Έγκαιρη ειδοποίηση έκλυσης αερίων από υπερθέρμανση μπαταριών λιθίου

του Στέλιου Στάθη,
Υπεύθυνου Τμήματος Κατασβέσεων της ΖΑΡΙΦΟΠΟΥΛΟΣ ΑΕ.

H πρόκληση

Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν γίνει η κύρια επιλογή μπαταριών για διάφορους τομείς, όπως, μεταξύ άλλων, η παραγωγή ενέργειας, οι επικοινωνίες, η βιομηχανία, τα οχήματα και πολλές άλλες εφαρμογές.

Οι μπαταρίες αυτού του τύπου όμως μπορούν να θέσουν ιδιαίτερους κινδύνους ασφάλειας επειδή περιέχουν έναν εύφλεκτο ηλεκτρολύτη και ενδέχεται να διατηρούνται υπό πίεση.Τα πιθανά αίτια έναρξης πυρκαγιάς από τον συγκεκριμένο τύπο μπαταρίας είναι: Εσωτερικά κατασκευαστικά ελαττώματα – Φυσική ζημιά κατά την συναρμολόγηση και χρήση – Ηλεκτρικό αίτιο (υπερφόρτιση, βραχυκύκλωμα) – Θερμικό αίτιο (έκθεση σε υψηλές θερμοκρασίες)

Η αστοχία της κυψέλης οδηγεί σε πτώση τάσης και αυξανόμενη απελευθέρωση θερμότητας και σηματοδοτεί την έναρξη της ‘’θερμικής διαφυγής’’ (‘thermal runaway΄). Αυτή η ‘θερμική διαφυγή’ είναι μία εξωθερμική χημική αντίδραση  η οποία δημιουργεί περισσότερη θερμότητα από αυτή που διαχέεται. Αυτό συνήθως αναπτύσσεται μέσω των παρακάτω φαινομένων: Αύξηση θερμοκρασίας – Έκλυση εύφλεκτων  / τοξικών ατμών ηλεκτρολύτη – Φλόγα – Κάψιμο – Έκρηξη

Το Thermal Runaway ξεκινά σε ένα κελί πριν η θερμική διάδοση δημιουργήσει ένα ντόμινο φαινομένων μέσω των γειτονικών κυψελών.

Η λύση

Η πιο διαδεδομένη μέθοδος πρόληψης είναι η έγκαιρη ανίχνευση αερίων που εκλύονται κατά την υπερθέρμανση (Off-gas detection). Σε περίπτωση αστοχίας της μπαταρίας η έκλυση του αερίου συμβαίνει αρκετά νωρίς.

Το σύστημα παρακολούθησης και έγκαιρης ανίχνευσης αερίων που εκλύονται κατά την υπερθέρμανση των μπαταριών λιθίου (Off-gas detection system) – Li-ion Tamer by Honeywell είναι ικανό να ανιχνεύει τα αέρια αυτά σε χαμηλές συγκεντρώσεις και να παρέχουν έγκαιρη προειδοποίηση (έως και 13 λεπτά νωρίτερα) στο σύστημα διαχείρισης των μπαταριών (battery management system) για επικείμενη θερμική διαφυγή ώστε να δοθεί εντολή και να απομονωθεί ηλεκτρικά η μπαταρία πριν προκληθεί πυρκαγιά. Τέτοια συστήματα βασίζονται σε συστοιχία μπαταριών που περικλείονται εντός συγκεκριμένου περιβλήματος όπως rack.

Δομή συστήματος

Κεντρικός Ελεγκτής: Συγκεντρώνει και επεξεργάζεται τα σήματα των αισθητήρων, επικοινωνεί την κατάσταση του αισθητήρα και καταγράφει λεπτομερώς δεδομένα συμβάντων με χρονική σήμανση.

Κόμβοι: Οι κόμβοι δημιουργούν τη σύνδεση της αλυσίδας του ελεγκτή με τους αισθητήρες και παρέχουν τις ακόλουθες λειτουργίες: Κατανομή ισχύος στην αλυσίδα των αισθητήρων – Μετάδοση των επικοινωνιών του διαύλου με την αλυσίδα αισθητήρων – Μετάδοση σήματος TCP/IP στον ελεγκτή.

Αισθητήρες ελέγχου (Monitoring Sensors): Εγκαθίστανται κοντά στις μπαταρίες και ελέγχουν για εκλυση αερίων.
Αισθητήρες αναφοράς (Reference Sensors): Εγκαθίστανται κοντά σε σημεία εισόδου για να παρέχει μετρήσεις αναφοράς.

Χαρακτηριστικά και Λειτουργία συστήματος

Παρέχει την πιο έγκαιρη προειδοποίηση για αστοχία της μπαταρίας ιόντων λιθίου ανιχνεύοντας την έκλυση αερίων 13 λεπτά πριν από την απελευθέρωση καπνού και τη θερμική διαφυγή μέσω προηγμένων αλγόριθμων που το καθιστούν εξαιρετικά ευαίσθητο. Περιλαμβάνει επίσης ένδειξη θερμοκρασίας και υγρασίας. Παρέχει μεμονωμένη ανίχνευση (1 αισθητήρας ανά rack) και δυνατότητα διεύθυνσης που επιτρέπει την άμεση και στοχευμένη απόκριση. Είναι πολύ ευαίσθητο στην ανίχνευση αερίων, αλλά ελαχιστοποιεί τους ψευδοσυναγερμούς χρησιμοποιώντας τον αισθητήρα αναφοράς. Παρέχει ευέλικτες επιλογές εγκατάστασης με λειτουργικότητα plug and play και ευέλικτη τοποθέτηση αισθητήρα