Приложение А (справочное). Вопросы пассивной, активной безопасности и снижения стоимости владения по жизненному циклу

Приложение А
(справочное)

Вопросы пассивной, активной безопасности и снижения стоимости владения по жизненному циклу

А.1 Явление теплового разгона

В связи с тем, что литий-ионные аккумуляторы обладают большими удельными показателями содержания энергии, их следует рассматривать как потенциально опасные. Одну из наибольших опасностей представляет возгорание, которое может возникнуть вследствие явления теплового разгона, который выражается в создании условий экзотермического возрастания выделяемого тепла (рисунок А.1).

Рисунок А.1 - Тепловой разгон на примере литий-ионного аккумулятора с катодом, содержащим кобальтат лития

Начало теплового разгона может быть вызвано нарушением условий эксплуатации [перезаряд, повышенная температура или ток при заряде, короткое замыкание вследствие наружных (внешнее КЗ незащищенных выводов, превышение максимально допустимого тока, механическое разрушение корпуса) или внутренних (появление дендритов после попыток заряда при низкой температуре без соблюдения ограничений, установленных изготовителем) причин]. Проявление этого эффекта и его значимость в цепочке развития событий при воспламенении существенным образом зависит от вида катодного материала, являющегося донором кислорода для поддержания реакции горения (рисунок А.2).

Рисунок А.2 - Скорость возрастания температуры различных катодных материалов при тепловом разгоне

Приведенные на рисунке А.2 зависимости являются ключевым фактором возникновения и поддержания теплового разгона, а также количества кислорода, выделяющегося при деструкции катодного материала, что служит основой для поддержания горения органического электролита даже при полной изоляции от атмосферного кислорода.

А.2 Пассивная безопасность

Литий-ионные аккумуляторы с катодами на основе литированного фосфата железа благодаря свойствам и характеристикам, приведенным на рисунке А.2, относятся к числу наиболее безопасных в эксплуатации систем в силу наименьшей подверженности тепловому разгону, что подтверждается данными испытаний на безопасность при внутреннем КЗ, прокалывании и раздавливании. Это особенно важно, т.к. на такие события не могут оказать воздействия электронные защитные системы. Такое поведение литий-ионных железофосфатных аккумуляторов получило название "пассивная безопасность", что соответствует концепции "безопасного в своей основе проекта". Однако наличие органического электролита не позволяет отнести систему к абсолютно безопасным системам. Риск распространения возгорания в некоторой степени снижается добавкой соответствующих компонентов в состав электролита, сепарационных и иных конструкционных материалов.

А.3 Активная безопасность

Кроме безопасной в своей основе конструкции и предотвращения последствий предсказуемого неправильного использования, когда источник тока в результате их наступления должен быть безопасным, но при этом допускается, что он может стать неработоспособным, следует предпринимать меры для сохранения работоспособности в любых условиях эксплуатации, что может быть достигнуто только безусловным нахождением ключевых параметров, влияющих на безопасность в строго оговоренной зоне значений, характерных для конкретного аккумулятора не только в зависимости от электрохимического состава, но и особенностей конструкции. Необходимо иметь в виду, что целью разработки и изготовления любого источника тока является максимизация тех ключевых характеристик, ради которых он создается, поэтому необходимо максимально полно учитывать имеющиеся ограничения, а также корректировать состояние составляющих элементов в случае сложных систем (БМ, ББ, БС, СНЭБ).

Такое воздействие на композитную систему основано на двух функциях:

- контроль ключевых параметров составляющих элементов;

- регулирующее воздействие либо через факторы, вызывающие отклонения (причину), либо непосредственно на объект (последствия).

Современный уровень развития цифровых электронных систем позволяет реализовать обе эти функции. Такой подход получил название "активная безопасность" и обеспечивается введением контролирующих защитных и управляющих компонентов и систем под общим наименованием "системы (блоки) контроля и управления".

Объяснение понятия "рабочая зона" и отдельных субзон приведено в приложении Б.

А.4 Роль ограничений параметров в обеспечении безопасности и оптимизации работоспособности

Существует два подхода к эксплуатации источников питания на основе литий-ионных батарей, приведенных ниже.

а) Подход максимизации энергетических параметров

Если основное назначение аккумуляторов, батарей и систем лежит в области мобильных приложений, где ключевым параметром для потребителя является энергозапас одного или серии рабочих циклов, а вопросы ресурса при этом могут иметь значение гораздо более низкого порядка, то их эксплуатируют во всем допустимом с точки зрения обеспечения безопасности диапазоне параметров внутри безопасной рабочей зоны и, как правило, не учитывают коэффициент старения.

Пример - Установки энергопитания беспилотных летающих аппаратов, средства связи, резервные устройства энергопитания: заряд осуществляют до состояния полной заряженности, разряд ограничивают СЗ = 0.

Такой подход сопровождается снижением ресурсных показателей (числа циклов), а также по мере старения системы может вызвать появление уязвимости с точки зрения безопасности.

б) Подход максимизации ресурсных параметров

Если основное назначение аккумуляторов, батарей и систем лежит в области стационарных применений, то приоритет имеют вопросы обеспечения повышенной безопасности, долговременного использования, снижения стоимости энергии, пропущенной по жизненному циклу, при этом аспекты удельных энергетических характеристик относят на более низкий уровень значимости.

Пример - СНЭБ для работы в составе сети: уставка максимальной СЗ - 80 %, целевой СЗ - 60 %, уставка минимальной СЗ - 20 %. При таких уставках количество электричества, прошедшее через систему за срок службы, более чем в 5 раз больше, чем при циклировании от 100 % до 0 % СЗ.

Примечание - Как правило, уставка не является неизменяемой. Допускается изменение значений уставок планово, например для учета фактора старения или при смене целевого назначения устройства по решаемым задачам, или непланово, например в аварийных ситуациях в сети по отдельной команде диспетчера или при необходимости вывода поезда с пассажирами из туннеля до ближайшей станции.