в чувствительных зонах, где вентиляция невозможна. Хотя нет исчерпывающих сведений о токсичных выбросах при возгорании аккумуляторных батарей, 84 кажется, что они не сильно отличаются от выбросов при возгорании пластика в случае стационарных сетевых хранилищ, 72 или возгораний ICEV в случае электромобилей. . 64 Однако углубление знаний в этой области требует большинство отраслей и заинтересованных сторон.

Транспортировка и проблемы с утилизацией

Транспортировка нетронутых LIB представляет собой риск. В обычных условиях, хотя вероятность возгорания ячеек мала, серьезность пожара может быть высокой, если большое количество ячеек переносится вместе. 66 Это особенно верно в случае авиаперевозок и объясняет, почему литий-ионные элементы или батареи запрещены в качестве груза на пассажирских самолетах, 66 и должны пройти ряд испытаний, определенных в международных правилах (e .грамм. UN 38.3) 50 и стандарты (например, IEC 62133) 37 для перевозки грузовыми самолетами или другими средствами. 85

В настоящее время, хотя стандарты МЭК и правила ООН в некоторой степени согласованы, все еще существует много различий в правилах транспортировки аккумуляторов в разных странах и регионах, что делает логистику сложной, трудоемкой и дорогостоящей. 85 Например, существует много различий в упаковке, маркировке и этикетках. 85 Требования к испытаниям на уровне элементов, батарей и системы также должны быть унифицированы. 85 Правила также различаются в зависимости от вида транспорта и, как правило, проще для автомобильного, железнодорожного или морского транспорта, особенно для нетронутых камер. 85,86 Кроме того, логистическим отраслям необходимы правила, регулирующие хранение аккумуляторов в транспортных логистических центрах. 85 Требуются предварительные исследования по транспортировке и хранению ячеек BOL, особенно в отношении вероятности происшествий, связанных с безопасностью, в зависимости от SOC. Производство, транспортировка, логистика и переработка требуют дальнейших исследований по оценке рисков и мерам по снижению рисков при транспортировке поврежденных или дефектных ячеек для утилизации, переработки и второй жизни.

Повторное использование, переработка или утилизация аккумуляторных систем может создать значительные электрические, термические, химические и пожарные риски и потребовать значительного ручного труда для частичной или полной разборки. Эти проблемы можно уменьшить, если при разработке аккумуляторных блоков и систем учитывать эти этапы конечного продукта. В настоящее время это необычная практика. Конструкция аккумуляторного модуля с «жизненным циклом» позволит автоматизировать разборку с помощью роботов, а также увеличит скорость повторного использования аккумуляторов или восстановления материала. Это, в свою очередь, улучшит экологичность и возможность вторичной переработки аккумуляторов. 87,88

Исследования помогают повысить пожарную безопасность LIB. Здесь мы проводим мета-обзор 13 наиболее актуальных обзорных статей, связанных с пожарами LIB, чтобы определить текущее состояние исследований. Мы выделяем области исследований, а не конкретные результаты какого-либо исследования, и поэтому мы в первую очередь ссылаемся на обзорные статьи, а не на отдельные статьи. Чтобы понять важность каждой области исследования, мы подсчитываем количество статей, включенных в каждый обзор, по причинам пожара, масштабам и слоям защиты.Эти статистические данные представлены на рис. 6.

Увеличить

Уменьшить

Сбросить размер изображения

Рисунок 6. Мета-обзор 13 наиболее релевантных обзорных статей, найденных в научной литературе. Анализируются причины возгорания, накипи и защитные слои, рассмотренные в каждой обзорной статье. Значение на каждом графике относится к проценту ссылок в каждой обзорной статье. A Причины возгорания: (M) механическое повреждение, (E) нарушение электрического тока, (T) термическое воздействие, включая самонагрев, и (I) внутреннее короткое замыкание. C Слои защиты: (P) предотвращение, (D) обнаружение, (S) подавление и (C) разделение.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ
Изображение высокого разрешения

Мы обнаружили, что количество исследований, посвященных масштабам компонентов и ячеек, намного больше, чем количество исследований масштабов модулей и упаковок. В самом деле, повышение безопасности компонентов и элементов имеет важное значение для защиты от пожаров. Однако поведение крупногабаритных пакетов LIB при возгорании отличается от поведения отдельной ячейки.Результаты стратегий противопожарной защиты также различаются в зависимости от масштаба, в котором они изучаются. Например, для тушения пожаров LIB исследований на уровне ячеек недостаточно 89,90 , а эксперименты с пожарами LIB должны проводиться на уровне групп.

Как подчеркнуто во введении и показано на рис. 2, важны все четыре уровня противопожарной защиты. Мы обнаружили, что большинство исследований сосредоточено на профилактике, и только 5% исследований исследуют другие уровни защиты.Почти все текущие исследования в области обнаружения основаны на BMS, и лишь в нескольких статьях исследуется использование других датчиков. Исследования по разделению сосредоточены только на тепловых барьерах. Лишь несколько статей исследуют пожаротушение LIB, причем существующие делают упор на спринклерную защиту складских помещений и не договариваются о том, какие средства пожаротушения эффективны для предотвращения повторного возгорания.

Следовательно, дополнительные исследования должны быть сосредоточены на весах модулей и упаковок, чтобы лучше понять динамику пожара в крупном масштабе и улучшить противопожарную защиту, сочетающую отсеки, обнаружение и подавление.Дальнейшие результаты по каждому слою представлены ниже.

Профилактические исследования

Профилактический слой направлен на предотвращение возгорания LIB. Это первый и самый важный уровень защиты. Чтобы сделать эффективную профилактику, первым шагом является понимание фундаментальных механизмов возгорания LIB, а затем разработка соответствующих стратегий, позволяющих избежать триггеров.

Во многих исследованиях 91,92 анализировалось поведение LIB и их компонентов при повышенных температурах, и во многих обзорах 3,68 уже подробно представлено то, что известно о механизмах отказа LIB.Здесь мы суммируем основные процессы с акцентом на пожарную безопасность. Основываясь на физике, мы классифицировали процессы выделения тепла на три стадии: джоулева нагрев, разложение и горение.

Во время электрических циклов LIB часть энергии выделяется в виде тепла из-за импеданса ячейки, известного как джоулева нагрев. 48 Одним из крайних случаев является создание короткого замыкания, при котором большая часть накопленной энергии может выделяться в виде тепла, быстро повышая температуру батареи.Было опубликовано множество исследований по разработке электрохимических моделей для описания этой фазы. 3

Когда температура LIB достигает определенного уровня, реактивные компоненты LIB начинают выделять тепло из-за протекания цепи экзотермических реакций, то есть разложения твердого электролита между фазами (SEI), разложения электрода и разложения электролита, приводящего в движение температура еще выше. 68 Это этап декомпозиции. На этой стадии реакции происходят между твердой и жидкой фазами, образуя различное газообразное топливо 91 в диапазоне от 100 ° C до 200 ° C.Был проведен ряд экспериментальных исследований 68,93 с использованием адиабатической калориметрии, то есть калориметрии с ускорением (ARC) и дифференциальной сканирующей калориметрии (DSC), для изучения тепловых характеристик отдельного компонента или связанных компонентов. Было обнаружено, что цепь экзотермических реакций начинается с разложения слоя SEI, 3 , который представляет собой тонкий пассивирующий слой, образующийся на электродах. Слой SEI разлагается при температуре около 100 ° C, 3 подвергая внедренный литий в отрицательном электроде воздействию электролита, способствуя дальнейшим реакциям. Активные материалы положительного электрода также нестабильны и могут разлагаться при высокой температуре с выделением газов. 94 Электролит также имеет несколько экзотермических стадий при повышенной температуре. 91 Также было разработано несколько химических моделей для анализа стадии разложения. 95

Когда температура повышается еще больше, избыточное давление из-за образования газа может разрушить внешнюю оболочку LIB, смешиваясь с кислородом снаружи и образуя горючую смесь. 96 Когда смесь воспламеняется, это приводит к стадии горения, которая включает реакции горения, пламя и динамику пожара. Этот этап пока в основном изучается экспериментально. 97 Огнестойкость LIB изучена как на уровне ячейки, так и на уровне упаковки. 96,98 Одна ячейка может гореть струйным или плавучим пламенем, а время ее горения составляет около 20 с. 98 Батарейный блок может иметь несколько струйных пламен 96 , в то время как период горения составляет порядка 300 с (или дольше, если происходит повторное зажигание). SOC оказывает значительное влияние на поведение при пожаре; 99 ячейки с более низким SOC горят в течение более короткого времени и с более слабым пламенем.

Доступны некоторые исследования, посвященные разработке вычислительных моделей для понимания и прогнозирования теплового разгона. Hatchard et al. 100 и Kim et al. 95 являются пионерами в разработке схемы многоступенчатой ​​реакции, которая является центром многих компьютерных исследований. Используя эту схему реакции и соответствующие параметры кинетики, было исследовано влияние геометрии ячейки 101 и материала катода 102 на тепловой разгон.Недавно Ren et al. 103 Компания предложила новую схему реакции, которая учитывает взаимодействие между анодом, катодом и электролитом для LIB при 100% SOC. Тепловой разгоном, вызванный механическим воздействием, был предметом недавних исследований с использованием подходов моделирования. 104 Эффект старения был изучен Abada et al. , 105 , которые, комбинируя эксперименты и моделирование, обнаружили, что календарное старение снижает критическую температуру для теплового разгона и задерживает начало саморазогрева.

Для эффективного предотвращения воспламенения существует несколько стратегий управления каждой из уже описанных стадий, особенно для стадий джоулева нагрева и разложения. Эти стратегии можно разделить на: управление тепловыделением или усиление отвода тепла. Управление тепловыделением включает снижение джоулева тепла, тепла разложения и тепла сгорания. Джоулевым теплом можно управлять, избегая коротких замыканий. Например, использование прокладок или изолирующих материалов для размещения ячеек во избежание механического или электрического воздействия.Даже в случае короткого замыкания джоулева теплота может быть уменьшена с помощью внутренней конструкции безопасности 106 , такой как PTC, окислительно-восстановительные клапаны и отключение сепараторов для уменьшения или отключения тока при повышении температуры. Теплоту разложения можно контролировать с помощью различных материалов. Переход к системам с более низким напряжением, таким как LMO / LTO, или использование более термостойких катодов (например, LFP вместо LCO) может повысить безопасность за счет плотности энергии и стоимости. 106 Полностью твердотельные литий-ионные батареи предлагают более широкий диапазон рабочих температур, а также повышают безопасность и повышают удельную энергию.Тем не менее, остаются ключевые проблемы, такие как изменение объема электродов, сопротивление межфазной передаче заряда, гибкость и устойчивость к циклам. Несмотря на достижения в гибкости формы и контакте с электродами, достигнутые с помощью твердых полимерных электролитов, 21 эти системы ограничены с точки зрения окон электрохимической стабильности и ионной проводимости при комнатной температуре. 107 Если материалы для основных компонентов не могут быть изменены по требованию потребителя, безопасность также может быть повышена путем нанесения поверхностного покрытия на электроды.Покрытие поверхности может предотвратить прямой контакт электродов с электролитом, улучшить стабильность структуры и уменьшить побочные реакции. 3 Добавление антипиреновых добавок в электролит также является эффективным способом повышения безопасности материала и снижения теплоты разложения. 108 Эта стратегия также снижает количество газов, образующихся при высокой температуре, и увеличивает температуру начала цепных реакций. 68 Теплоту сгорания можно контролировать, используя более безопасные материалы с меньшей пожарной нагрузкой.Предохранительные отверстия могут управлять внутренним давлением и контролировать направление выброса газа во время аварии, что помогает отложить стадию сгорания.

Другой основной стратегией предотвращения пожаров LIB является усиление отвода тепла. В основном это достигается за счет внедрения активных или пассивных методов, которые увеличивают теплопередачу между батареями и окружающей средой. Для электромобилей BMS используется для мониторинга состояния батарей и окружающей среды. 68 BMS обычно оснащается системой охлаждения, которая обеспечивает диапазон температур для правильной работы батареи.Один из наиболее часто используемых методов — воздушное охлаждение (принудительная конвекция). Жидкости имеют более высокий коэффициент теплопередачи и, следовательно, более высокую эффективность охлаждения. Однако увеличение веса из-за системы жидкостного охлаждения увеличивает нагрузку и затраты. PCM — это альтернативный метод управления температурой. Обычно они обладают большим скрытым теплом, что позволяет сохранять тепло. Для батарей с низкой плотностью энергии (бытовая электроника) в основном используется пассивное охлаждение из-за строгих требований к весу этих портативных устройств.В этом случае в основном используется естественная конвекция воздуха. Тепловые трубки также могут использоваться для немного более высокой тепловой нагрузки.

Исследование отсеков

Если слой предотвращения дает сбой, отсеивание является ключевым уровнем для защиты от пожаров LIB, сдерживая или задерживая распространение огня внутри аккумуляторной батареи. Это уменьшает повреждения и дает больше времени для эвакуации и аварийного реагирования.

В распространении огня LIB внутри упаковки преобладает теплопередача. Существует три основных пути теплопередачи: теплопроводность через поверхность ячейки, теплопроводность через полюсный соединитель (выступы), а также тепловое излучение и конвекция от пламени. 68 Feng et al. 3 обнаружили, что тепло, передаваемое через поверхность элемента, примерно в 10 раз больше, чем тепло, передаваемое через полюсный соединитель. Саид и др. 74 исследовали распространение огня в массивах ячеек в воздухе и атмосфере азота. Результаты показывают, что скорость распространения в воздухе с пламенем в 9 раз выше, чем скорость распространения в азоте без пламени. Кроме того, расположение ячейки, которая инициирует сбой в модуле, 109 соединений (последовательных или параллельных), 110 , фактор ячейки 110 и SOC 111 являются важными факторами распространения пожара.

Стратегии ограничения распространения огня LIB включают препятствование путям теплопередачи к соседним ячейкам и улучшение рассеивания тепла ячейками. Самый простой способ затруднить передачу тепла — увеличить расстояние между ячейками, что может замедлить распространение. Расстояние 2 мм рекомендуется Lopez et al. для цилиндрических ячеек. 112 Разделение может быть достигнуто путем разделения аккумуляторной батареи на несколько отсеков с помощью барьеров между элементами.Было предложено несколько стратегий, таких как многослойный тепловой барьер Tesla, 113 огнестойких пластин, 114 металлических пластин, 114 теплопроводных пластин 114 и ПКМ 115 . Hermann et al. 113 Компания изобрела многослойный тепловой барьер, сделанный из композитного материала, содержащего теплоизоляционные и электрические материалы. Барьер разделяет аккумуляторную батарею на несколько отсеков и снижает теплопередачу и механическое воздействие между отсеками.Бердичевский и др. 114 предложила использовать негорючие плиты для разделения на отсеки, такие как керамический картон, который имеет очень низкую теплопроводность. Другой метод уменьшения распространения огня — использование металлической пластины 114 в качестве теплоотвода между модулями. Тепловая масса пластины и сопротивление теплового контакта между элементом и пластиной являются двумя важными факторами, влияющими на уменьшение распространения огня. 116 Ли и др. 117 изучал влияние двухслойной нержавеющей стали, вспучивающегося материала и керамического фибрового картона, вставленных в зазоры между ячейками в качестве физических барьеров для уменьшения распространения огня в отсеке из 9 ячеек.Результаты показали, что ни один из этих физических барьеров не останавливает распространение огня между отсеками, но замедляет скорость распространения, причем керамический картон является наиболее эффективным. Использование материалов с фазовым переходом (PCM) 115 — еще один эффективный метод предотвращения распространения огня. Недавнее исследование 115 показывает один случай распространения огня, начиная с остановки ячейки, когда ячейки окружены ИКМ. PCM, такой как парафиновый воск, имеет высокую скрытую теплоту плавления и может поглощать тепло при тепловом разгоне.Однако ПКМ может быть горючим, что увеличивает пожарную нагрузку, является дорогостоящим и увеличивает массу упаковки. 118

Для улучшения отвода тепла от ячеек основной технологией является вентиляция. 68 Feng et al. 3 и Liao et al. 108 также предложили системы терморегулирования аккумуляторных батарей, такие как воздушное и жидкостное охлаждение и тепловые трубы, которые будут использоваться для предотвращения распространения огня, но ни один из этих методов не был изучен для разделения на отсеки.Стратегии разделения во время транспортировки отличаются от стратегий разделения, используемых внутри аккумуляторной батареи, чтобы избежать распространения огня. Текущая стратегия разделения во время транспортировки заключается в использовании герметичного противопожарного отсека для LIB. Например, в Boeing Dreamliner 119 в качестве отсека использовался бокс из нержавеющей стали с толщиной стенок 3 мм. Это гарантирует, что даже в случае возгорания батареи он не может распространиться на другие отсеки на борту самолета.

Обнаружение неисправностей

Раннее обнаружение отказа, теплового разгона или возгорания имеет решающее значение.Батареи могут быстро воспламениться, например, в случае механического или электрического повреждения. Методы обнаружения можно разделить на пять категорий: 108 i) напряжение на клеммах с использованием BMS; ii) выделяются необычные газы; iii) внутренняя температура батареи; iv) изменения тока как признак короткого замыкания; и v) механическая деформация с использованием тензометрических датчиков. 120

Наиболее широко используемый метод обнаружения — это сочетание напряжения на клеммах (i) и температуры (iii).BMS батарей имеет встроенные датчики, которые можно использовать для контроля температуры поверхности и напряжения каждой ячейки внутри батареи. При обнаружении любого ненормального сигнала BMS выдает предупреждение. 108 BMS может улучшить рассеивание тепла за счет управления температурой, избегая перегрева элемента, а также обнаруживая неисправный элемент в аккумуляторной батарее. Однако BMS не реагирует достаточно быстро, чтобы обнаружить начальные стадии, ведущие к тепловому разгоне. Внутренние температуры, измеряемые с помощью специальных встроенных датчиков, имеют более высокую точность, чем измерения температуры поверхности, для прогнозирования теплового разгона, но они добавляют высокую стоимость, а также усложняют комплект.

Датчики газа могут использоваться для обнаружения инициализации теплового разгона. Они быстрее, чем методы измерения напряжения или температуры, поскольку накопление исходных газов часто предшествует любым значительным изменениям сигналов напряжения или температуры. Однако это увеличивает сложность и стоимость, а неисправности могут вызывать ложные срабатывания. Использование извещателей тепла, дыма или газа актуально для всех аккумуляторных производств. Например, газоанализаторы рекомендуются для стационарных систем хранения энергии в закрытых помещениях, поэтому они предупреждают о скоплении горючих газов. 121

Мониторинг ползучести батарей зависит от деформации внешней механической структуры батареи, и он может ненадежно обнаружить начало разгона.

Исследование подавления

Подавление является основным уровнем защиты, если превентивные меры не срабатывают. Существует четыре подхода к тушению пожаров: тушение, охлаждение, химическое тушение или изоляция огня. 68 Многие реакции, приводящие к возгоранию в батарее, не требуют подачи кислорода извне, поскольку кислород присутствует в ее компонентах.Это делает удушающий подход не очень эффективным. Охлаждение батареи постоянным водяным туманом — многообещающий подход к тушению пожаров LIB. 68 Однако это также может повлиять на целостность электрических цепей, поскольку вода может вызвать внешнее короткое замыкание и дальнейшее воспламенение или распространение теплового разгона. Обычные огнетушители не подходят для остановки тепловых неуправляемых реакций внутри LIB. Доказано, что они эффективны только для тушения открытого огня вне батареи, когда температура поверхности батареи снижается.Было показано, что добавление добавок (например, C6F-кетона) улучшает тушение пожара, но при воздействии высоких температур они производят HF, который является чрезвычайно токсичным и коррозионным и поэтому представляет опасность для любого аварийного персонала. 68 Кроме того, было также замечено, что пожар в батарее может возобновиться после первоначального тушения из-за того, что экзотермические химические процессы внутри элементов продолжаются, и поэтому подавляющие агенты должны быть повторно применены даже после первого тушения. 68

Исследования методов тушения пожаров аккумуляторных батарей находятся на начальной стадии и еще далеко от оптимального решения для эффективного и безопасного тушения пожаров аккумуляторных батарей без образования токсичных газов, поэтому необходимы дальнейшие работы. 68

Ключевые технологии защиты

В качестве обзора в таблице II показаны текущие ключевые технологии, используемые для различных уровней защиты. Технологии профилактики являются комплексными и хорошо разработаны для повышения безопасности клеток.Методы модификации катода 68 для улучшения его термической стабильности включают покрытие поверхности, такое как фосфат, фторид и твердый оксид, и замену элементов с использованием Ni и Al для замены Co. Что касается модификаций анода, метод покрытия поверхности 68 также является рекомендуется использовать тонкий слой Al 2 O 3 на аноде в качестве нестабильного слоя SEI. Добавки к электролиту были рассмотрены Feng et al., 3 , включая добавки-заменители растворителей, вспомогательные добавки SEI, антипиреновые добавки, добавки для теплового отключения и добавки для защиты от перезаряда.Все эти добавки могут помочь улучшить внутреннюю безопасность клеток. 122 Защитные устройства, такие как устройство с положительным температурным коэффициентом (PTC) и предохранительный клапан, могут защитить от перегрузки и избыточного давления соответственно. 68 BMS — отличное устройство для противопожарной защиты с функциями предотвращения, разделения и обнаружения. Ключевыми функциями BMS являются оценка состояния ячеек, выравнивание заряда батареи, диагностика, контроль заряда и разряда, управление температурой и контроль безопасности батареи. 93 Система управления температурой использует охлаждающую среду, будь то воздух, жидкость или материал с фазовым переходом (PCM), для рассеивания тепла, в зависимости от конструкции блока. Воздушное охлаждение — самый простой, но и наименее эффективный метод охлаждения. Хотя жидкостное охлаждение имеет более высокую эффективность, его применение также может создавать температурные градиенты. 93 Система терморегулирования и функция оценки состояния элементов помогают предотвратить сбой. Что касается уровней обнаружения и разделения, BMS также может помочь в обнаружении неисправности на ранней стадии, поскольку она отслеживает температуру и напряжение.Он также может улучшить рассеивание тепла, чтобы замедлить распространение огня, когда меры предотвращения не сработали.

Таблица II.
Текущие ключевые технологии, используемые для различных уровней защиты. 68 Профилактические технологии являются комплексными и разработаны для повышения безопасности клеток. Для сравнения, технологии разделения, обнаружения и тушения, вдохновленные традиционной пожарной техникой, менее эффективны при пожаре аккумуляторных батарей.

Защитные слои Масштаб Ключевые технологии
Профилактика Деталь, ячейка, модуль, упаковка Модификация катода и анода, добавка к электролиту, сепаратор отключения или с керамическим покрытием, устройство с положительным температурным коэффициентом, вентиляционные отверстия, система управления аккумулятором.
Отсек Модуль, в упаковке Барьеры, система управления аккумулятором, герметичный металлический контейнер.
Обнаружение Ячейка, модуль, в упаковке Система управления батареями (напряжение, температура, деформация), различные датчики (тепло, дым, выделение газов).
Подавление Ячейка, модуль, в упаковке Удушение, охлаждение, химическое подавление, изоляция.

В то время как профилактическим мерам уделялось много внимания, что привело к новым научным открытиям в материалах и компонентах аккумуляторных батарей, технологии разделения, обнаружения и тушения основаны на традиционных технологиях пожаротушения, которые менее эффективны при пожарах LIB и требуют дальнейшего изучения.

Промышленность и исследовательские институты разделяют общую цель производства более безопасных аккумуляторов, но между их подходами есть четкие различия. Промышленность придерживается подхода «сверху вниз» с упором на конкретные вопросы в более крупных масштабах, в то время как исследования, как правило, следуют подходу «снизу вверх», уделяя особое внимание фундаментальному пониманию явлений с упором на более мелкие масштабы. Объединение двух сообществ раньше, чем позже, может оказаться решающим для решения проблем безопасности LIB.Наши выводы наглядно представлены на рис. 7.

Увеличить

Уменьшить

Сбросить размер изображения

Рисунок 7. Краткое изложение выводов мета-обзора в виде диаграммы Венна, объединяющей пять промышленных проблем и вклад исследований в четыре уровня защиты.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ
Изображение высокого разрешения

Во время испытаний на безопасность и сертификации предприятия понимают, что отсутствует согласованность в способах злоупотребления, что приводит к тепловому выходу из-под контроля.Не существует репрезентативных и повторяемых методов для всех соответствующих видов отказов, и многие методы испытаний не репрезентативны для отказов в полевых условиях. Существует множество разногласий по поводу наилучшего способа вызвать тепловой сбой. Несмотря на то, что существует несколько признанных международных стандартов для каждой отрасли, в которой используются LIB, основная проблема, которую разделяют все отрасли, заключается в том, что доступные стандарты не всегда отражают реальные сценарии. Дальнейшие разногласия можно найти в критериях соответствия / несоответствия в различных стандартах для теплового разгона.Необходимы дополнительные исследования, чтобы сначала понять, как возникает внутреннее короткое замыкание в батарее, прежде чем можно будет определить метод его надежного воспроизведения. Для предотвращения теплового разгона в масштабе блока необходима разработка более отказоустойчивых, отказоустойчивых или отказоустойчивых систем. Тем не менее, в отрасли нет единого мнения по поводу безопасных систем и методологий, основанных на характеристиках. Хотя это можно отнести к широкому спектру приложений, охватываемых этими стандартами, требуется согласование.Существующие правила, стандарты и комитеты обеспечивают ценную основу для обмена знаниями и опытом в отраслях, использующих LIB.

Стандарты и правила пожарной безопасности LIB были в некоторой степени гармонизированы для транспортных отраслей, но все еще существуют значительные различия между видами транспорта и между регионами, что увеличивает затраты и препятствует инновациям. Не существует установленных правил и стандартов для хранения в логистических центрах, которые особенно необходимы для дефектных, возможно поврежденных или устаревших ячеек.

Распространение огня между ячейками является основной проблемой. Для противопожарного отсеивания необходимы два подхода. Во-первых, необходимо найти новый химический состав или конструкцию батарей, которые не вызывают теплового разгона и, следовательно, не требуют смягчения последствий. Во-вторых, допуская, что может произойти тепловой сбой, необходимо разработать технологии разделения для предотвращения распространения и меры адаптивного управления для обнаружения теплового разгона. Эти методы могут быть основаны на комбинации сигналов напряжения, тока или температуры, т.е.е. измерения реализованы в BMS. Также оправданы дальнейшие исследования по разработке других методов обнаружения, таких как датчик газов, тепла или пламени.

Еще одна проблема — это масштабы большинства экспериментов. Мы обнаружили, что количество исследований, посвященных масштабам компонентов и ячеек, намного больше, чем исследований, посвященных масштабам модулей и упаковок. Повышение безопасности компонентов и ячеек является важным, но недостаточным, поскольку невозможно полностью исключить возможность случайного возгорания LIB.Уроки, извлеченные из исследований, проведенных в масштабе компонентов, не обязательно переносятся в масштаб группы, потому что на динамику пожара влияет масштаб (более крупные пожары выделяют больше тепла и распространяются быстрее). Необходимы дополнительные исследования в масштабах упаковки и системы, чтобы понять развитие пожара при его максимальной интенсивности и разработать более надежные защитные слои. Оправданы дальнейшие исследования того, как можно интегрировать знания на каждой шкале. Требуется многомасштабный исследовательский подход, поскольку пожарная безопасность LIB включает множество масштабов.

Необходимы дальнейшие исследования во всех четырех уровнях пожарной безопасности — предотвращение, обнаружение, разделение и тушение. Мы обнаружили, что большинство исследований сосредоточено на профилактике, и очень мало исследований посвящено изучению других уровней защиты. Почти все текущие исследования в области обнаружения основаны на BMS, и лишь в нескольких статьях исследуются другие датчики. Исследования по разделению сосредоточены только на тепловых барьерах. Лишь несколько статей исследуют тушение пожаров LIB, показывая, что нет единого мнения о том, какие средства пожаротушения эффективны при пожарах LIB.Учитывая текущую обеспокоенность промышленности и заинтересованных сторон возгоранием, раннее обнаружение, надежное разделение и эффективное подавление пожаров заслуживают более пристального внимания исследований. Мы настоятельно рекомендуем, чтобы отрасли LIB использовали более комплексные стратегии противопожарной защиты, объединяющие все четыре уровня. Таким образом, безопасность LIB обязательно улучшится.

Научные исследования увеличат свое непосредственное влияние за счет использования реальных промышленных данных в качестве основы для разработки новых подходов к безопасности батарей. Отсутствие статистических данных о пожарах на международном уровне по инцидентам с LIB можно было бы смягчить путем создания единого международного органа, представляющего все основные отрасли, использующие LIB, ответственного за содействие обмену информацией и гармонизацию стандартов и правил во многих отраслях.Международные профессиональные синдикаты, такие как Recharge (отраслевая ассоциация передовых перезаряжаемых литиевых батарей) в ЕС и PRBA (Ассоциация перезаряжаемых батарей) в США, действительно существуют для предоставления руководящих указаний.

Чтобы закрыть пробелы, обнаруженные в этом мета-обзоре, и ускорить появление большего количества решений безопасности LIB, мы рекомендуем более тесное сотрудничество между сообществами по безопасности батарей и пожарной безопасности, которое при поддержке основных отраслей может способствовать улучшениям, интеграции и гармонизация пожарной безопасности по секторам.

Более чистая мобильность: управление температурным режимом аккумуляторной батареи

Как управление температурным режимом аккумуляторной батареи влияет на характеристики электромобиля?

В основе электромобиля лежит электрическая батарея, на которую сегодня приходится 40% стоимости автомобиля. Производительность и долговечность любого электромобиля во многом зависят от условий, влияющих на его аккумулятор. Сегодня ассортимент таких автомобилей зависит от погоды, и на него негативно влияют очень жаркие или очень холодные условия.Время, необходимое для зарядки аккумулятора, также является серьезной проблемой для владельцев и пользователей электромобилей. Помимо систем трансмиссии, Valeo использует свой опыт в области управления температурным режимом аккумуляторных батарей — области, в которой она является мировым лидером, — для продвижения разработки электромобилей.

Управление температурным режимом аккумуляторной батареи — серьезная проблема для электромобилей

Как и в случае с человеческим телом, рабочая температура батареи всегда должна контролироваться, защищаться и поддерживаться на оптимальном уровне.Если он слишком холодный, он не работает на полную мощность. А если градусник поднимется слишком высоко, он может даже загореться. Управление температурой батареи обеспечивает более длительный срок службы, поддерживая температуру ячеек в диапазоне от 15 ° до 45 ° C во время хранения, работы и зарядки. Valeo располагает всеми технологиями, необходимыми для охлаждения или нагрева аккумуляторов и поддержания их температуры под контролем.

Инновации, доказавшие свою ценность при испытании электромобилей в реальных условиях

Время зарядки и температура наружного воздуха напрямую влияют на производительность аккумулятора, который подвержен значительным колебаниям температуры.

При подключении к терминалу быстрой зарядки аккумулятор нагревается выше обычного предела и, следовательно, требует большего охлаждения. В Valeo это заставило нас внести некоторые изменения в наш контур кондиционирования воздуха, который одновременно охлаждает аккумулятор и обеспечивает кондиционирование воздуха в салоне. Цель состоит в том, чтобы найти правильный баланс энергии между кабиной и аккумулятором. Например, при охлаждении аккумулятора контур кондиционирования рекуперирует тепло, которое при необходимости может передавать в кабину.

Зимой при низких температурах на улице может потребоваться предварительный нагрев аккумулятора для обеспечения эффективного ускорения и быстрой зарядки.Это можно сделать с помощью специального высоковольтного компонента, который нагревает жидкость, циркулирующую в теплообменнике аккумуляторной батареи.

Инновации, признанные автопроизводителями

Системы терморегулирования аккумуляторной батареи Valeo расширяют ассортимент электромобилей. На сегодняшний день они получили заказов на сумму 2 миллиарда евро. В результате к 2022 году каждый третий автомобиль в Европе будет оснащен одной из наших тепловых систем.

В 2019 году Valeo подписала крупные контракты на системы терморегулирования аккумуляторных батарей с производителями автомобилей в Европе, Японии и Китае.В то же время у нас есть высоковольтная электрическая система обогрева, которая запускается в серийное производство на крупнейшей в мире платформе электромобилей для ведущего немецкого бренда.

В 2020 году Valeo будет поставлять системы охлаждения аккумуляторных батарей для платформ электромобилей большого объема, в том числе от ведущего немецкого автопроизводителя. И на этом не останавливается. Valeo скоро предложит тепловые модули для модернизации. Это означает, что существующие автомобили также смогут воспользоваться последними достижениями в технологии охлаждения, в зависимости от желаемой скорости зарядки автомобиля.Интеллектуальное управление всеми системами терморегулирования обеспечивает оптимальную производительность аккумулятора (как на этапе зарядки, так и на этапе эксплуатации), обеспечивая при этом длительный срок службы.

Системы охлаждения электромобилей

В этом руководстве представлен обзор способов охлаждения литий-ионных аккумуляторных батарей и оценка того, какая система охлаждения аккумулятора является наиболее эффективной на рынке.

Обсуждает:

  • Важность терморегулирования батареи
  • Четыре разные системы охлаждения:
    • Материал фазового перехода (PCM)
    • Ребристое охлаждение
    • Воздушное охлаждение
    • Жидкостное охлаждение (прямое и косвенное)
  • Оценка того, какая система охлаждения самая эффективная
  • Требования к жидким теплоносителям в различных системах

СКАЧАТЬ БЕСПЛАТНО

5 РАЗЛИЧИЙ МЕЖДУ ДВИГАТЕЛЯМИ EV И КОНДИЦИОНЕРАМИ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Система управления температурным режимом электромобиля

Важность системы охлаждения

Несмотря на то, что в аккумуляторных батареях для электромобилей были сделаны усовершенствования, которые позволяют им обеспечивать большую мощность и требовать менее частой зарядки, одной из самых больших проблем, которые остаются для безопасности аккумуляторов, является возможность разработать эффективную систему охлаждения.

В электромобилях при разрядке аккумулятора выделяется тепло; чем быстрее вы разряжаете аккумулятор, тем больше тепла он выделяет.

Батареи работают по принципу разности напряжений, и при высоких температурах электроны внутри становятся возбужденными, что уменьшает разницу в напряжении между двумя сторонами батареи. Поскольку аккумуляторы предназначены только для работы между определенными крайними температурами, они перестанут работать, если отсутствует система охлаждения, поддерживающая их в рабочем диапазоне.Системы охлаждения должны поддерживать температуру аккумуляторной батареи в диапазоне примерно 20-40 градусов по Цельсию, а также поддерживать минимальную разницу температур внутри аккумуляторной батареи (не более 5 градусов по Цельсию).

Если существует большая внутренняя разница температур, это может привести к разной скорости заряда и разряда для каждой ячейки и ухудшить характеристики аккумуляторного блока.

Потенциальные проблемы с термической стабильностью, такие как снижение емкости, тепловой разгон и пожар, могут возникнуть, если аккумулятор перегревается или если в аккумуляторном блоке наблюдается неравномерное распределение температуры.Перед лицом опасных для жизни проблем с безопасностью в отрасли электромобилей постоянно появляются инновации, направленные на улучшение системы охлаждения аккумуляторных батарей.

Системы охлаждения электромобилей

Какая система охлаждения лучше всего работает в электромобилях?

Системы управления температурным режимом аккумуляторных батарей все еще являются предметом тщательных исследований, и то, что мы знаем о них, будет меняться и развиваться в ближайшие годы, поскольку инженеры продолжают переосмысливать принцип работы наших автомобильных двигателей.

Существует несколько способов охлаждения аккумулятора электромобиля — с помощью материала с фазовым переходом, ребер, воздуха или жидкого хладагента.
  1. Материал с фазовым переходом поглощает тепловую энергию, переходя из твердого состояния в жидкое. При изменении фазы материал может поглощать большое количество тепла с небольшим изменением температуры. Системы охлаждения материала с фазовым переходом могут удовлетворить требования к охлаждению аккумуляторной батареи, однако изменение объема, которое происходит во время фазового перехода, ограничивает ее применение.Кроме того, материал с фазовым переходом может только поглощать выделяемое тепло, но не отводить его, а это означает, что он не сможет снизить общую температуру, как и другие системы. Хотя материалы с фазовым переходом не подходят для использования в транспортных средствах, они могут быть полезны для улучшения тепловых характеристик в зданиях за счет уменьшения колебаний внутренней температуры и снижения пиковых нагрузок охлаждения.

  2. Ребра охлаждения увеличивают площадь поверхности для увеличения скорости теплопередачи. Тепло передается от аккумуляторной батареи к ребру посредством теплопроводности и от ребра к воздуху посредством конвекции.Ребра обладают высокой теплопроводностью и могут обеспечивать охлаждение, но при этом добавляют большой дополнительный вес рюкзаку. Использование ребер нашло большой успех в электронике, и традиционно они использовались в качестве дополнительной системы охлаждения на транспортных средствах с двигателями внутреннего сгорания. Использование ребер для охлаждения аккумулятора электромобиля вышло из употребления, поскольку дополнительный вес ребер перевешивает преимущества охлаждения.

  3. Воздушное охлаждение использует принцип конвекции для отвода тепла от аккумуляторной батареи.Когда воздух проходит по поверхности, он уносит тепло, излучаемое упаковкой. Воздушное охлаждение простое и легкое, но не очень эффективное и относительно грубое по сравнению с жидкостным охлаждением. Воздушное охлаждение используется в более ранних версиях электромобилей, таких как Nissan Leaf. Поскольку электромобили в настоящее время используются все чаще, возникают проблемы с безопасностью, связанные с аккумуляторными блоками с чисто воздушным охлаждением, особенно в жарком климате. Другие производители автомобилей, такие как Tesla, настаивают на том, что жидкостное охлаждение — самый безопасный метод.

  4. Жидкие охлаждающие жидкости имеют более высокую теплопроводность и теплоемкость (способность удерживать тепло в форме энергии в своих связях), чем воздух, и поэтому работают очень эффективно и обладают такими преимуществами, как компактная структура и простота размещения. Из этих вариантов жидкие охлаждающие жидкости обеспечивают наилучшую производительность для поддержания аккумуляторной батареи в правильном температурном диапазоне и однородности. Системы жидкостного охлаждения имеют свою долю проблем безопасности, связанных с утечкой и утилизацией, поскольку гликоль может быть опасен для окружающей среды при неправильном обращении.Эти системы в настоящее время используются Tesla, Jaguar и BMW, и это лишь некоторые из них.

Исследовательская группа из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (США) и Национального исследовательского центра сетевых технологий распределения (Китай) сравнила четыре различных метода охлаждения пакетных литий-ионных ячеек: воздушное, непрямое жидкостное, прямое жидкостное и системы охлаждения ребер. . Результаты показывают, что система воздушного охлаждения требует в 2–3 раза больше энергии, чем другие методы, для поддержания той же средней температуры; система непрямого жидкостного охлаждения имеет самый низкий максимальный рост температуры; и ребристая система охлаждения добавляет около 40% дополнительного веса элемента, что имеет наибольший вес, когда четыре метода охлаждения имеют одинаковый объем.Непрямое жидкостное охлаждение является более практичной формой, чем прямое жидкостное охлаждение, хотя оно имеет несколько более низкую охлаждающую способность. ( Сравнение различных методов охлаждения литий-ионных аккумуляторных элементов )

Определяющими характеристиками системы охлаждения аккумуляторной батареи электромобиля являются температурный диапазон и однородность, энергоэффективность, размер, вес и простота использования (т. Е. Реализации, обслуживания).

Каждая из этих предлагаемых систем может быть спроектирована для достижения правильного температурного диапазона и однородности.Энергоэффективности добиться труднее, поскольку охлаждающий эффект должен быть больше, чем тепло, выделяемое при питании системы охлаждения. Кроме того, система со слишком большим дополнительным весом будет истощать энергию автомобиля, поскольку она выводит мощность.

Материал с фазовым переходом, вентиляторное охлаждение и воздушное охлаждение — все это не соответствует требованиям к энергоэффективности, размеру и весу, хотя их можно так же легко реализовать и поддерживать, как и жидкостное охлаждение. Жидкостное охлаждение — единственный оставшийся вариант, который не потребляет слишком много паразитной энергии, обеспечивает требования к охлаждению и компактно и легко помещается в аккумуляторную батарею.В литий-ионных батареях Tesla, BMW i-3 и i-8, Chevy Volt, Ford Focus, Jaguar i-Pace и LG Chem в той или иной форме используется система жидкостного охлаждения. Поскольку электромобили все еще являются относительно новой технологией, возникали проблемы с поддержанием диапазона температур и однородности при экстремальных температурах даже при использовании системы жидкостного охлаждения. Вероятно, это связано с производственными проблемами, и по мере того, как компании приобретают опыт разработки этих систем, необходимо решать проблемы управления температурным режимом.

В системах жидкостного охлаждения существует еще одно разделение на прямое и косвенное охлаждение — независимо от того, погружены ли элементы в жидкость или если жидкость перекачивается по трубам.
  1. В системах прямого охлаждения элементы аккумуляторной батареи находятся в непосредственном контакте с охлаждающей жидкостью. Эти схемы терморегулирования в настоящее время находятся на стадии исследований и разработок, и на рынке нет автомобилей, использующих эту систему. Прямого охлаждения добиться труднее из-за того, что требуется новый тип охлаждающей жидкости. Поскольку аккумулятор находится в контакте с жидкостью, охлаждающая жидкость должна иметь низкую проводимость или ее отсутствие.

  2. Системы косвенного охлаждения похожи на системы охлаждения ДВС, в которых жидкий хладагент циркулирует по металлическим трубам.Однако конструкция системы охлаждения электромобилей будет выглядеть иначе. Структура системы охлаждения, которая обеспечивает максимальную однородность температуры, зависит от формы аккумуляторной батареи и будет выглядеть по-разному для каждого производителя автомобиля.

Требования к жидким хладагентам

Обеспечение безопасности и эффективности охлаждающих жидкостей

Учитывая, что жидкостное охлаждение является наиболее эффективным и практичным методом охлаждения аккумуляторных блоков и в настоящее время наиболее широко используемым, необходимо уделить внимание типу охлаждающей жидкости, используемой в этих системах.

Непрямое жидкостное охлаждение

Системы непрямого жидкостного охлаждения для электромобилей и обычные системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания (ДВС) очень похожи: в обеих системах охлаждающая жидкость циркулирует по ряду металлических труб для передачи тепла от аккумуляторной батареи или двигателя. Следовательно, требования к охлаждающей жидкости для систем непрямого жидкостного охлаждения будут очень похожи на традиционные охлаждающие жидкости ДВС.

99% охлаждающей жидкости — это товар, такой как гликоль или полигликоль, но 1% -ный пакет присадок — это то, что отличает хорошую защиту двигателя от отличной защиты и производительности.При циркуляции жидкого хладагента по металлическим трубам важно защитить его от коррозии для обеспечения безопасности и производительности автомобиля.

Металл очень нестабилен, поэтому он, естественно, хочет реагировать с другими элементами, теряя электроны, чтобы перейти в более стабильное состояние. Коррозия возникает из-за того, что примеси в охлаждающей жидкости имеют на себе положительный заряд, поэтому они взаимодействуют с металлическими трубами и сдирают часть поверхности. Пакеты присадок можно смешивать с антифризом для образования охлаждающей жидкости, защищающей от ржавчины, накипи и коррозии.Пакеты присадок, используемые в транспортных средствах с ДВС, содержат ингибиторы коррозии для защиты многих типов металлов, содержащихся в системах охлаждения, таких как трубы, прокладки, соединения, радиатор и т. Д. Американское общество испытаний и материалов поддерживает стандарты, которым должны соответствовать охлаждающие жидкости для защиты от коррозия различных типов металлов. То, что в настоящее время известно о предотвращении коррозии в системах охлаждения двигателей внутреннего сгорания, можно легко применить к системе непрямого жидкостного охлаждения в электромобилях.

Прямое жидкостное охлаждение

Существуют различные требования к охлаждающей жидкости для систем прямого жидкостного охлаждения. В системах, где аккумулятор будет напрямую подвергаться воздействию охлаждающей жидкости, например, в транспортных средствах на топливных элементах или в системах с прямым жидкостным охлаждением, охлаждающая жидкость должна быть жидкостью с низкой проводимостью или без нее. Это будет сильно отличаться от обычных охлаждающих жидкостей ДВС, которые имеют высокую проводимость. Причина, по которой требуется низкая проводимость / отсутствие проводимости, связана с безопасностью: электроны проходят через батарею, и если они подвергаются воздействию жидкости с высокой проводимостью, это приведет к отказу и взрыву.Некоторыми примерами способов поддержания низкой проводимости охлаждающей жидкости являются использование деионизированной воды в качестве среды для текучей среды или наличие текучей среды, не содержащей соли. Эти охлаждающие жидкости с низкой и непроводимостью находятся на ранних стадиях исследований и разработок.

Охлаждение аккумуляторных батарей будущего для электромобилей

Исследования и разработка будущего охлаждения

Поскольку электромобили стали широко использоваться, существует большой спрос на более длительный срок службы батарей и более высокую выходную мощность.Чтобы достичь этого, системы терморегулирования аккумуляторной батареи должны иметь возможность отводить тепло от аккумуляторной батареи, поскольку они заряжаются и разряжаются с большей скоростью. Тепло, выделяемое при использовании аккумулятора, может представлять угрозу безопасности пассажиров. Из-за высоких нагрузок и температур, создаваемых аккумуляторными батареями, еще более важным является наличие правильного пакета охлаждающей жидкости и присадок. Хотя такие компании, как Tesla, BMW и LG Chem, могут использовать традиционный жидкий хладагент для своих систем непрямого охлаждения, для повышения безопасности электромобилей необходимо будет продолжать исследования и разработки в области аккумуляторных блоков и охлаждающих жидкостей.

ГОТОВЫ РАЗРАБОТАТЬ ЖИДКИЙ ОХЛАЖДАЮЩИЙ ЖИДКОСТЬ?

Если вы заинтересованы в разработке жидкой охлаждающей жидкости, обратитесь к ведущему поставщику антикоррозионных присадок, например Dober.

Проектирование и эксплуатация нетрадиционных наземных сооружений: советы по безопасности процесса

1 марта 2019 г.

Продолжая Совет месяца от августа 2018 года (TOTM) [1] по проектированию и эксплуатации нетрадиционных наземных сооружений, этот TOTM представляет советы по безопасности процесса для четырех тематических исследований:

1.Неисправности прожигания очистителя нагревателя с прямым нагревом

2. Газовые / пламегасители для покрытия резервуара

3. Вентиляционное отверстие / предохранительный трубопровод с карманами

4. Горячее смазывание резервуаров для хранения нефти в соответствии с TVP / RVP

Мы начинаем этот совет с цитаты коллеги Джеймса А. Бритча: «Я никогда не жалел о том, что купил качество». Там есть урок нетрадиционных батарей. Существует огромное давление, чтобы снизить капитальные затраты, но вы должны сосредоточиться на стоимости жизненного цикла. Если вы установили оборудование, а потом сожгли аккумулятор … вы не так много сэкономили. Имеется потеря капитала и доходов от остановленного производства.


Подключайтесь к подробному обсуждению рисков и решений, с которыми сталкиваются наземные объекты на нетрадиционных месторождениях, в среду, 27 марта, в 9:00 по центральному времени — зарегистрируйтесь здесь.


Практический пример безопасности процесса 1: Прогорание отказов очистного нагревателя с прямым нагревом

Горелки прямого нагрева выходят из строя из-за попадания внутреннего пламени непосредственно на сталь и накопления солей на внешней стороне дымовой трубы в технологических жидкостях.Соли накапливаются, действуют как изолятор, а затем температура стали повышается до тех пор, пока не произойдет прожог. Поскольку рабочая сторона горелки работает под более высоким давлением, чем горелка с естественной тягой, технологические жидкости попадают в горелку и воспламеняются. Во многих случаях это приводило к серьезным повреждениям всей батареи.

Рисунок 1 . Нагреватель, очиститель, пожарная трубка, неисправность

На рисунке 1 показано место прогорания из-за разрушения, которое происходит в 12-часовой части дымовой трубы горелки (опора сгорания).

Решения этой проблемы:

(1) Нагреватель косвенного нагрева, в котором технологическая жидкость протекает через змеевики в большей оболочке, окруженной жидким теплоносителем. Горелка с дымовой трубкой погружена в теплоноситель внутри той же оболочки.

а. Это решает проблему отказа от накопления солей, но не отказа от воздействия пламени.

г. Некоторые операторы используют гликоль в качестве теплоносителя. Это более дешевая альтернатива дорогим жидкостным теплоносителям, но гликоли разлагаются до уксусной кислоты, если температура кожуха пожарных труб превышает 350 ° F (177 ° C).Эти же операторы редко проверяют pH своего теплоносителя до тех пор, пока не будут обнаружены утечки и сильная коррозия. Масла-теплоносители — лучший выбор.

(2) Нагреватель прямого нагрева с керамической гильзой для выдерживания более высоких температур при воздействии прямого пламени. В нагревателях обычно используются керамические огнеупоры и кирпичи для предотвращения прямого попадания пламени. Как показано на рисунках 2 и 3, Bartz et al. [2] рекомендует вставлять керамическую трубку для распределения теплового потока пламени и предотвращения прожога.

Рисунок 2. Горелка с распределенным флюсом ALZETA [2]

Рис. 3. ALZETA, общая компоновка горелки с распределенным флюсом и нагнетателя [2]

(3) Лучшее решение: рассмотреть возможность использования отдельной печи и теплообменника с использованием масел-теплоносителей. Это решает обе проблемы. Масла-теплоносители предназначены для работы без разложения при требуемых температурах процесса, а температура металла в теплообменнике не вызовет разрушения металла, если на теплообменнике нет отложений солей.Это может потребовать периодической гидроабразивной обработки, но вам не придется восстанавливать батарею.

(4) Think Reliability предлагает бесплатный превосходный инструмент Excel для анализа первопричин (рис. 4).

https://www.thinkreliability.com/

Рисунок 4. КАРТА ПРИЧИНЫ отказов топочных трубок горелок в очистителях нагревателя

Пример безопасности технологического процесса 2: Газовые / пламегасители для покрытия резервуара [3]

Пламегасители

и газовая оболочка резервуара обеспечивают независимые уровни защиты между источником возгорания — факелом или термическим окислителем — и паровым пространством в резервуарах для воды и масла.При оценке того, что использовать в проекте, подумайте об использовании уровня анализа защиты или LOPA [3]. Этот инструмент обсуждается в курсе PetroSkills-John M Campbell PS4-Process Safety Course. Он обеспечивает полуколичественное решение проектных решений, основанное на частоте отказов, а не только на личных предпочтениях или интуиции. Чем больше независимых уровней защиты, тем ниже частота возникновения последствий.

f = (IEF) x PFD 1 x PFD 2 ….

Где:

f = Частота возникновения последствий для сценария

IEF = Частота исходного события

PFD = Вероятность отказа по запросу для независимого уровня защиты.

Например, вероятность того, что предохранительный клапан не будет работать должным образом.

Пламегасители

имеют вероятность отказа по запросу (PFD) в диапазоне 1×10 -1 для пламегасителей без индикаторов температуры и эффективной системы изоляции / останова, а газовая защита резервуара (BPCS-Basic Process Control System) имеет PFD из 1×10 -1 [3].Разработчик может использовать оба или оба уровня для обеспечения независимых уровней защиты. Пламегасители могут забиваться из-за обледенения, коррозии, засорения, ненадлежащего обслуживания или отсутствия обслуживания. В этой ситуации хорошо работает защитный газ из-за узкого диапазона воспламеняемости метана в воздухе (5-15% топлива по отношению к воздуху). Большинство инцидентов с резервуарами происходят во время работ по техническому обслуживанию с небольшими объемами газа и большими объемами воздуха.

Во время большого объема производства нетрадиционных резервуарных батарей, резервуары дегазируются и имеют «автоматическую заслонку» активного парового пространства резервуара.Но что будет в будущем, когда ставки будут очень низкими? Что происходит в резервуарах для воды без газовой защиты? Это также объясняет, почему резервуары для производства воды / аккумуляторы для нагнетания подвергаются возгоранию / взрывам. В общем, метан имеет очень низкую растворимость в воде — примерно 2 SCF / STB (0,36 Sm 3 / STm 3 ) воды при изменении от 250 фунтов на квадратный дюйм (1724 кПа) до атмосферного давления. Этот небольшой объем часто приводит к образованию легковоспламеняющихся смесей в паровом пространстве резервуара.

Рекомендуется выбирать защитное покрытие резервуара в качестве первой линии защиты, чтобы предотвратить внутреннюю коррозию резервуара и амины газового завода и технологическую коррозию / деградацию раствора ТЭГ, не допуская попадания кислорода в систему, а также внутренних взрывов в результате обратного пламени от факелов и термического воздействия. окислители.

Практический пример безопасности 3: заглушка вентиляционного / предохранительного трубопровода

Во многих нетрадиционных резервуарных батареях трубопроводы вентиляции / факела / термического окислителя проходят под уклоном на шпалах с нулевым уклоном, а затем прыгают вертикально в выемку для факела (см. Рисунок 5).Этот закрытый трубопровод является уловителем жидкости для воды и более тяжелых углеводородов. Как только образуется карман с жидкостью, в резервуарах создается избыточное давление, а затем происходит локальная вентиляция через их сбросы давления / вакуума и отводные люки. Зимой этот карман может замерзнуть и заблокировать факел (см. Рисунок 6). Это также может вызвать потерю герметичности, когда PSV активируется и не может снизить давление до факела. Это приводит к потере доходов, а также к проблемам с окружающей средой и безопасностью. Эти пары чрезвычайно богаты и обычно намного тяжелее воздуха.Это создает возможность взрыва неограниченного облака пара или локального вспышки пожара.

Рис. 5. Трубопровод с карманами вызывает избыточное давление в резервуарах и приводит к выпуску воздуха

Рис. 6. У этого факельного выброса есть карман длиной 5 футов (1,5 м) — вентиляционные отверстия резервуаров и возможность закупоривания льдом зимой

Как показано на Рисунке 7, наклоните вентиляционный / разгрузочный трубопровод к более низкому выбоину или горящей яме.

Рис. 7. Конструкция расширительного коллектора в выемке — наклонная / без карманов

Стандарт API 521 [4], системы сброса давления и сброса давления, требует, чтобы факельный трубопровод был свободным отводом к выбивному барабану факела, а затем свободным сливом от факела обратно к выбивному отверстию факела.

Эти проблемы, из-за которых резервуары выделяются более тяжелыми, чем молекулы воздуха (пропан / бутан), могут привести к вспышкам пожара и взрывам неограниченного парового облака (UCVE).Источником воспламенения обычно является тяжелый пар. На рисунке 8 показано, как кислород может попасть в резервуары для хранения нефти. Попадание кислорода в вашу систему приводит к серьезным повреждениям аминных систем газового завода и систем ТЭГ, а также к общей коррозии на ваших объектах.

Рис. 8. Как кислород попадает в резервуары для хранения масла, а также вызывает вентиляцию

Пример безопасности процесса 4: Резервуары для хранения горячего масла

Как показано на Рисунке 9, некоторые операторы используют автоцистерны для горячего масла в зимние месяцы, чтобы нагреть сырую нефть в резервуарах, чтобы мигать световые индикаторы сырой нефти, чтобы соответствовать спецификациям давления пара для продажи сырой нефти.Решением этой проблемы является не использование автоцистерн для горячего масла, а стабилизация нефти или использование конструкции с использованием башен для улавливания паров (VRT), как обсуждалось в Совете месяца от августа 2018 г. — Проектирование и эксплуатация нетрадиционных наземных сооружений. Проблемы — Стабилизация. [1].

Рисунок 9. Зимняя «горячая смазка» резервуаров для хранения нефти

Многие операторы сталкиваются с большим количеством танковых батарей в сотнях или тысячах, разбросанных по большой географической области.Многие полагаются на неконтролируемых подрядчиков при проведении операций по горячей смазке, погрузке и разгрузке нефти и воды и других операций по техническому обслуживанию.

►Присутствует ли на месте оператор, который поможет с горячим смазыванием?

►Посещает ли арендатор объект вместе с подрядчиком для выдачи разрешения на выполнение горячих работ и JSA?

►У вас есть инструкции по эксплуатации или контрольные списки для операций с горячим маслом?

► Включают ли они мониторинг погодных условий? Скорость ветра?

— Отключение при слабом или нулевом ветре?

► Включают ли они остановку других операций, таких как нефть / вода погрузка грузовика?

►Открыты ли части договора аренды, чтобы предотвратить въезд других транспортных средств в качестве источников возгорания?

►Расположены ли автоцистерны с наветренной стороны от цистерн?

► Находятся ли автоцистерны с горячей нефтью в 100 или 50 футах от резервуаров? Каковы проектные требования вашей компании к размещению источников возгорания / оборудования прямого сжигания и резервуаров для хранения нефти?

►Провели ли вы HAZOP для операций по нанесению горячего масла? Многие несчастные случаи происходят во время нестандартных операций.

►У вас есть детекторы газа? Обычно у подрядчика есть переносной. Это эффективно? У тебя проблемы с РВП, потому что зима и холодно. Где подрядчик будет… в грузовике, где тепло.

Автоцистерна для горячего масла представляет собой обогреватель с прямым нагревом (пропаном) с хранилищем пропана и хранилищем дизельного топлива или масла. Обычно он используется для закачки горячего масла под высоким давлением в насосно-компрессорные трубы для плавления парафиновых отложений. Эта операция обычно выполняется 24 часа в сутки в зимние месяцы для стабилизации сырой нефти.Это чрезвычайно опасно, и за последние несколько лет произошло много вспышек пожаров.

2 февраля 2018 г. Взрывоопасный грузовик загорелся танк Работник аккумуляторной батареи, доставленный по воздуху, получил серьезные ожоги

Это всего лишь несколько недавних примеров, но, к сожалению, их гораздо больше…

Читайте: 24 августа 2018 г. Пожарная команда Боевой танковой батареи Пожар

Прочтите: 25 января 2019 г. Официальные лица опознают жертв пожара на FM 1788 Юг

Прочтите: 2 января 2019 г. Нефтяные резервуары Noble Energy в Западном Техасе загорелись

Посмотреть видео: Heater Treater Fire

Много пожаров танковых батарей происходит в районах с новыми нетрадиционными месторождениями, такими как Баккен и Западный Техас.

Резюме и выводы

В этом конце месяца мы определили риски безопасности процесса с некоторыми проектами, решениями проблем и доказательствами того, что проблема существует.

Итак, мой вопрос к вам…. После прочтения этого совета, какие действия вы предпримете для повышения безопасности ваших проектов и операций в вашей компании? Ваша компания и коллеги нуждаются в ваших действиях.

►Безопасны ли ваши дизайны?

►Безопасны ли ваши операции?

Оставайтесь в безопасности! Дайте нам знать, если у вас есть какие-либо вопросы.

Чтобы узнать больше о подобных случаях и о том, как минимизировать эксплуатационные проблемы, мы предлагаем посетить наши G4 (Кондиционирование и переработка газа) , PF3 (Выбор концепции и спецификация производственных мощностей в проектах разработки месторождений) , PF4 (Добыча нефти и перерабатывающие предприятия), PF49 (Поиск и устранение неисправностей на предприятиях по переработке нефти и газа) и PS4 (Техника безопасности технологического процесса) .

Авторы: Джеймс Ф. Лангер, П.E.


Подпишитесь, чтобы получать новости от PetroSkills по электронной почте!


Список литературы

1. Лангер, Дж. Ф., https://www.petroskills.com/blog/entry/00_totm/aug18-fac-design-and-operation-of-unconventional-surface-facilities, PetroSkills-John M. Campbell Совет Месяц, август 2018.

2. «Горелки с распределенным потоком SPE 166261 увеличивают срок службы дымовых труб и повышают производительность в устройствах для очистки нагревателей» , Дэвид Барц, Майкл Зильберштейн, Джеймс Готтерба; Корпорация ALZETA, 2013

3.«Анализ уровня защиты — упрощенный анализ рисков процесса» , Центр безопасности химических процессов, CCPS, 2001, AIChE, Таблица 5.2 Встроенный дефлаграционный разрядник

4. Стандарт API 521, Системы сброса и сброса давления. 6 -е издание , январь 2014 г.

Важность терморегулирования стационарных литий-ионных накопителей энергии

Крис Бойер, доктор философских наук, директор по развитию бизнеса Sabre Industries

Увеличение количества развертываний аккумуляторных систем хранения энергии (BESS) показывает важность успешного проектирования охлаждения.Уникальные проблемы систем литий-ионных батарей требуют тщательного проектирования. Низкая предписанная рабочая температура аккумулятора (от 20 ° до 25 ° C) требует холодильной системы охлаждения, а не прямого охлаждения окружающим воздухом. Малый допустимый перепад температуры, не более 5 ° C между самой горячей и самой холодной батареей, требует почти идеального распределения воздуха. А быстрые изменения мощности со временем требуют жесткого контроля. Без надлежащего управления температурой перегрева ячейки выйдут из строя, выйдут из строя или даже загорятся [2] [3] .

Несколько инструментов моделирования помогают в процессе проектирования, чтобы обеспечить хороший дизайн. К ним относятся:

  1. Уравнения общего баланса массы и энергии для выбора типоразмеров охлаждающего оборудования;
  2. Transient FEA для изучения переходного режима и методов управления; и,
  3. Программа

  4. CFD для оценки распределения воздушного потока и возникающих в результате колебаний температуры.

Расчет системы охлаждения с учетом общего баланса энергии и массы

Получение правильной емкости и возможностей регулирования температуры для BESS приведет к повышению производительности и увеличению срока службы батарей.Недостаточный размер системы охлаждения может привести к перегреву аккумулятора. Превышение размера системы охлаждения может привести к коротким циклам работы системы охлаждения и большим колебаниям температуры воздуха при включении и выключении агрегата.

Тепло, выделяемое аккумуляторами

Тепловыделение от аккумуляторов — это самая большая нагрузка, поэтому ее наиболее важно точно предсказать. Тепло является результатом энтропии реакции и потерь энергии активации, электрического и ионного сопротивления и химического переноса. [4] [5] [6] Вырабатываемое тепло обычно равномерно между 20% и 80% состояния заряда (SoC). Выделение тепла значительно возрастает по мере того, как разряд достигает 0 SoC и когда заряд приближается к 100% SoC, как показано на рисунке 1.

Рис. 1. Тепло, выделяемое в течение цикла при скорости 1 C, показывающее повышение тепла в конце разряда и окончания заряда.

Литий-ионный аккумулятор обычно выделяет тепло в соответствии с поведением I 2 R , которое можно преобразовать в безразмерную форму: параметр α является постоянным для типа аккумулятора и не зависит от размера массива и расположения батарей согласованный.

Из-за деградации тепловыделение увеличивается в течение срока действия проекта. Производители аккумуляторов сообщили о росте от 35% до 70%. Тепловыделение увеличивается при более низких температурах, что приблизительно равно α / α ref = √T ref / T в пределах от 10 ° до 50 ° C при исходной температуре 25 ° C.

Прочие тепловые нагрузки

Высоковольтная шина постоянного тока и кабельная система генерируют резистивное тепло в соответствии с G = I 2 R , и обычно рассчитаны на около 0.25% от максимальной мощности постоянного тока. Тепло, выделяемое освещением, коммуникационным оборудованием, источниками питания и контроллерами, остается относительно постоянным с течением времени и составляет от 500 Вт до 1 кВт тепла.

Тепло также поступает из внешней среды. Коммерческое программное обеспечение для определения размеров HVAC точно рассчитывает тепловую нагрузку на окружающую среду. Общее приближение, которое работает для одноэтажных зданий, расположенных в умеренном климате, — 1 тонна охлаждения на 500 футов 2 .

Сумма тепловых нагрузок

С использованием описанных выше расчетов в таблице 1 показаны требования к охлаждению литий-ионной системы BESS на МВтч батарей при различных скоростях заряда.

Таблица 1. Типичные тепловые нагрузки для шкафа мощностью 1 МВтч при различных показателях теплопроводности.

Выбор оборудования HVAC

Номинальная мощность HVAC основана на наборе номинальных условий [7] . Фактическая мощность системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха ниже номинальной в большинстве приложений для аккумулирования энергии из-за более высоких наружных температур, более низких внутренних заданных температур и более низкой влажности. При работе в жаркой пустыне фактическая мощность кондиционера может составлять только 50% от номинальной мощности или даже меньше, поскольку змеевики испарителя и конденсатора загрязняются.Согласно общему практическому правилу для аккумулирования энергии номинальная мощность оборудования HVAC должна быть на 150% больше, чем ощутимая охлаждающая нагрузка, требуемая на основе приведенных выше расчетов.

Теплообмен между охлаждающим воздухом и аккумуляторными модулями

Сегодня в большинстве стационарных систем BESS в качестве среды для охлаждения батарей используется воздух. В дополнение к системе охлаждения надлежащего размера для корпуса, модули также должны иметь правильно спроектированный метод локальной передачи тепла охлаждающему воздуху.Уравнение стационарного теплообмена для локального охлаждения модуля можно описать уравнением:

Где U ’ [Вт / ° C] — это общий коэффициент теплопередачи, который включает передачу тепла от ячеек к поверхности и конвекцию тепла от поверхности к воздуху. Поверхность охлаждения может быть внутренней по отношению к модулю и / или внешнему корпусу модуля.

Чтобы поддерживать температуру батареи ниже максимальной, необходимо выполнить два условия.Во-первых, общий коэффициент теплопередачи должен быть достаточным при выполнении уравнения:

Во-вторых, объем воздушного потока (пассивного или активного) мимо модулей должен быть достаточным для поглощения выделяемого тепла:

Эти два условия должны быть проверены, и если они не срабатывают, то никакая мощность системы отопления, вентиляции и кондиционирования не может поддерживать охлаждение батареи. Если ограничением является передача тепла через модуль к поверхности и от поверхности к воздуху, то модуль необходимо перепроектировать для лучшей теплопередачи.

Рекомендации по переходным процессам для определения размера системы охлаждения

На рисунке 2 показаны примеры профилей нагрузки для различных приложений BESS. Анализ переходных процессов изучает, как система HVAC влияет на температуру батареи при изменении нагрузки.

Рисунок 2. Примеры суточных циклов (24 часа) для стационарных систем BESS.

Представленная нестационарная тепловая модель была использована для оценки многих проектных решений, таких как:

  • Определите количество охлаждения, необходимое в конкретном случае использования, на основе профиля нагрузки приложения;
  • Определите, требуется ли ступенчатое охлаждение, и если да, то какие уровни ступенчатости;
  • Определить влияние различных методов контроля температуры;
  • Оцените эффективность регулировки тепловых масс как в модуле, так и в корпусе;
  • Оцените эффективность регулировки воздушных потоков в шкафу и в модулях.

В качестве примера ISO New England публикует профиль переходной нагрузки для моделирования диспетчеризации частотного регулирования для систем накопления энергии [8] . В переходной модели использовался компонент BESS мощностью 2 МВт / 1 МВт-ч с литий-ионными батареями с принудительным воздушным охлаждением. Графики на Рисунке 3 показывают 24-часовую часть с результирующими циклами HVAC и температурами воздуха в основаниях корпуса для конкретного корпуса и конструкции HVAC. Модель показывает, что, хотя батареи могут вырабатывать 60 кВт тепла в течение коротких периодов времени, для поддержания заданной температуры воздуха всегда требуется не более 21 кВт охлаждения.На основе анализа переходных процессов размер HVAC может быть уменьшен до одной трети максимальной мгновенной тепловой нагрузки.

Рис. 3. Результирующие тепловые потоки и температурный профиль для системы BESS мощностью 2 МВт / 1 МВт · ч с несколькими ступенями 3-RT для кондиционирования воздуха для охлаждения в течение 1 дня в случае интенсивного использования с данными ISO Новой Англии. .

Достижение сбалансированного распределения воздуха с помощью CFD

Еще одним ключевым аспектом системы охлаждения является то, как воздух проходит через корпус, чтобы поддерживать батареи в допустимом диапазоне температур.Анализ CFD отлично подходит для расчета пространственных значений температуры, статического давления, скорости и направления воздушного потока.

Анализ

CFD помог принять важные проектные решения, такие как:

  • проверить достаточную площадь поперечного сечения для воздушного потока через корпус,
  • выбрать места для воздушных заслонок и дефлекторов,
  • определяет оптимальный размер, форму и места расположения приточных каналов,
  • обеспечивает направление для оптимизации положений лопаток в регистрах подачи,
  • определяет значение и местоположение воздушных преград между оборудованием или вокруг него, а
  • определить эффективность дополнительных вентиляторов / нагнетателей в корпусе для увеличения HVAC.

Анализ CFD был использован для анализа потока воздуха и результирующих температур для корпуса, содержащего батареи с настенными блоками HVAC на обоих концах. В анализе использовались данные об аккумуляторах и HVAC от соответствующих производителей. На рисунке 4 показаны графические результаты профилей температуры в трех плоскостях по осям x, y и z. Эти профили подробно описывают воздушный поток через корпус и результирующую температуру. Легко увидеть, как холодный воздух (синий) вводится и как он распределяется.Эта информация была использована для улучшения конструкции воздуховодов.

Рис. 4. Результаты CFD, показывающие плоскости с векторами температуры и воздушного потока.

Заключение

Батареи выделяют тепло, как и другое электрическое оборудование, однако по гарантиям производителя требуется низкая температура и очень узкое окно, в котором батареи могут работать. Несмотря на то, что разработка системы терморегулирования для аккумуляторного шкафа накопителя энергии представляет эти уникальные проблемы, инструменты, представленные в этой статье, используются с успехом.


Номенклатура


Список литературы

 [1] P. P. X. Z. G. C. J. S. C. C. C. Qingsong Wang, «Тепловой разгоном вызвал пожар и взрыв литий-ионной батареи»,  Journal of Power Sources,  vol. 208, стр. 210-224, 2012.

[2] С. Г. Т. Ф. Тодд М. Бандхауэр, «Критический обзор тепловых проблем в литий-ионных батареях»,  J. Electrochemical Society,  vol. 158, нет. 3. С. R1-R25, 2011.

[3] М. О. Л. Л. Дж.Л. X. Х. Г. Лю, «Анализ тепловыделения литий-ионного аккумулятора во время зарядки и разрядки с учетом различных факторов влияния»,  J Therm Anal Calorim,  vol. 116, стр. 1001-1010, 2014.

[4] С. Г. Т. Ф. Ф. Тодд М. Бандхауэр, «Зависимое от температуры электрохимическое тепловыделение в коммерческой литий-ионной батарее»,  Journal of Power Sources,  vol. 247, стр. 618-628, 2014.

[5] С. Ф. Ашкан Назари, «Выработка тепла в литий-ионных батареях с различной номинальной емкостью и химическим составом»,  Applied Thermal Engineering,  vol.125, с. 1501-1517, 2017.

[6] «Данные о тепловыделении аккумуляторных батарей», конфиденциально изготовитель аккумуляторов, 2016 г.

[7] ASHREA STD 16,  Метод испытаний для номинальной мощности комнатного кондиционера и тепловой мощности агрегированного оконечного кондиционера,  2016.

[8] ISO New England, «Данные имитационного автоматического управления генератором (AGC) заданных значений», [Online]. Доступно: https://www.iso-ne.com/isoexpress/web/reports/grid/-/tree/simulated-agc. [Проверено в 2016 г.].

[9] Д. Ф.-Ф. М. Г.Бретт Саймон, "U.S. Energy Storage Monitor", GTM Research / ESA, 2018. 

История огня и льда

Введите ETES

Новый подход к возобновляемым приложениям может включать в себя объединение секторов, термин, который относится к ряду путей преобразования электроэнергии, хранения энергии и обратного преобразования, которые обычно используют избыточную электроэнергию. в периоды, когда колебания выработки возобновляемой энергии превышают нагрузку.

Многообещающим примером этого является накопление тепловой энергии, которое является ключевой мерой при интеграции средних и крупных мощностей возобновляемых источников энергии в электрическую сеть.Этот метод включает в себя поглощение большого количества избыточной энергии, тем самым защищая энергосистему от перегрузки, и своевременное повторное введение этой дополнительной энергии в сеть в зависимости от потребности.

В марте 2018 года MAN Energy Solutions Schweiz AG подписала соглашение о сотрудничестве с ABB Switzerland по разработке, производству и коммерциализации трехсторонней системы управления энергопотреблением. Известная как ETES (накопление электротермической энергии), это единственная крупномасштабная система на рынке, которая способна одновременно использовать, хранить и распределять тепло, холод и электричество.

Кроме того, есть возможность распределить накопленный холод и тепло между разными типами потребителей. Например, тепло можно использовать для централизованного теплоснабжения, пищевой промышленности, отопления общественных или коммерческих объектов и т. Д., В то время как применение холода включает охлаждение центров обработки данных, компаний перерабатывающей промышленности, таких объектов, как торговые центры, университетские городки и т. Д. гавани и т. д. MAN предоставит полную систему ETES как единое решение при поддержке ABB в качестве системного партнера.

Патрик Мели, вице-президент, руководитель отдела проектирования компрессоров MAN Energy Solutions, сказал: «ETES — это уникальная система управления энергопотреблением, которая удовлетворяет требованиям отраслевой связи, что является ключевым моментом. Мы не можем достичь Парижского соглашения, просто размышляя в этих отдельных бункерах. Когда мы думаем нестандартно и объединяем эти отдельные объекты, это определение связи секторов. Большая часть спроса на энергию во всем мире приходится на отопление и охлаждение, а не на транспорт или электричество, как обычно думают.

Он продолжил: «Классическое мышление всегда относилось к электричеству на входе и электричеству на выходе. Мы поняли, что нам нужно обращаться с электричеством, теплом и холодом как с единым целым, а не как с отдельными товарами. Если у вас есть такая возможность, вы сможете создавать ценность, потому что цена на отопление и охлаждение отличается от цены на электричество ».

Новые отчеты рассматривают взрыв батареи в Аризоне в 2019 году — pv magazine International

Появились новые подробности, касающиеся отказа батареи Arizona Public Service Electric (APS) и соответствующего взрыва, в результате которого были госпитализированы восемь пожарных и один полицейский в Сюрпризе, штат Аризона, в Апрель 2019.

Два недавно опубликованных отчета — один от APS, а другой от Исследовательского института пожарной безопасности Underwriters Laboratory — раскрывают новые подробности инцидента.

«Предполагаемый пожар на самом деле был обширным каскадным тепловым разгоном, вызванным внутренним отказом ячейки. в одном элементе батареи в BESS: пара элементов 7, модуль 2, стойка 15 », — говорится в отчете DNV GL Energy Insights в отчете APS. Каскадный тепловой выброс, вероятно, был вызван внутренним дефектом ячейки, а именно аномальным отложением металлического лития и ростом дендритов внутри ячейки.

В то время как система пожаротушения с чистым агентом начала работать для сдерживания этого события, система предназначена для тушения развивающихся пожаров в обычных горючих веществах, что делает ее совершенно неэффективной против каскадного теплового разгона. Оттуда событие распространилось по каждой ячейке и модулю в стойке 15 системы за счет теплопередачи, поскольку между элементами батареи не было адекватных термобарьеров. Такие термобарьеры могли существенно предотвратить распространение.

В результате разгонного теплового расширения образовалось большое количество газов, которые создали воспламеняющуюся атмосферу в системе. Через три часа после начала события пожарные открыли дверь системы, взбудоражив газы и позволив им вступить в контакт с источником тепла или искрой, вызвавшей взрыв.

Короче говоря, два отчета определили пять основных причин взрыва:

  1. Внутренний отказ в аккумуляторном элементе, вызванный тепловым разгоном
  2. Система пожаротушения не смогла остановить тепловой разгон
  3. Отсутствие тепловых барьеров между элементами привело к каскадный тепловой разгон
  4. Легковоспламеняющиеся отходящие газы, сконцентрированные без вентиляции
  5. В плане аварийного реагирования не было процедур пожаротушения, вентиляции и проникновения

Согласно APS, существующие стандарты и процедуры безопасности аккумуляторных систем признают только каскадные тепловые побег как риск.Эти стандарты мало что делают для предотвращения теплового разгона и полностью не устраняют риск передачи тепла без пламени на соседние ячейки, модули и стеллажи. По заявлению компании, те же стандарты сосредоточены на средствах управления возгоранием, но не предоставляют решений для ограничения или замедления теплового разгона между ячейками и модулями.

Отчет Научно-исследовательского института пожарной безопасности пришел к тем же выводам относительно того, что привело к этому событию, но в нем также описаны шаги, которые можно предпринять, чтобы снизить вероятность аналогичного сбоя в будущем.

  • Базовая подготовка пожарных, офицеров и HAZMAT должна подчеркивать безопасность ESS
  • Необходимо провести исследования и полномасштабные испытания, чтобы понять наиболее эффективную и безопасную тактику реагирования на инциденты с литий-ионными батареями
  • Персонал пожарной службы должен определить консервативный потенциальный радиус взрыва и оставаться за его пределами во время лечения события до тех пор, пока не будет установлена ​​окончательная тактика и руководство.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *