Регулировка батарей отопления: Регулировка батарей отопления в квартире

Желательно выбирать продукцию производства Германии и Италии.

Системы регулировки, которые будут различаться безопасностью, долгим сроком службы и высоким качеством производства.

А вот вентиля, которые стоят недорого, от страны производителя Китай, будут не очень хорошего качества и недолговечны, поэтому будут требовать замены через пару лет.

Заключение

При монтаже трубопроводной арматуры для перекрытия потока теплоносителя лучше на выходе из батареи установить вспомогательный кран, чтоб система сама сливала теплоноситель. С таким механизмом чистка конвектора и фильтра будет проще.

Хозяину системы не придется регулярно вызывать специалистов для обслуживания батарей и не надо будет перекрывать отопление всему стояку.

Краны для регулировки монтируются с применением соединительной части трубопровода с разветвлением.

Соединение резьбой гарантирует, что система не будет протекать, а если надо, то можно достаточно легко заменить и обслужить аппарат, в котором поддерживается температура. Для более плотного соединения применяют лен или фум-ленту.

Настройка подачи тепла в обогревателях квартиры или дома помогает не только создать комфортный температурный режим в комнатах, чтоб жильцы себя хорошо чувствовали, но и экономит значительную часть средств на оплату коммунальных услуг.

Для настройки теплооборудования используют устройства с ручным управлением, механическим и автономным.

Важно правильно подобрать трубопроводную арматуру для перекрытия потока теплоносителя, а также качественно установить ее.

С этим механизмом вы сможете легко регулировать температуру в комнате и все будет самостоятельно контролировать температурный режим.

Регулировка радиаторов отопления

Центральное отопление — что это такое? Это грязь, ржавчина, летающие кирпичи (камни) в трубах. Фильтра и водоподготовка в доме — я ,похоже , ерунду  какую-то начал писать. Останавливаюсь. Торможу.

Какие фильтра , какая , блин, водоподготовка, — грязней нашего отопления, не бывает ничего.Но. Многие заказчики хотят регулировать новые приборы отопления, установленные на центральном отоплении.

Как это сделать?

Можно установить для регулировки специальный радиаторный кран. Так все и делают. Я про монтажников.Кран называется честно — кран прямой радиаторный или вентиль ручной с разъемным соединением.

Все классно. Регулируется. Есть маленькое но. На самом деле оно огромно. Громадней некуда.

1 — Рабочее давление всех  регулировочных кранов, вентилей  до 10 атм.

У меня на ЖБИ так-то 12-14 атм. И точка. Я, думаю, кран наверное отпал бы. Это первое. И, не, основное.

2 — Все, абсолютно, эти регулировочные краны, вентиля — предназначены для чистой воды,чистого теплоносителя. А не как у нас. С кирпичами, с пирогами.

3 — Обратите внимание, на проходное сечение — кран с белой ручкой. Малехонькое.  Он, не полнопроходной. Это очень важно.(Задвижка, которая бронзовая, и шаровый — полнопроходные)

4 — Никакаких термоголовок (клапан под термоголовку) на центральное отопление. Разваливаются и текут. Забиваются. Не работают. 

Как же регулировать радиаторы отопления?

Задвижками.

Да, они (задвижки) некрасивые, эстетики — ноль.

Но, они  — надежные. Полнопроходные. И это главный плюс.

Предлагаю два вида задвижек — Valtek и Itap. Я как — то, не очень сторонник Valtek… Но задвижки, у них путевые. Itap — круто — он и в Африке «итап».

А, вообще, радиаторы, установленные на сварку, на центральном отоплении — лучше не регулировать вообще.

Любой регулятор, — вентиль, задвижка, имеют определенный, конструктивный механизм. 

Любые механизмы — рано или поздно ломаются.

Идеальный вариант — полнопроходной, качественный, Itap (Итап), Bugatti (Бугатти), шаровый кран. Без регулировок.

Закрыл. Открыл. Ломаться — нечему.

Регулировка батарей отопления — Система отопления

На данной вкладке мы постараемся помочь подобрать для дачи правильные части системы. Система отопления включает, провода или трубы, автоматические развоздушиватели, фиттинги, радиаторы, циркуляционные насосы, расширительный бачок терморегуляторы котел отопления, механизм управления тепла, крепежную систему. Любой узел однозначно важен. Поэтому соответствие перечисленных частей конструкции необходимо планировать правильно. Сборка обогревания коттеджа включает разные устройства.

Регулировка батарей отопления

Регулировка температуры в батареях ранее казалась чем-то из области фантастики. Для того, что бы снизить излишнюю температуру в квартирах просто открывалась форточка, а для того, что бы тепло не улетучивалось из прохладного помещения, окна и все щели заклеивали и наглухо забивали. Так продолжалось до весны, и только после окончания отопительного сезона внешний вид квартиры приобретал хоть немного пристойный вид.

Сегодня технологии шагнули далеко и мы уже не беспокоимся по поводу того, как регулировать батареи отопления. Появились новые, более действенные и прогрессивные методы регулирования температурного режима в помещении, и более подробно о них мы расскажем далее.

Собираетесь сменить старую систему отопления, но все еще не знаете, как регулировать температуру батареи отопления? Хотите детальнее узнать об основных способах регулирования и понять, надежны ли они? Тогда рассмотрим различные этапы в развитии оптимальных методов контролирования температуры в доме при помощи регулирования самой системы. Дальше вы уже сможете сами сделать свой выбор. Для того, что бы понять, как регулировать батареи отопления, необходимо знать азы их устройства.

Обыкновенные краны, которые монтируются в батареи, а так же специальные вентили могут помочь частично решить проблему. Перекрывая доступ потока горячей воды к системе, или снижая его, вы запросто изменяете температуру в своем доме.

Еще более простой и надежной системой является использование особых автоматических головок. Их монтируют под клапаном, и с их помощью (а именно, с помощью термодатчика), можно регулировать температуру в системе. Как это работает? Головка наполняется составом, который очень чувствителен к изменениям температурного режима, по этому клапан сможет сам среагировать на чрезмерное повышение температуры, и сможет вовремя закрыться, не допустив перегрева батарей.

Вам хочется более современного и инновационного решения, которое подскажет вам, как регулировать температуру батареи отопления, и даже практически не участвовать в данном процессе? Тогда обратите внимание на такие два способа:

• Вариант первый предусматривает монтирование в комнате одного радиатора, который закрывается специальным экраном, а температура в системе регулируются с помощью приспособлений под названием термостат и сервопривод.
• Далее рассмотрим способ регулирования температурного режима в доме с несколькими радиаторами. Особенности такой системы заключаются в том, что у вас будет не одна, а несколько зон для регулирования температуры. Так же вы не сможете сделать вход клапанов регулировки в горизонтальный трубопровод, и вам придется оборудовать специальную нишу для обслуживания, к которая будет включать специальный подающий трубопровод с монтированными отсечными кранами, а так же «обратку» с клапанами для сервопривода.

Отметим, что существует два основных метода регулировки, преимущества которых очевидны:

• Возможность регулирования уровня температуры воды, поступающей в систему, особым автоматическим агрегатом, который основывает свою работу на показателях вмонтированных в систему датчиков;
• Монтирование в систему устройства, которое будет производить контроль, и регулировать температуру не во всей системе, а в каждой отдельно взятой батарее. Чаще всего для этого используют фабричные регуляторы, которые монтируются на самих батареях.

Взвесив все особенности вашего помещения, выберите тот метод, который вам подходит лучше всего.

Источник: http://xn——elcjbaeszrejajf0c.xn--p1ai/kak-regulirovat-batarei-otopleniya

Регулировка батарей отопления

Чтобы постоянно поддерживать комфортную температуру в помещениях, и каждый радиатор должен быть оснащен системой регулировки. Как правило, осуществить регулировку батарей отопления можно еще на стадии монтажа самой системы. Однако, на данном этапе она будет только начальной, и уже после подключения вам придется еще несколько раз перенастраивать и корректировать работу системы в соответствии с требованиями по нужной температуре. О том, как избежать ошибок при настройке теплоотдачи радиаторов центрального отопления, расскажет эта статья.

Очень часто жильцы многоквартирных и загородных домов задаются вопросом о том, какой температуры по нормативу должны быть сами обогреватели в помещении и как правильно отрегулировать батареи отопления. По сути, подобной нормы на температуру радиаторов не существует. Есть лишь такое понятие, как теплоотдача. Она полностью зависит от того, из какого материала сделан радиатор. Наиболее эффективными для быстрого прогрева помещения считаются алюминиевые радиаторы, чуть хуже передают тепло биметаллические, а на последнем месте находятся чугунные. (См. также: Стальные радиаторы отопления )

Вместо норм по температуре отопительных агрегатов существуют нормы по уровню теплоты воздуха в помещениях. Согласно этим нормативам, в жилых комнатах температура должна быть не ниже 18С и не выше 24С. В прочих же помещениях (туалет, ванная, кухня, прихожая, кладовка) она должна составлять от 14 до 22С. Идеальной температурой считается отметка в 21С. если вам удастся достичь равномерного распределения тепла по всей площади квартиры или дома – это будет самым лучшим вариантом из всех возможных.

Помните о том, что уровень температуры в помещении зависит не только от самих радиаторов и их типа, но и от многих других условий:

Источник: http://www. otopimdom.ru/index.php?id=1126

Регулировка батарей отопления

Статьи по теме:

При установке отопительной системы, которая в дальнейшем предполагает монтаж теплого пола необходимо применить терморегулятор или термостатический вентиль.

Такой прибор нужен, для того чтобы регулировка батарей отопления в квартире происходила эффективно, так как от количества теплоносителя напрямую зависит температура в комнате.

Рассмотрим, из каких деталей состоит термостатический вентиль:

• Клапан;
• Термоэлемент, который воздействует на шток поршня.

Для того чтобы понять данный вопрос необходимо рассмотреть два основных вида терморегуляторов:

1. Ручной;
2. Автоматический.

Первый тип работает следующим образом: шток клапана приводится в действие одновременно с поворотом маховика вентиля. Но этот вид не эффективен, так как нельзя часто приводить в действие защитный колпачок клапана (он на это не рассчитан).

В автоматических моделях установлена термическая головка, которая реагирует на малейшее изменение температуры. Рассмотрим работу данного регулирующего устройства.

В его конструкции предусмотрен сильфон, который заполнен специальным составом. Он при нагреве меняет агрегатное состояние и начинает постепенно расширяться, а вместе с ним растягивается термобаллон и воздействует на шток клапана. В результате чего проходное сечение седла перекрывается конусом, уменьшая расход теплоносителя.

В том случае, когда температуру в помещении поднять, тогда вещество, содержащееся в сильфоне, сужается, шток вдавливается и увеличивается расход потребляемого тепла.

Исходя из этого, можно сказать, что регулировка батарей отопления дает возможность создать в помещении желаемую температуру.

Данное устройство (терморегулятор) может быть трех видов:

• Когда настройка расхода теплоносителя механическая и проходит через клапан;
• Термостатическая головка, которая управляется сильфоном;
• Датчик управляет термоголовкой.

У всех моделей имеется один общий признак — терморегулятор расположен внизу конструкции, а различия между ними в самой термической головке, на которой расположена шкала и с ее помощью устанавливают необходимую температуру.

Также данное устройство подразделяется:

• На прибор, который можно установить в однотрубной системе;
• На терморегулятор для двухтрубной отопительной сети.

Прибор, устанавливаемый на систему, состоящую из двух труб, рассчитан так, чтобы сеть могла нормально функционировать при перепадах давления. Это происходит, потому что балансировку осуществляют путем потери давления около вентиля.

Для того чтобы такого не происходило, терморегулятор имеет большое гидравлическое сопротивление, а вместе с этим и небольшое проходное сечение.

Клапаны делятся на две группы. Для первой необходимо настроить гидравлическое сопротивление, а для другой нет в этом никакой необходимости.

Если применять второй тип, тогда все приборы, которые смонтированы на одном стояке, станут одинаково расходовать теплоноситель, даже в том случае, если установить отдельный клапан для каждого отопительного радиатора.

Рассмотрим, как это происходит на практике: если в батарею направить больше теплоносителя, тогда в помещении станет жарко, а если уменьшить его подачу — похолодает, поэтому вентиль необходимо настраивать.

Для минимального расхода теплоносителя и для создания в помещении тепла и уюта необходимо все работы выполнить правильно.

Настройка производится во время монтажа, но при этом исходят только из диаметра труб смонтированных в разводке. Также по количеству секций, можно определить границы температуры. Для того чтобы точно произвести работы по регулировке отопительной системы необходимо применить специальные краны и знать некоторые нюансы данной работы.

Рассмотрим, как регулировать батареи отопления самостоятельно:

• На каждый радиатор монтируют кран плавной и точной регулировки, но при этом учитывают, что нельзя применять шаровой;
• Помещение, в котором регулируют отопительную систему, эксплуатируют в течение всего сезона;
• Перед началом настройки открывают все краны и определяют самую холодную комнату. Чаще всего это зал и поэтому именно здесь начинают процесс регулирования, для этого первым делом уменьшают проток и для этого кран, предназначенный для этого помещения, открывают полностью;
• Для более простой регулировки температуры, для каждого помещения приобретают отдельный термометр и устанавливают;
• Применив терморегулятор, жар котла  доводят до нужного градуса. При этом учитывают, что в более холодных помещениях температура должна быть чуть выше, (разница до нескольких градусов) чем в остальных;
• После того, как в самой холодной комнате температура нормализовалась, можно перейти к другим помещениям. Для этого краны прикручивают так, чтобы проток изменялся, и становилось теплее. После того как установят комфортную температуру во всей квартире, регулируют ее и на котле. А краны нельзя прикручивать сразу, так как из-за тепловой инерции комната может быстро охладиться.

При нормальной работе обогревательной сети все радиаторы должны получать одинаковое тепло. Но в том случае, если не правильно произведена балансировка батарей отопления, тогда в начале цепи радиаторы будут слишком горячими, а в конце еле теплыми.

Рассмотрим, как можно решить данную проблему. Для того чтобы проконтролировать поток жидкости по системе, необходимо на каждый отопительный прибор установить вентиль двойной регулировки. При этом если в начале цепи закрыть часть клапанов можно обеспечить распределение горячей воды, которое будет более равномерным.

Для того чтобы правильно сделать балансировку системы, необходимо перекрыть отопление, дать воде охладиться и открыть клапаны на всех батареях. Для этого снимают с них крышки и при помощи плоскогубцев включают их.

Далее подключают отопление и переходят к первой батарее в цепи, регулируют ее и далее, поочередно балансируют и другие. Если не знают очередность, тогда при включении системы обращают внимание на их нагрев.

Это важно! Термометры для радиаторов устанавливают на обратную и подающую трубы. Закрывают клапан, а после постепенно вновь открывают его до тех пор, пока между показаниями термометров не установиться разница в 10°C (по Фаренгейту 20°C). Тоже повторяют со всеми радиаторами, входящими в конкретную цепь. В итоге получают сбалансированную и эффективно работающую отопительную систему.

Не удивляйтесь, если вентиль на последней батарее будет полностью открыт, так как для хорошего обогрева помещения необходимо равномерная работа (обогрев) всей системы.

Для эффективной работы отопительной системы и для качественного обогрева помещения необходимо сбалансировать работу цепи. Для этого лучше пригласить специалистов, которые быстро и качественно выполнят данную задачу, а если хотите сделать все самостоятельно, но не знаете, как правильно отрегулировать батареи отопления, то ознакомьтесь с инструкцией и с нюансами работы.

Оцените статью:

(Пока нет голосов)

Источник: http://santehkrug.ru/kak-otregulirovat-batarei-otopleniya-v-kvartire-i-chto-takoe-balansirovka.html

Так же интересуются

разновидности регулируемых радиаторов, краны и вентили

О регулировке температуры батарей отопления задумываются многие жители города, и на это есть причины — желание сэкономить и получить возможность контролировать качество отопления в доме. Холода часто наступают неожиданно, и каждый владелец квартиры хотел бы иметь терморегулятор, посредством которого получится создавать комфортные для проживания условия как зимой, так и в другое время года.

Преимущества регулировки

О том, что существует регулировка батарей отопления в квартире, знают не все. Более того, не каждый понимает, для чего она нужна.

Однако регулировка температуры батарей отопления имеет минимум 3 преимущества:

1. Благодаря ей вода по трубам может свободно перемещаться. В результате этого значительно уменьшается вероятность появления так называемой завоздушенности. Отопительная система имеет высокий коэффициент полезного действия, при этом создается благоприятный микроклимат.
2. Регулируя температуру, можно уменьшать финансовые расходы на нагрев батарей. Если понизить температуру воздуха в комнате всего на один градус, можно добиться экономии свыше 5%.
3. Благодаря регулировке отопления в особо холодное время можно увеличить подачу тепла.

Следует помнить, что приступать к работе по изменению системы в квартире лучше всего летом, когда необходимость в отоплении еще отсутствует.

С принципом работы радиаторного термостата вы сможете ознакомиться в видео:

Температурные нормы

Когда есть возможность регулировать температуру в батареях, важно уметь правильно определить, в каких случаях и насколько сильно необходимо уменьшать или, наоборот, увеличивать градус в квартире. Главное — не сделать так, чтобы стало слишком жарко или чересчур холодно.

Необходимо научиться быстро определять, какая температура будет наиболее комфортной для проживания. В деле по определению оптимальной температуры для квартиры может помочь СНиП. Для угловых комнат лучшая температура — чуть более +20°C, а вот для всех остальных помещений — наоборот, чуть менее этого значения. Зная об этом, владелец квартиры может без особых проблем изменять температуру воздуха в своих комнатах и чувствовать себя вполне комфортно.

Методы настройки

Не в каждом жилом здании установлены регулируемые батареи отопления, более того, их установка во многих случаях может быть попросту невозможной. Например, регулирующие вентили не могут быть установлены, если здание имеет вертикальную верхнюю разводку, т.е. когда подавать тепло начинают сверху. Следовательно, на верхних этажах всегда слишком жарко, и владельцам квартир приходится даже настежь открывать окна. При этом на нижних этажах батареи чуть холоднее.

Если же в здании имеется однотрубная система, такой проблемы не возникает, поскольку вода после прохождения по радиаторам возвращается обратно в центральный стояк. Благодаря этому теплый воздух равномерно распределяется по комнатам независимо от того, на какой высоте они находятся — хоть на первом этаже, хоть на двадцатом. При этом на подающей трубе у батарей имеются регулирующие клапаны.

Лучшим вариантом для подачи тепла и возможности его регулировать является двухтрубная система отопления. В ней имеются отдельные трубы как для подачи нагретой воды, так и для ее возвращения в систему. В этом случае радиаторы в каждой комнате регулируются отдельно, ведь у каждой из них имеются специальные клапаны.

Главная цель, которую преследуют при регулировке теплоподачи, — достичь определенной температуры воздуха в комнате. Добиться этого можно одним из двух способов:

1. Качественным. Метод подразумевает изменение качества воды. Для этого нужно оказывать какое-либо влияние на ее нагрев.
2. Количественным. При его применении необходимо изменять скорость, с которой подается вода. Делается это посредством циркуляционного насоса или запорного механизма. Если объем подаваемой воды будет уменьшен, то это поспособствует снижению температуры. Если же, наоборот, увеличить скорость подачи воды, в комнате станет теплее.

Если в здании имеется качественное оборудование, возможно использование двух методов одновременно.

Разновидности устройств

Оказывать влияние на температуру воздуха в доме можно лишь при наличии специального регулирующего устройства.

Существует несколько их разновидностей:

1. Кран. Самый простой тип. Он прикрепляется к батарее и при поворачивании может уменьшать или увеличивать скорость подачи воды. Впрочем, краны, установленные на батареях, — это, скорее, не регуляторы, а средства защиты отопительной системы от аварийных ситуаций.
2. Вентиль. Это недорогое приспособление, которое действует по тому же принципу, что и кран. Поскольку на вентилях отсутствует какая-либо температурная шкала, регулировать с их помощью тепло в квартире можно лишь наугад — сначала повернуть, а потом подождать и посмотреть, что изменится.
3. Устройства с термической головкой.

Последний тип теплорегуляторов подразделяется на два подтипа. Они таковы:

1. Регуляторы прямого действия. Их основной элемент — наполненный газообразным веществом или особой жидкостью сифон. Этот элемент способен реагировать на любые малейшие изменения температуры воды, циркулирующей в системе. Если вода станет горячее, то газообразное вещество или жидкость внутри сифона начнет расширяться и оказывать давление на специальный клапан. Последний начнет перемещаться и перекрывать циркулирующей воде доступ в трубы. При уменьшении температуры воды в трубах будет происходить обратный процесс.

   Электронный датчик регулирует теплоподачу по заданным параметрам

2. Устройства с электронным датчиком. Владелец может задать ему нужные параметры, после чего оно автоматически, управляясь «электронным мозгом», будет следить за изменениями температуры циркулирующей по трубам воды. Если температура станет выше заданного параметра, то скорость подачи воды ументшится. Если же теплоноситель, наоборот, станет холоднее, подача его увеличится.

Нередко бывает, что низкое качество установленного терморегулятора вынуждает жильцов испытывать дискомфорт. Тогда они начинают задумываться о том, как можно улучшить отопление, повысив его эффективность.

Самостоятельная корректировка

Прежде чем искать способ повышения качества отопления в квартире, нужно понять, почему воздух в комнатах плохо нагревается. Возможно, это просто какие-то изъяны в отопительной системе, а может быть, у радиаторов слабая теплоотдача.

Самые частые причины плохого отопления комнат в квартире следующие:

1. Завоздушенность отопительной системы. Если в трубах много воздуха, то они заметно хуже выполняют свою основную функцию. Исправить проблему можно посредством слива воды.
2. Ошибки при подключении. Например, если байпас останется открытым, движение воды по трубам будет нарушено.
3. Неправильные расчеты системы на начальном этапе. Возможно, был выбран не тот диаметр труб, установлено слишком много или мало батарей.
4. Засор отопительной системы. В трубах при длительном использовании неизбежно появляется засор, который препятствует движению воды. Именно поэтому из-за недостаточного объема горячей жидкости воздух в помещении плохо прогревается.

   Засоры в трубах могут стать причиной понижения температуры в доме

Помимо вышеперечисленных, могут быть и другие причины некачественного отопления. Выявить их помогут специалисты.

Есть множество способов увеличить недостаточный коэффициент полезного действия отопительной системы в квартире. Главное — точно выявить причину такой проблемы. Например:

1. Если неправильно подключена батарея, нужно изменить подключение. Предварительно такое действие должно быть согласовано с управляющей компанией.
2. Если же причина недостаточного отопления кроется в неверно проведенных расчетах, то проблему можно решить подключением еще одной или нескольких батарей.

Бывает, что в помещении из-за каких-то неполадок в работе отопительной системы не холодно, а слишком жарко. В этом случае нужно уменьшить большой поток тепла. Сделать это поможет только терморегулятор.

Регулировка температуры в помещении посредством терморегулятора проходит в 3 этапа:

1. На каждом радиаторе следует стравить воздух.
2. Отрегулировать давление в радиаторах. Для этого на первой от котла батарее откручивается вентиль (достаточно будет пары оборотов). Затем на следующей батарее вентиль прокручивается уже в три оборота и так далее. Отдаляясь от котла, необходимо увеличивать количество оборотов на один. В результате давление воды будет равномерно распределено по всем батареям.
3. Устанавливается терморегулятор. Причем его вид зависит от типа системы отопления, использующейся в квартире.

Если система принудительная, следует устанавливать специальные вентили. В проточной регулировать температуру лучше всего помогут терморегуляторы, а в двухтрубной можно изменять не только степень нагрева воды, но и ее объем в радиаторах.

Особенности эксплуатации

После установки терморегуляторов необходимо проверить их работоспособность и отрегулировать батареи. Придется подождать начала отопительного сезона и запуска центрального теплоснабжения, но перед этим важно провести полную регулировку отопительной системы:

1. Проверить работоспособность регуляторов.
2. Убедиться в том, что параметры регулирующих устройств соответствуют тем данным, которые указаны в их техническом паспорте.
3. Устранить неисправности, если они были обнаружены при проверке работоспособности.

При эксплуатации терморегуляторов не стоит забывать о том, что на работу системы оказывают влияние особенности климата местности и уровень теплоизоляции помещения. Их обязательно нужно учитывать при регулировке температуры батареи.

Автоматическая температура отопления. Комфорт и экономия тепла.

Каждый человек стремится к комфортному образу жизни. Совсем недавно люди взошли  на новую ступень развития человечества. Этот шаг предусматривает комфортное и экономичное существование в единении с природой. Появляется все больше и больше новых технологий получения экологически чистых источников тепловой, электрической и других источников энергии. Автоматизация процессов бытия окружает практически каждый уголок сферы деятельности человека. Одним из кусочков обширной структуры является автоматическая регулировка температуры отопления, что влечет комфортное и экономное поддержание тепла в доме. Учитывая большие затраты на отоплении: домов, квартир, предприятий и других видов помещений. Автоматизация систем отопления — есть неотъемлемая часть в экономии тепла. Вы наверняка согласитесь, с выражением: «Комфорт в теплом доме — это один из пунктов экономии бюджета». 

Так как заставить Ваш бюджет быть более экономным на отоплении дома? Как уберечь бюджет от лишних затрат на тепло? Ответ есть : «Автоматическая температура отопления и комфортное экономичное тепло». Компания «ВИКО»  постарается рассказать, как осуществить автоматический  контроль температуры отопления, что приведет к комфорту и экономии тепла.

Большинство любителей рассказов главную роль отдают утеплению строений. Мы же опустим этот этап! Зачем описывать то, что и так понятно при проектировании и строительстве дома? Вы наверняка знаете, что заранее утепленное и подготовленное помещение — это уже залог экономии на отоплении дома, квартиры, гаража и даже предприятия. Но все это не даст того комфорта и экономии тепла, которое необходимо для экономии бюджета. А что дает так сильно необходимую экономию и комфорт в бюджете каждого? Кто про это задумался? Конечно же, это автоматическая температура отопления, которая позволяет не только экономить бюджет, но и регулировать температуру дома, квартиры, комнаты и отопления. Вы забудете, что такое очень жарко или очень холодно!!! Ваш дом будет всегда наполнен тёплым комфортом и уютом. А умная система отопления позволит экономить затраты на отопление.

Давайте рассмотрим основные концепции автоматической регулировки температуры системы отопления:

1) Регулировка температуры радиатора отопления термоголовкой (термостатический кран)

2) Автоматическая температура отопления (электронные термостаты с сервоприводами)

3) Что лучше термоголовка или электронный термостат? Отличия и устройство.

4) Типовые решения автоматизации системы отопления.

5) Комфортная экономия тепла. Плюсы и минусы регулировки температуры отопления.

Одним из самых простых способов автоматического поддержания комфортной температуры отопления является использование термостатического крана с термоголовкой. Благодаря такому устройству, изменения в имеющейся системе отопления станут минимальны, а процесс автоматизации системы отопления будет минимально затратным для бюджета. Использование крана с термоголовкой даст возможность контролировать температуру радиатора отопления по температуре помещения. Конечно такой вид регулировки температуры отопления является наиболее грубым, но дает ощущение комфортного тепла в квартире, доме, гараже или в помещении предприятия. Экономии бюджета на таком виде контроля температуры радиаторов отопления можно достичь, установив теплосчетчик на стояк отопления. Конечно же существуют и специальные термоголовки «Danfoss» с идущими в комплекте накладными теплосчетчиками. Если Ваш ЖЭК согласится использовать показания таких устройств, тогда Вам повезло. Кстати!!! Практически все новостройки снабжают именно такими системами теплоучета. Проблемы экономии на тепле в системах городского отопления  отпадают в строениях с собственной системой отопления. Радиатор отопления, прогрев помещение, отключается термостатическим краном с термоголовкой, а это влечет уменьшение теплопотребления. Уменьшение теплопотребления — это соответственно уменьшение энергозатрат на обогрев, что дает комфортное и экономное тепло.

Автоматизировать контроль температуры системы отопления более точно можно с помощью электронных термостатов и сервоприводов. В отличии от термостатических кранов с термоголовкой, электронные термостаты не привязаны к конкретному месту установки. Это позволяет повысить точность измерений, что убирает фактор влияния тепла радиатора отопления. Реакция такого регулятора температуры намного быстрее. А расширенные возможности электронных термостатов позволяют забыть про периодическую ручную подстройку температуры в помещении. Вы ощутите комфорт в эксплуатации хронотермостатов. Использование термических сервоприводов увеличит скорость реакции радиаторов и системы отопления. Это избавит помещение от «температурных провалов«, что является недостатком термоголовок. Одним словом термоголовки занимают нишу «полуавтоматического регулирования температуры отопления«, а электронные хронотермостаты занимают нишу «автоматического регулирования температуры отопления«. Благодаря высокой точности измерений электронных термостатов и быстрой реакции термических сервоприводов такая система автоматической температуры отопления становится намного экономичнее, так как температура в помещении практически не колеблется — погрешность составляет 1,5-2 градуса Цельсия. А это высокий результат, например у термоголовки средняя погрешность 5-10 градусов Цельсия. Хронотермостаты имеют настолько широкий спектр возможностей, что экономия отопления увеличится на 10-15% точно, а то и выше. Высокая экономичность автоматической регулировки температуры дома, квартиры, предприятия — это существенный результат.

Рассмотрев основные отличия принципов автоматического регулирования температуры системы отопления квартиры, дома или предприятия. Мы пришли к выводу, что регулировка температуры термоголовкой является простым дешевым и локальным решением. Конечно же у данного метода контроля температуры отопления есть свои недостатки, но при отсутствии возможности установки автоматического электронного контроля температуры — этот вариант более экономичен в плане экономических затрат на бюджет. Все зависит от назначения помещения. Вообще создание комфортной и экономичной автоматизированной системы контроля температуры всегда затратный элемент для бюджета, но все эти затраты окупятся в первый же год эксплуатации. Давайте изучим конструкционные особенности устройств контроля температуры.

Термостатические краны существуют в трех исполнениях: прямой кран, угловой кран, кран для нижней боковой подводки. Все эти краны снабжены американкой для разъемного подсоединения к радиаторам отопления. Такие краны поставляются с крышкой, которая позволяет регулировать температуру вручную, но при необходимости можно осуществить полуавтоматическую или автоматическую регулировку температуры в помещении.

Полуавтоматический контроль подразумевает установку термоголовки. Термоголовка — это механическое устройство, в конструкции которого имеется баллон с газом. Баллоны термоголовок встречаются встроенные и выносные с капиллярными трубками.  Газ в баллоне при нагреве расширяется и давит на сильфон с пружиной, под давлением газа шток выдвигается и нажимает  на клапан крана. Клапан термостатического крана перекрывает проток теплоносителя через радиатор, что уменьшает его теплоотдачу. По мере охлаждения помещения газ в баллоне охлаждается и шток возвращается в исходное положение, что влечет открытие клапана крана. Ввиду того, что на баллон влияет тепло радиатора, а радиатор имеет динамичность в отдаче тепла. Нередки «провалы в температуре помещения», это доставляет некий дискомфорт. Встречаются промежутки, когда появляется ощущение прохлады или жары, однако, такая система регулировки температуры в помещении экономичнее. Самое главное — установить правильно термоголовку. А устанавливается она горизонтально, т.е. параллельно уровню пола. Связано это с тем, что воздух двигаясь от пола к потолку, обтекая баллон с газом, регулирует температуру помещения.  

Достичь полноценного автоматического контроля температуры помещения можно установив электронный терморегулятор. Благо разнообразие электронных регуляторов температуры велико. Среди распространенных моделей встречаются: стандартные электронные термостаты, программируемые электронные термостаты с часовой установкой температуры — хронотермостаты, беспроводные термостаты и блоки дистанционного управления.

Большинство электронных термостатов исполняются для установки в розеточную коробку, хотя встречаются навесные модели. Вид источника питания делит термостаты на модели с питанием от сети 220В и питанием от батареек. Что касается терморегуляторов с питанием от батареек, то замена элементов питания необходима примерно  в промежутке 1-2 года. Также электронные термостаты делятся на модели с наличием и отсутствием подключения выносного термодатчика. Такая функция позволяет вести дополнительно контроль по температуре поверхности или теплоносителя. Например контроль температуры поверхности теплого пола. Выходы управления нагрузкой термостатов можно поделить на пять видов:

1) Сухой контакт на включение (изолирован от контактов питания термостата),

2) Контакт реле подающий фазу 220В на нагрузку (используется для управления термическими сервоприводами, насосами, электрическими теплыми полами),

3) Переключающийся сухой контакт (используется изолированный переключающийся контакт реле),

4) Переключающиеся выходы реле с подачей фазы 220В на нагрузку (используется для управления моторными сервоприводами),

5) Симисторный контакт подающий фазу 220В на нагрузку. Отличается отсутствием механического реле, что устраняет щелчок включения. (используется для управления термическими сервоприводами, насосами, электрическими теплыми полами).

Благодаря большому спектру моделей электронных термостатов стоимость и функционал колеблются в большом диапазоне, что дает широкий спектр применения в автоматизации системы отопления. Практически все термостаты рассчитаны на нагрузку до 2,5 кВт, а это достаточно вполне. Используя смекалку можно экономично модернизировать систему отопления дома. Например, поставить хронотермостат на управление питанием обычного электрического котла с ТЭНом.

А что делать, если уже в доме сделан чистовой ремонт и нет возможности и желания долбить стены и тянуть провода? В этом варианте приходят на помощь беспроводные термостаты и хронотермостаты. Конечно же такое решение дороже проводных, но оно стоит своих затрат. Установка не займет и не потребует сильных навыков. Вы берете беспроводной термостат на батареечках и вешаете в удобном для Вас месте. Затем приемный блок дистанционного управления подключаете к сети 220В и подсоединяете к нему термический сервопривод, насос, или котел.

Использование моторизованных сервоприводов позволит организовать контроль нескольких контуров отопления. Управление такими сервоприводами осуществляется по трем проводам, один провод является нейтралью (N), а два других — это фазы 220В (одна на открытие, другая на закрытие).

ЭлектроТермические Сервоприводы полные аналоги термоголовок (можно установить вместо термоголовки), но благодаря отсутствию воздействия на колбу внешней среды и наличию термоэлемента, скорость реагирования выше. Принцип работы термического сервопривода прост: Когда нужно открыть клапан термостатического крана, электронный термостат подает напряжение 220В (24В, 48В, 110В) на контакты термического сервопривода. В сервоприводе поверх колбы имеется нагревательный элемент, который в течение одной минуты нагревает баллон до температуры расширения газа. Далее происходит процесс регулирования температуры, как с термоголовкой. По достижении нужной температуры в помещении, термостат прекращает подачу напряжения и колба начинает остывать, закрывая кран. Среднее время остывания 3-5 минут. Преимуществом термических сервоприводов является универсальность, да и не только, среди исполнения сервоприводы делят на «NC — нормально закрытые» и «NO — нормально открытые». Стоимость термических сервоприводов ниже стоимости термоголовки. А суммарная стоимость комплекта электронного хронотермостата и термического сервопривода всего в 1,5-2 раза выше термоголовки с термостатическим краном. Однако, экономическая эффективность поддержания автоматической температуры отопления электронными методами куда комфортнее и выгоднее. Система окупится в первый же сезон.

Еще одним примером комфортного и экономного автоматического регулирования температуры отопления является непосредственное управление котлом!!!  Кстати, котел может иметь встроенную автоматику управления температурой системы отопления. Но иногда возникает необходимость контролировать температуру по воздуху помещения, а не температуре теплоносителя!!! Вот тогда то и приходят на помощь комнатные электронные термостаты с сухим контактом. Все котлы снабжены специальным выходом для подключения комнатного термостата. Это позволяет расширить функции котла и повысить комфорт эксплуатации системы отопления. Согласитесь, термоголовки не дадут Вам таких преимуществ.

А что делать, когда имеется дом в пригороде и Вы хотите дистанционно управлять температурой системы отопления? Для таких целей существуют специальные устройства, их принято называть GSM модуль дистанционного контроля температуры. Это оборудование позволяет дистанционно регулировать температуру в помещении. Существует много вариантов исполнения. У большинства брендов основные функции схожи — это контроль температуры отопления по температуре воздуха, контроль протечки (затопления), контроль открытия дверей или разбития стекол. Такой набор функций позволяет видеть температуру в помещении, управлять включением и отключением котла системы отопления, быть в курсе, что дома все в порядке. Все устройства данного типа снабжены сухим контактом, управляемым температурой воздуха в помещении. Функционал конечно ограничен по сравнению с хронотермостатом, но зато появляется возможность дистанционного контроля температуры.

Скачать схему подключения электронных термостатов можно здесь.

Мы рассказали Вам основные принципы  автоматического контроля  температуры отопления.  Результатом использования таких систем является комфорт и экономия тепла. Термоголовки постепенно уходят с ниши экономного отопления. Причиной тому служит то, что эти устройства обладают большой погрешностью в работе. Они чувствительны к качеству окон, и наличию открытых форточек. А установка непосредственно вблизи радиатора отопления сильно загрубляет диапазон регулирования в эксплуатации. Электронные средства регулирования температуры отопления более надежны и требуют смекалки c навыком в интеграции. Конечно же, если Вы задумались экономить на отоплении, и хотите комфортного и уютного тепла. Тогда Вам не составит сильного труда интегрировать все это в имеющеюся систему отопления. Поверьте нам, установка хронотермостата в систему отопления — это уже важный шаг в экономию. Разбив 24 часа отопления помещения на промежутки с разной температурой и выставив отдельно температуру в выходные дни на хронотермостате — Вы станете экономить порядка 20% в доме, а в офисе можно достичь и всех 40%. 

 Вы забудете про такую проблему, когда становится очень жарко или тепло в течение дня.

Автоматизация поддержания температуры — это комфорт и экономия. Почему отопление становится экономным? Давайте посмотрим логически на этот вопрос. Самый большой потребитель тепла в системе отопления — это дом, квартира или помещения предприятия. Когда наступает период зимних морозов, температуру системы отопления увеличивают, чтобы стабилизировать теплопотери дома, квартиры и т.д. Но всегда существует момент, когда помещение меньшей площади прогревается быстрее больших. В таком помещении становится жарко, и тепло, которое могло бы пойти на прогрев других помещений, задерживаясь кушает энергоресурсы из бюджета. Когда же все помещения прогреются, то котел  выключится, а «задержавшееся тепло»  начнет распространяться уравнивая температуру в доме. В результате в остальных помещениях тоже станет жарковато. Затем, душно и следом потребуется проветривание помещения. Установка системы автоматического поддержания температуры убирает этот момент. Автоматика определяет, когда наступает именно этот момент и заблаговременно отключает зону, это повышает экономичность и скорость обогрева других площадей. Вы получаете комфортное и экономное тепло. В наши дни умные системы отопления позволяют суммарно экономить на отоплении дома порядка 70-75% бюджета. Это очень высокий результат!!! И это не сказки.

На этом мы заканчиваем свой рассказ и надеемся, что теперь Ваш дом станет теплым и уютным. 

Возврат к списку

Температурный эффект и термическое воздействие в литий-ионных аккумуляторах: обзор

Abstract

Литий-ионные аккумуляторы с высокой плотностью энергии (до 705 Вт / л) и удельной мощностью (до 10 000 Вт / л) демонстрируют высокую емкость и отличные рабочие характеристики. Литий-ионные батареи, являющиеся перезаряжаемыми батареями, служат источниками питания в различных прикладных системах. Температура, как критический фактор, существенно влияет на характеристики литий-ионных батарей, а также ограничивает применение литий-ионных батарей.Более того, разные температурные условия приводят к разным побочным эффектам. Точное измерение температуры внутри литий-ионных батарей и понимание температурных эффектов важны для правильного обращения с батареями. В этом обзоре мы обсуждаем влияние температуры на литий-ионные батареи как при низких, так и при высоких температурах. В обзоре также обсуждаются современные подходы к мониторингу внутренней температуры литий-ионных аккумуляторов с помощью как контактных, так и бесконтактных процессов.

Графический реферат

Литий-ионные батареи (LIB) с высокой плотностью энергии и удельной мощностью демонстрируют хорошие характеристики во многих различных областях. Однако производительность LIB все еще ограничивается влиянием температуры. Приемлемый температурный диапазон для LIB обычно составляет от -20 ° C до 60 ° C. Как низкие, так и высокие температуры, которые находятся за пределами этого региона, приведут к ухудшению рабочих характеристик и необратимым повреждениям, таким как покрытие литием и тепловой разгон.Таким образом, понимание влияния температуры и точное измерение температуры внутри литий-ионных батарей важны для правильного обращения с ними. Современные достижения в мониторинге температуры внутри LIB можно разделить на контактное и бесконтактное измерение. В этом обзоре дается обзор последних достижений как в понимании температурных эффектов, так и в мониторинге температуры, а также обсуждаются проблемы и возможные будущие направления в достижении оптимальной производительности батарей.

1. Загрузить: Загрузить изображение в высоком разрешении (200KB)
2. Загрузить: Загрузить полноразмерное изображение

Ключевые слова

Литий-ионный аккумулятор

Влияние температуры

Внутренняя температура

Управление батареями

Управление температурой

Рекомендуемые статьиЦитирующие статьи (0)

© 2018 Китайское общество исследования материалов. Опубликовано Elsevier B.V.

Рекомендуемые статьи

Цитирующие статьи

Важность терморегулирования стационарных литий-ионных накопителей энергии

Крис Бойер, доктор философии, PE, 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 холодильного оборудования;
2. Transient FEA для изучения переходного режима и методов управления; и,
Программа
3. 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 размеров системы охлаждения может привести к коротким циклам работы системы охлаждения и большим колебаниям температуры воздуха при включении и выключении агрегата.

Тепло, выделяемое аккумуляторами

Выделение тепла от аккумуляторов является самой большой нагрузкой и, следовательно, наиболее важно для точного прогнозирования. Тепло является результатом энтропии реакции и потерь энергии активации, электрического и ионного сопротивления и химического переноса. _{[4] [5] [6]} Вырабатываемое тепло обычно равномерно при уровне заряда (SoC) от 20% до 80%. Выработка тепла значительно возрастает по мере того, как разряд достигает 0 SoC и когда заряд достигает 100% SoC, как показано на рисунке 1.

Рис. 1. Тепло, генерируемое в течение цикла со скоростью 1 C, показывающее повышение тепла в конце разряда и в конце заряда.

Литий-ионный аккумулятор обычно следует за 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 комплектов аккумуляторов. согласованный.

Из-за деградации тепловыделение увеличивается в течение срока реализации проекта. Производители аккумуляторов сообщили об увеличении от 35% до 70%. Тепловыделение увеличивается при более низких температурах, приблизительно 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 осветительным оборудованием, 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

Используя описанные выше расчеты, 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 хранения 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 при локальном охлаждении 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 выполнение двух условий.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 работают, то никакая мощность HVAC 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 использовалась 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;
• Оценить 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 хранения 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.

CFD помог принять важные проектные решения, такие как:

• проверить наличие достаточной площади поперечного сечения для воздушного потока во всем корпусе,
• 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
• определяет 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 о батареях 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 гарантии производителя требуют низкой температуры и очень узкого интервала, 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. Qingsong Wang, «Тепловой разгоном вызвал возгорание и взрыв литий-ионной батареи», журнал  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", журнал  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 имитации уставки автоматического управления генератором (AGC)», [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. 

LTC1733: терморегулирование увеличивает скорость зарядки литий-ионной батареи без риска перегрева

обычно меньше, проще и дешевле, чем решения на основе переключателей, но у них есть один серьезный недостаток: чрезмерное рассеивание мощности. Когда входное напряжение высокое, а напряжение батареи низкое (разряженная батарея), линейное зарядное устройство может генерировать достаточно тепла, чтобы повредить себя или другие компоненты.Как правило, такие условия являются временными — поскольку напряжение батареи растет вместе с ее зарядом — но это наихудшие ситуации, которые необходимо учитывать при определении максимально допустимых значений тока заряда и температуры ИС. Чтобы решить эту проблему, LTC1733 использует внутреннюю тепловую обратную связь для регулирования тока заряда и ограничения температуры кристалла. Эта функция обеспечивает более быстрое время зарядки, поскольку разработчик может запрограммировать высокий ток заряда (чтобы минимизировать время зарядки) без риска повреждения LTC1733 или любых других компонентов.Также устраняется необходимость в чрезмерном тепловом проектировании. Для дальнейшего улучшения теплопередачи LTC1733 заключен в 10-контактный корпус MSOP с улучшенными тепловыми характеристиками. Для простоты LTC1733 представляет собой законченное решение для литий-ионного зарядного устройства, для которого требуется всего три внешних компонента, как показано на Рисунке 1.

Рисунок 1. Автономное зарядное устройство для литий-ионных аккумуляторов.

Внутренний силовой полевой МОП-транзистор позволяет программировать ток заряда до 1,5 А с точностью 7%, чтобы обеспечить быструю и полную зарядку.Внутренний полевой МОП-транзистор также устраняет необходимость во внешнем резисторе считывания тока или блокирующем диоде. Конечное напряжение холостого хода выбирается контактом 4,1 В или 4,2 В с точностью 1%, чтобы предотвратить опасную перезарядку или снижение емкости батареи из-за недозаряда.

В соответствии с рекомендациями производителей аккумуляторов LTC1733 включает в себя программируемый таймер завершения заряда и вход термистора для зарядки с учетом температуры. Выходы состояния включают в себя обнаружение заряда C / 10 для индикации состояния, близкого к концу заряда, обнаружение наличия настенного адаптера для определения того, может ли зарядка продолжаться или нет, мониторинг зарядного тока для измерения газа и обнаружение неисправностей для выявления неисправных элементов.Кондиционирование низкого заряда батареи (непрерывная зарядка) безопасно заряжает переразряженный элемент, а автоматическая подзарядка гарантирует, что батарея всегда будет полностью заряжена. Для экономии заряда батареи ток разряда батареи LTC1733 падает до менее 5 мкА, когда сетевой адаптер отсутствует или когда компонент выключен.

Чтобы зарядить одноэлементный литий-ионный аккумулятор, пользователь должен подать входное напряжение (обычно от сетевого адаптера) не менее 4,5 В на вывод V _CC . На выводе ACPR впоследствии будет установлен низкий уровень, чтобы указать, что условие входного напряжения было выполнено.Кроме того, резистор 1% должен быть подключен от PROG к GND, чтобы запрограммировать номинальный ток заряда на 1500 В / R _PROG . Затем на выводе CHRG будет низкий уровень, чтобы указать, что цикл зарядки начался. Конденсатор, подключенный между выводом TIMER и GND, запрограммирует время завершения заряда на 3 часа на 100 нФ.

Если напряжение на выводе BAT ниже 2,48 В в начале цикла зарядки, то ток заряда будет составлять одну десятую запрограммированного значения, чтобы безопасно довести напряжение элемента до достаточно высокого, чтобы обеспечить полный ток заряда.Если ячейка повреждена и напряжение не поднимется выше 2,48 В в течение одной четверти запрограммированного времени завершения, цикл зарядки завершится, и на выходе состояния ОТКАЗ будет зафиксирован низкий уровень, указывающий на неисправную ячейку. Все три из этих выходных контактов состояния, ACPR, CHRG и FAULT, обладают достаточной способностью потреблять ток, чтобы зажечь светодиод.

Когда напряжение батареи поднимается выше 2,48 В (что обычно происходит вскоре после начала цикла зарядки), LTC1733 подает на батарею постоянный ток, как запрограммировано R _PROG .LTC1733 будет оставаться в режиме постоянного тока до тех пор, пока напряжение на выводе BAT не приблизится к выбранному конечному напряжению плавающего режима (4,1 В для SEL = 0 В и 4,2 В для SEL = V _CC ). В этот момент деталь переходит в режим постоянного напряжения.

В режиме постоянного напряжения LTC1733 начинает уменьшать ток заряда, чтобы поддерживать постоянное напряжение на выводе BAT, а не постоянный ток на выводе BAT. Когда ток падает до 10% от полномасштабного запрограммированного тока заряда, внутренний компаратор блокирует сильное понижение на выводе CHRG и подключает источник слабого тока (около 25 мкА) к земле, чтобы указать близкий конец Заряд (C / 10) состояние.

В отличие от зарядных устройств, которые отключаются, когда ток достигает C / 10, LTC1733 продолжает заряжать батарею после точки C / 10, пока не истекло время завершения, чтобы гарантировать, что батарея полностью заряжена. Прекращение зарядки на C / 10 может оставить аккумулятор заряженным только до 90-95% емкости, в то время как зарядка после C / 10 и завершение по времени может зарядить аккумулятор до 100% емкости. После завершения контакт CHRG принимает состояние с высоким импедансом.

LTC1733 может заряжать батарею при условии, что напряжение батареи было выше 3.95 В (SEL = 0 В) или 4,05 В (SEL = V _CC ) во время начального цикла зарядки. При превышении этих пороговых значений начинается новый цикл зарядки, если напряжение батареи падает ниже 3,9 В (SEL = 0 В) или 4,0 В (SEL = V _CC ) из-за нагрузки на батарею или тока саморазряда батареи. батарея. Схема подзарядки интегрирует напряжение на выводе BAT в течение нескольких миллисекунд, чтобы предотвратить перезапуск цикла зарядки из-за переходных процессов. Эта функция гарантирует, что аккумулятор остается заряженным, даже если он оставлен подключенным к зарядному устройству в течение очень долгого времени.

Дополнительной ключевой особенностью LTC1733 является внутренний контур терморегулирования. Если при работе с высокой мощностью и / или в условиях высокой температуры окружающего воздуха температура перехода LTC1733 приближается к 105 ° C, ток заряда автоматически уменьшается, чтобы поддерживать температуру перехода примерно на уровне 105 ° C (температура платы обычно остается ниже примерно 85 ° C. ). Это называется режимом постоянной температуры. Эта функция позволяет пользователю программировать ток заряда на основе типичных условий эксплуатации и устраняет необходимость в сложной тепловой конструкции, необходимой во многих применениях линейных зарядных устройств.LTC1733 автоматически позаботится о наихудших условиях. Помимо защиты LTC1733, эта функция устраняет «горячие точки» на плате, тем самым защищая окружающие компоненты. Функции теплового отключения других зарядных устройств просто отключают зарядное устройство при очень высоких температурах (обычно выше 130 ° C). Этот тип отключения, основанный на температуре перехода, позволяет как зарядному устройству, так и окружающей плате сильно нагреваться, поэтому, даже если существует «защита» отключения, приложение должно быть тщательно спроектировано, чтобы избежать достижения температуры теплового отключения во всех сценариях.LTC1733 упрощает тепловую конструкцию, автоматически уравновешивая ток заряда, рассеиваемую мощность и рабочую температуру.

Для дальнейшего улучшения тепловых характеристик LTC1733 он упакован в 10-контактный корпус MSOP с улучшенными тепловыми характеристиками. Плата приложений, изображенная на Рисунке 2, занимает всего 76 мм ² пространства на плате и может рассеивать более 2 Вт энергии при комнатной температуре. Это соответствует максимальному току заряда около 1,5 А при входном напряжении 5 В. Это предполагает, что литий-ионный аккумулятор проводит большую часть времени на 3.7В во время зарядки. Фактически, это консервативное предположение, так как типичный литий-ионный аккумулятор поднимается выше 3,8 В в течение первых нескольких минут зарядки. Мощные тепловые характеристики LTC1733 и 7% точности запрограммированного тока заряда позволяют очень быстро и точно заряжать одноэлементные литий-ионные аккумуляторы.

Рис. 2. Полнофункциональное одноэлементное литий-ионное зарядное устройство.

Для измерений газа вывод PROG предоставляет очень точную информацию о токе, вытекающем из вывода BAT.Отношение определяется по:

В режиме постоянного тока напряжение на выводе PROG всегда составляет 1,5 В, что указывает на то, что запрограммированный ток заряда вытекает из вывода BAT. В режиме постоянной температуры или постоянного напряжения ток вывода BAT уменьшается и может быть определен путем измерения напряжения на выводе PROG и применения приведенной выше формулы. Вывод PROG вместе с тремя выходами состояния с открытым стоком (ACPR, CHRG и FAULT) информируют пользователя о том, что именно делает LTC1733 в любое время.

В дополнение к программируемому таймеру и оценке низкого заряда батареи, LTC1733 добавляет зарядку с определением температуры в список рекомендуемых производителем батарей функций безопасности. Температура аккумуляторной батареи измеряется путем размещения термистора с отрицательным температурным коэффициентом (NTC) рядом с аккумуляторной батареей. Используя схему, показанную на Рисунке 3, LTC1733 может временно приостановить внутренний таймер и прекратить зарядку, когда температура батареи упадет ниже 0 ° C или поднимется выше 50 ° C.Для выполнения этой функции следует выбрать значение R _HOT , равное значению выбранного термистора NTC при 50 ° C. Это гарантирует, что точка срабатывания внутреннего компаратора 1 / 2V _CC соответствует температуре NTC 50 ° C. Кроме того, выбранный термистор NTC должен иметь значение при 0 ° C, которое в семь раз больше значения при 50 ° C, насколько это возможно. Соотношение холодного и горячего NTC 7: 1 гарантирует, что точка срабатывания внутреннего компаратора 7 / 8V _CC соответствует температуре NTC 0 ° C.Каждый компаратор горячего и холодного имеет гистерезис примерно 2 ° C для предотвращения колебаний относительно точки срабатывания. Кроме того, функцию NTC можно отключить без каких-либо внешних компонентов, просто заземлив вывод NTC.

Рисунок 3. Схема температурной квалификации.

LTC1733 — это полнофункциональное автономное зарядное устройство для литий-ионных аккумуляторов. В своей простейшей форме LTC1733 требует всего трех внешних компонентов и может безопасно и точно заряжать аккумуляторы большой емкости очень быстро, используя до одного.5А зарядного тока. Термистор NTC и несколько светодиодов могут быть добавлены, чтобы воспользоваться функциями безопасности и состояния.

Самонагревающийся аккумулятор с быстрой зарядкой делает электромобили невосприимчивыми к климату — ScienceDaily

Калифорнийцы не покупают электромобили, потому что они крутые, они покупают электромобили, потому что живут в теплом климате. Обычные литий-ионные батареи не могут быть быстро заряжены при температуре ниже 50 градусов по Фаренгейту, но теперь команда инженеров Пенсильванского университета создала батарею, которая может самонагреваться, что позволяет быстро заряжаться независимо от внешнего холода.

«Электромобили популярны на западном побережье, потому что погода благоприятствует», — сказал Сяо-Гуан Ян, доцент кафедры машиностроения в Пенсильвании. «Как только вы переместите их на восточное побережье или в Канаду, возникнет огромная проблема. Мы продемонстрировали, что батареи можно быстро заряжать независимо от температуры окружающей среды».

Когда владельцы могут заряжать автомобильные аккумуляторы за 15 минут на зарядной станции, заправка электромобиля становится почти эквивалентной заправке бензином по времени.Если предположить, что зарядные станции расположены достаточно широко, водители могут избавиться от «беспокойства по поводу дальности» и без опасений ездить на большие расстояния.

Ранее исследователи разработали батарею, которая могла саморазогреваться, чтобы избежать потери мощности ниже нуля. Теперь тот же принцип применяется к батареям, чтобы обеспечить быструю зарядку за 15 минут при всех температурах, даже до минус 45 градусов F.

В самонагревающейся батарее используется тонкая никелевая фольга, один конец которой прикреплен к отрицательной клемме, а другой выходит за пределы ячейки, образуя третью клемму.Датчик температуры, прикрепленный к переключателю, заставляет электроны проходить через никелевую фольгу, замыкая цепь, когда температура ниже комнатной. Это быстро нагревает никелевую фольгу за счет резистивного нагрева и нагревает внутреннюю часть батареи. Как только внутренняя температура батареи становится выше комнатной, переключатель размыкается, и электрический ток течет в батарею, чтобы быстро зарядить ее. «Уникальной особенностью нашего элемента является то, что он нагревается, а затем автоматически переключается на зарядку», — сказал Чао-Ян Ван, Уильям Э.

Дифендерфер Кафедра машиностроения, профессор химического машиностроения, профессор материаловедения и инженерии, директор Центра электрохимических двигателей. «Кроме того, уже существующие станции не нужно менять. Управление выключением нагрева и зарядки осуществляется внутри батареи, а не зарядных устройств».

Исследователи сообщают о результатах испытаний своего прототипа в выпуске на этой неделе журнала Proceedings of the National Academy of Sciences .Они обнаружили, что их самонагревающаяся батарея может выдержать 4500 циклов 15-минутной зарядки при 32 градусах по Фаренгейту с потерей только 20 процентов емкости. Это обеспечивает примерно 280000 миль вождения и срок службы 12,5 лет, что превышает большинство гарантий.

Обычная батарея, испытанная в тех же условиях, потеряла 20 процентов емкости за 50 циклов зарядки.

разлагаются при быстрой зарядке при температуре ниже 50 градусов по Фаренгейту, потому что литий, вместо того, чтобы плавно интегрироваться с угольными анодами, осаждается в виде шипов на поверхности анода.Это литиевое покрытие снижает емкость элементов, но также может вызвать скачки напряжения и небезопасное состояние батареи. В настоящее время длительная и медленная зарядка — единственный способ избежать лития при температуре ниже 50 градусов F.

Батареи, нагретые выше порогового значения для литиевого покрытия, будь то температура окружающей среды или внутренний нагрев, не будут иметь литиевого покрытия и не будут терять емкость.

«Этот повсеместный метод быстрой зарядки также позволит производителям использовать батареи меньшего размера, которые легче и безопаснее в автомобиле», — сказал Ван.

История Источник:

Материалы предоставлены Penn State . Оригинал написан А’ндреа Элис Мессер. Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

— Управление тепловой безопасностью в литий-ионных аккумуляторах: текущие проблемы и перспективы

Революционное влияние литий-ионных аккумуляторов на общее мировое экономическое и техническое развитие было отмечено Нобелевской премией 2019 для их изобретателей.Литий-ионные батареи быстро становятся основным компонентом систем хранения и доставки энергии для электрических сетей и электромобилей (EV), не использующих ископаемое топливо. Темпы производства литий-ионных элементов ускоряются, равно как и их использование в небольших устройствах бытовой электроники (смартфоны, планшеты и компьютеры), электрифицированном транспорте (EV) и крупных системах хранения энергии (электросети). В течение следующего десятилетия ожидается постоянный рост мирового производства литий-ионных аккумуляторов с прогнозируемым увеличением от четырех до десяти раз (рис.1). ¹

Улучшение свойств материалов для увеличения удельной энергии и возможностей передачи мощности этой технологии обещает дальнейшее расширение ее использования. ^2,3 Параллельно с этим было признано, что для повышения безопасности литий-ионных аккумуляторов требуется постоянная работа на протяжении всего их жизненного цикла — от производства до эксплуатации до утилизации ресурсов. ^4–7 Два основных явления, способствующих нестабильности литий-ионных аккумуляторов, которые могут снизить их тепловую безопасность, — это тепловой разгон (TR) в отдельной ячейке и распространение тепла от ячейки к ячейке.TR возникает в одной ячейке, и, если его не локализовать, это может привести к распространению TR в многоячеечной батарее. ⁸ TR Распространение TR может привести к возгоранию, разрыву и выбросу воздуха с серьезными последствиями для оборудования и пользователей. ⁹ Управление температурным режимом аккумулятора является одним из важных аспектов повышения общей безопасности технологии. ^10–19 Основная цель управления температурой — прогнозирование, предотвращение и, при необходимости, смягчение двух основных эффектов тепловой энергии в литий-ионных батареях — TR и распространение TR от ячейки к ячейке.

Температурную безопасность можно повысить за счет более четкого понимания физико-химических свойств литий-ионной системы и условий, необходимых для поддержания стабильности системы. Эти врожденные нестабильности можно отнести к сложным компонентам, составляющим каждый литий-ионный элемент в батарее. Были предприняты значительные усилия для получения лучшей интерпретации термической безопасности с использованием различных математических и вычислительных моделей. К ним относятся сложные детерминированные модели для отдельных реакций, которые происходят внутри ячеек до вентиляции, и TR, ²⁰ расчетная гидродинамика (CFD) моделирования конструкции ячеек и архитектуры упаковки в многокамерных решениях, ²¹ пределы воспламеняемости ²² и высокопроизводительные скрининговые исследования, связывающие сигнатуры на уровне материала с ответами на уровне системы. ²³ Аналогичным образом, на уровне системы, обнаружение неисправности датчика с использованием параметров, регрессированных к схемным моделям, ²⁴ основанные на данных подходы, которые количественно определяют вероятность отказа с учетом среднего времени наработки на отказ, ²⁵ оценка риска в режиме отказа Были исследованы эффекты анализа или аналогичные методы, ^26,27 облачные инструменты диагностики неисправностей, ^28,29 и регрессия тенденций из банков данных, которые охватывают различные форматы ячеек и химические составы, ³⁰ .Некоторые из ключевых проблем при прогнозировании начала TR включают чрезвычайно низкую частоту его появления в полевых условиях; отсутствие последовательного определения ³¹ для «теплового разгона», что приводит к несоответствию между результатами лабораторных испытаний и полевыми событиями; широкий разброс результатов тестирования; ограниченный набор соответствующих экспериментальных результатов для проверки и параметризации моделей; и значительное увеличение бюджета на тестирование с ростом размера и сложности статей о тестировании батарей. В результате методы идентификации паттернов, такие как машинное обучение ³² или анализ больших данных ³³ , имеют доступ к наборам обучающих данных ограниченного размера (например,g., данные о циклическом старении или календарном разложении, собранные за несколько месяцев, и данные о безопасности, собранные за более длительный период), чтобы обеспечить достаточную уверенность в результатах. С другой стороны, даже после тщательного контроля настроек теста и вариативности оператора, результаты испытаний на механическое повреждение (например, испытания на проникновение гвоздя) не всегда детерминированы. ³⁴ В таких случаях было продемонстрировано, что анализ чувствительности результатов тестирования на уровне системы к конкретным проектным параметрам ³⁵ является полезным.Доверительные интервалы для параметров, полученных в результате таких экспериментов, могут впоследствии использоваться в качестве входных данных для математических моделей и для построения карт безопасности, которые показывают взаимодействие вероятностей отказа, полученных на основе каждого параметра (рис. 2). ^36,37

Еще одним заметным пробелом в использовании моделирования для понимания безопасности батарей является отсутствие «комплексного подхода», помогающего понять экспериментальные характеристики, выполненные в различных масштабах. Например, существуют независимые экспериментальные измерения, коррелирующие результаты дифференциальной сканирующей калориметрии (DSC) на уровне компонентов с калориметрией ускоренной скорости (ARC) на уровне клеток. ^38,39 Аналогичным образом были разработаны математические модели, изучающие влияние изменения расстояния между ячейками. Однако математические модели, которые объединяют результаты DSC и ARC вместе с другими экспериментами по теплопередаче для определения оптимального расстояния между ячейками в модуле или проектирования вентиляционных путей для аккумуляторных блоков, не исследовались. Аналогично, стабильность различных оксидов переходных металлов и связанное с ними выделение кислорода изучались отдельно с использованием математических моделей ²² и в экспериментах. ⁴⁰ Объединение этих результатов с моделью CFD в масштабе ячейки или выше ⁴¹ позволит одновременно оценивать ограничения материалов наряду с техническими ограничениями.

Параметры управления литий-ионным аккумулятором включают электрическую энергию, электрическую мощность и тепловую энергию. Большинство систем управления батареями (BMS) управляет электрической мощностью и энергией через датчики напряжения и тока, а не через сопротивление или импеданс анода, катода и электролита.Управление температурой в большинстве BMS осуществляется с помощью термопар, термисторов и аналогичных датчиков, установленных вне ячеек. Здесь мы обсуждаем текущие усилия по управлению температурным режимом литий-ионных аккумуляторов, включая датчики и методы прямого измерения внутренней температуры элемента (T _int ).

Управление температурой в литий-ионных системах

Управление температурой важно для литий-ионных систем, поскольку стабильность электродов с высокой плотностью энергии во многом зависит от локальной температуры внутри элемента и ее влияния на летучие органические растворители в электролите .Некоторые растворители имеют температуру кипения до 90 ° C, и увеличение T _— выше 90 ° C приведет к выкипанию растворителя, увеличению внутреннего давления в ячейке и вынудит растворитель выйти. Следовательно, предотвращение чрезмерного повышения T _int должно помочь сохранить целостность клеток.

Несколько авторов провели подробные исследования по математическому моделированию ^42,43 или выполнили измерения ⁴⁴ для решения тепловых проблем в малых и больших аккумуляторных блоках. Некоторые из этих исследований подчеркивают влияние плохого управления температурой на нормальную работу и срок службы этих батарей, ^45–47 , а также на аспекты безопасности.Недавно мы сообщили, что примерно на каждые 13 ° C повышения рабочей температуры срок службы батареи сокращается примерно на 50%. ⁴⁸ Были аналогичные сообщения о снижении производительности в холодных условиях эксплуатации. ⁴⁹ Эти изменения продолжительности жизни сопровождаются увеличением внутреннего сопротивления клетки. В сочетании с потерей эффективности езды на велосипеде и способности генерировать электроэнергию чрезмерное тепловыделение при повышенном внутреннем сопротивлении усиливает проблемы безопасности.Эти небезопасные тепловые ситуации в настоящее время решаются с помощью «блоков управления», состоящих из контуров нагрева и контуров охлаждения, а также «регулирующей» секции, которые пытаются поддерживать температуру поверхности батареи в пределах заданного диапазона температур. Описание интеграции между системой управления батареями и блоком управления температурой приведено в другом месте. ⁵⁰ Блок управления температурным режимом вводит данные о температуре окружающей среды и батареи в интеллектуальные элементы управления, которые инициируют охлаждение или нагрев во время нормальной работы или отправляют аварийный сигнал в ЭБУ при обнаружении аномальных колебаний температуры.Аппаратное обеспечение терморегулирования, как минимум, состоит из вентиляторов и нагревателей. В нескольких исследованиях изучались более сложные подходы к обогреву и охлаждению, которые улучшают общий коэффициент полезного действия системы терморегулирования. ⁵¹ Другие предпочли простоту оборудования. ⁵²

С точки зрения безопасности изоляция (механическая, тепловая, а также электрическая) между частями (блоки элементов или модули) и доступ к теплоотводу являются ключевыми критериями, используемыми при проектировании аккумуляторных блоков.Предотвращение утечек в системах с жидкостным охлаждением и опасности возникновения дугового разряда в высоковольтных устройствах обычно рассматривается в нескольких стандартах безопасности. ⁵³ Практически все аккумуляторные батареи электромобилей имеют специальные вентиляционные отверстия для отвода газообразных выбросов после выброса из ячеек по предпочтительным путям, в сторону от распространения в соседние элементы. Некоторые аккумуляторные модули содержат материал с фазовым переходом либо в упаковке, либо как часть элемента элемента. Ключом к успешному снижению чрезмерного повышения температуры является способность отводить тепло от клеток.

Технологии управления температурой ^42–53 — это несколько примеров продолжающихся усилий, направленных на обеспечение тепловой безопасности литий-ионных аккумуляторов. Несмотря на эти согласованные усилия, литий-ионные батареи продолжают испытывать TR, распространение TR и горение. Некоторые из сохраняющихся проблем с безопасностью литий-ионных аккумуляторов можно проследить до эволюции BMS, первоначально использовавшейся для управления водными аккумуляторами.

Типы систем управления батареями

В рамках ограничений существующих баз данных, растущего спроса и производства, вокруг каждой литий-ионной батареи должна быть построена достаточно продвинутая BMS для обеспечения тепловой безопасности и электрического КПД.Из-за своих ограничений конструкции и концепции BMS, основанные на ранее разработанных типах батарей, не улучшают безопасность существующих литий-ионных батарей, а для некоторых конструкций могут даже снижать запас прочности. Понимание физико-химических процессов в литий-ионных элементах позволяет лучше понять отказы литий-ионных аккумуляторов, включая дефлаграцию и другие отказы, вызванные нагревом. ^54,55 Недостатки в конструкции BMS применительно к современной литий-ионной технологии можно проследить до конструкции батарей, содержащих негорючие компоненты, например.г., водные электролиты. ^56,57 Большинство систем аккумуляторных батарей с водным электролитом не требуют специальной BMS. Управление зарядом-разрядом аккумуляторных водных Ni-аккумуляторов, таких как никель-кадмиевые (NiCd), никель-водородные (NiH ₂ ) и никель-металл-гидридные (NiMH) элементы, необходимо для максимального повышения производительности при минимальном сокращении срока службы. ⁵⁶ Чтобы соответствовать этим требованиям, системы управления зарядом для водных Ni-аккумуляторов обычно отслеживают температуру, напряжение и ток аккумулятора для оценки состояния заряда аккумулятора (SoC).Чаще всего интеграция в ампер-часах использовалась для поддержки методов управления коэффициентом перезарядки в высоконадежных аэрокосмических батареях NiCd и NiH ₂ . ^58,59 Методы контроля заряда на основе давления были уникальными для NiH ₂ батарей из-за характерного квазилинейного изменения давления H ₂ с SoC во время цикла заряда-разряда. В NiMH и NiCd батареях при перезарядке могут образовываться газообразные водород и кислород, поэтому для ограничения перезарядки использовались показания напряжения и температуры; некоторая степень низкоскоростной перезарядки обычно использовалась для батарей NiCd и NiH ₂ , чтобы уменьшить саморазряд и предотвратить падение SoC при езде на велосипеде. ⁶⁰ Система терморегулирования в этих батареях представляла собой самовосстанавливающийся плавкий предохранитель, изобретенный в 1939 году, ⁶¹ (положительный или отрицательный тепловой коэффициент, предохранитель с положительным или отрицательным температурным коэффициентом, ⁶² в сегодняшней терминологии), расположенный в положительной и отрицательной ножка ряда череда ячеек. Некоторые системы управления в NiMH и NiCd батареях имели термисторы в определенных местах, чтобы останавливать заряд или разрядку, когда батарея испытывала внезапное повышение температуры из-за внутренних неисправностей. Пределы напряжения были скорректированы во время зарядки, чтобы облегчить рассеяние тепла на уровне элементов на терморегулирующие поверхности батареи, чтобы минимизировать тепловую нагрузку и продлить срок службы батареи.Успешные методы контроля заряда по напряжению с температурной компенсацией, используемые в никель-кадмиевых батареях, были приняты батареями NiH ₂ для таких приложений, как космический телескоп Хаббл НАСА и Международная космическая станция. ^63,64

В другом примере водной системы свинцово-кислотные батареи могут выйти из строя из-за саморазряда и электролиза кислоты, что приведет к образованию газообразного водорода. Следовательно, BMS (точнее: система управления, встроенная в зарядное устройство, а не в аккумулятор) в свинцово-кислотных аккумуляторах предназначены для поддержания напряжения на заданном уровне в течение периодов ожидания и для поддержания «плавающего заряда» для предотвращения саморазряда аккумулятора. , «просушивания» отказов и внутренних коротких замыканий.Проблемы, обнаруженные в водных батареях (таких как свинцово-кислотные, никель-кадмиевые или никель-металлгидридные), сильно отличались от литий-ионных батарей, поэтому требовался другой набор конструктивных решений, необходимых для их систем управления. Водные системы не были разработаны со специальной BMS, внутренней для каждой ячейки в батарее; Вышеупомянутые элементы управления были включены в отдельные компоненты в качестве элементов управления зарядного устройства. Адаптация таких контроллеров, как BMS, для литий-ионных батарей оказалась недостаточной для решения более сложных проблем, обнаруженных в этих батареях.Тем не менее, большинство современных BMS для литий-ионных аккумуляторов по-прежнему полагаются только на датчики напряжения аккумулятора (и напряжения элементов в некоторых случаях) и датчики температуры, устанавливаемые на поверхность. ^16,65–67 Несмотря на то, что современные BMS используют передовые математические модели для прогнозирования внутреннего состояния ячейки, несколько авторов подчеркивают необходимость модернизации датчиков BMS, использования улучшенных датчиков на основе импеданса, ^16,65,67 и внутренние датчики температуры. ^16,66

Основные причины теплового разгона литий-ионных аккумуляторов

Внутренняя нестабильность системы литий-ионных аккумуляторов может быть связана со сложностью компонентов, составляющих каждый литий-ионный элемент.При 200 Вт · ч кг ^-1 плотность энергии литий-ионного элемента по массе составляет примерно четверть от плотности энергии пороха или одной десятой для динамита; однако только литий-ионные элементы способны выделять энергию с контролируемой скоростью, включая запуск и останов по команде, в соответствии с требованиями пользователя. В литий-ионных элементах десятки отдельных компонентов работают вместе, сохраняя большое количество энергии при минимально возможной массе и объеме и доставляя энергию в диапазоне желаемых скоростей. Несмотря на то, что физико-химические свойства этих отдельных компонентов довольно хорошо каталогизированы, ^{20–30,35–40} их совместное поведение — нет. ^31–34 Катастрофический отказ литий-ионных аккумуляторов может быть вызван неправильным электрическим, механическим и термическим воздействием. ^10,68 Исторически эти три типа злоупотреблений наносили ущерб безопасности всех типов батарей, включая классические водные. Как правило, аккумулятор нельзя перезаряжать и разряжать, подвергать сильному сжатию, вибрации, ударам или нагреванию. Большинство производимых сегодня литий-ионных аккумуляторов разработаны с учетом защиты от этих трех типов условий неправильного использования.Несмотря на инженерные разработки, которые защищают их от экстремальных механических, электрических и термических повреждений, литий-ионные аккумуляторы все еще могут испытывать TR и горение, что указывает на необходимость учета множества факторов для повышения безопасности аккумулятора. Например, непреднамеренное включение инородных или собственных обломков объектов (FOD или NOD), а также производственные дефекты могут способствовать созданию внутренних коротких путей клетки. Хотя реализация сложных методов контроля качества и протоколов скрининга клеток была успешно реализована для контроля FOD, NOD и производственных дефектов, необнаруженные скрытые дефекты могут вносить вклад в опасность внутреннего короткого замыкания клетки. ⁶⁹ Тем не менее, TR в результате внутреннего короткого замыкания клеток продолжает происходить, поэтому контроль качества и скрининг клеток, хотя и необходимы, недостаточны для предотвращения TR. Рост дендритов во время заряда-разряда в литий-ионном элементе и старение компонентов элемента с разной скоростью также могут привести к TR. Несмотря на то, что данных о связи между отказом отдельного компонента элемента и отказом элемента мало, преждевременный выход элемента из строя обычно приводит к выходу аккумулятора из строя.

Обеспечение термобезопасности от проектирования до утилизации

Шаги по обеспечению термобезопасности начинаются с конструкции батареи, продлеваются на весь срок ее службы и заканчиваются только после безопасной утилизации батареи. ⁷⁰ От проектирования до утилизации повышенная безопасность литий-ионных аккумуляторов может быть реализована за четыре основных практических шага, в общих чертах обозначенных ниже. Шаг 1 в разработке безопасной батареи начинается с проверки, выбора и согласования ячеек, которые будут использоваться при производстве батареи. Шаг 2 — обеспечить работу каждой ячейки в батарее в заданных пределах напряжения и температуры. Шаг 3 заключается в прогнозировании и предотвращении TR в отдельной ячейке в батарее. Последний шаг, Шаг 4, — предотвратить распространение TR от ячейки к ячейке, даже если одна ячейка в батарее испытывает TR.Детали, связанные с практической реализацией каждого из этих четырех шагов безопасности, гораздо более важны при производстве литий-ионных аккумуляторов, чем при производстве аккумуляторов на водной основе. Для водных батарей последние два шага даже не применимы. В водных батареях неправильные процедуры, связанные с первыми двумя этапами, не приводят к возгоранию, тогда как в литий-ионных батареях они могут вызвать TR и возгорание. Реализация первых двух этапов в производстве литий-ионных аккумуляторов требует уровня строгости, которого нет в сегодняшней практике скрининга и согласования, а отказ, вызванный плохой реализацией, гораздо менее прощающий, чем при использовании водных аккумуляторов.

Согласование отдельных ячеек в батарее

Лучшая практика проверки и сопоставления ячеек батареи на водной основе включает идентификацию ячеек с одинаковой паспортной табличкой (партии продукта) и их сопоставление на основе данных испытаний для напряжения элемента и емкости Ач посредством заряда-разряда езда на велосипеде. ⁶⁸ Очевидно, что сопоставление элементов на основе информации с паспортной таблички и данных испытаний является наилучшей практикой как для водных, так и для литий-ионных аккумуляторов. Однако согласование напряжения и емкости в ампер-часах не гарантирует, что литий-ионные элементы согласованы на уровне их внутренних компонентов, а именно электролита, анода и катода.Проблемы, которые могут возникнуть из-за несовпадения ячеек на уровне компонентов, проиллюстрированы с помощью общепринятой практики, известной как конструкция ячейки с ограничением по катоду или с ограничением по аноду. ⁵⁶ Например, катодно-ограниченный элемент сконструирован с избыточным анодным материалом, так что, когда элемент полностью разряжен, полностью расходуется только катод, оставляя на аноде некоторое количество непрореагировавшего электроактивного материала, предотвращая непреднамеренное окисление токосъемника. на аноде. В более широком смысле, если сопротивление электролита (R _s ) для каждой ячейки не согласовано между элементами, то во время заряда и разряда элемент с самым высоким R _s будет испытывать повышенное внутреннее падение напряжения и достигнет заданного напряжения. ограничивает раньше, чем остальные клетки.В батарее с разными R _s в нескольких элементах все эти элементы будут испытывать разную глубину разряда (DOD), что приведет к старению с разным сроком службы. Более вредно, чем несоответствие R _s отдельных ячеек, это несоответствие их анодного импеданса отдельного элемента (Z _a ) и импеданса катода (Z _c ). Когда ток проходит через элемент, температура внутри элемента неоднородна, но различается для каждого компонента, потому что соответствующие R _s , Z _a и Z _c различны. ⁷¹ Если ячейки не подобраны индивидуально для R _s , Z _a и Z _c , тогда будет разница в температурах несовпадающих компонентов. Например, если конкретный элемент не соответствует Z _a с остальными, этот элемент будет подвергаться воздействию другой температуры анода во время заряда-разряда, что может привести к старению анода этого элемента с другой скоростью, чем у остальных элементов. . В течение нескольких циклов заряда-разряда этот анод может преждевременно выйти из строя, что может привести к TR.В свою очередь, преждевременный выход элемента из строя обычно приводит к выходу из строя батареи. Мы утверждали, что мониторинг внутренней температуры — это жизнеспособный путь для выявления термически неисправных ячеек в батарее. ⁵⁴ Также обсуждается управление балансировкой температуры между ячейками в электромобилях. ¹⁶ Практика поддержания изотермических условий варьируется в зависимости от отрасли. Например, требования к контролю температурных градиентов в пределах 2–5 ° C являются обычными для литий-ионных аккумуляторов, пригодных для использования в космосе. ⁷²

Ток, протекающий через батарею, вызовет аналогичные изменения в концентрации активных материалов на аноде и катоде в большинстве ячеек, только ячейка с несоответствующим Z _a или Z _c может быть принудительно включена избыточный разряд или избыточный заряд на аноде или катоде. В водных батареях, если последовательно подключенный элемент чрезмерно разряжен, то результирующее изменение напряжения приведет к увеличению внутреннего сопротивления этого элемента, и батарея перестанет функционировать.В литий-ионных батареях реверс напряжения может впоследствии привести к катастрофическому отказу, что приведет к распространению TR, TR, возгоранию и дефлаграции. Например, чрезмерный разряд литий-ионного элемента может привести к растворению меди (из анодного токоприемника), которая откладывается в виде металлической меди на катоде, аноде и сепараторе во время последующей зарядки. Непрерывный избыточный разряд и циклический заряд приводят к осаждению металлической меди на графите, что препятствует внедрению лития в графит и осаждению металлического лития поверх слоя меди. ⁷³ металлический литий осаждается в виде дендритов в соответствии с законами «агрегации, ограниченной диффузией». ⁷⁴ Дендритные отложения могут образовывать острые, прочные и игольчатые структуры, способные пробивать полимерные сепараторы. Внутри литий-ионных элементов дендритные отложения металлического лития создают пути электрического короткого замыкания между анодом и катодом, что приводит к быстрому возникновению TR. ⁵⁶ Следовательно, практика согласования ячеек по напряжению и емкости Ач, подходящим для водных батарей, необходима, но недостаточна для литий-ионных батарей.Целью успешного согласования литий-ионных элементов является обеспечение равномерного разряда, содействие равномерному старению, предотвращение изменения полярности ячейки, перегрева и т. Д .; поэтому сопоставление должно также включать мониторинг значений Z _c , Z _a и R _s для отдельных ячеек.

В литий-ионном элементе полное сопротивление каждого из его компонентов, а именно Z _c , Z _a и R _s , однозначно зависит от частоты (частотного диапазона). ⁷⁵ Следовательно, согласование импеданса ячейки только на частоте 1 кГц не может успешно согласовать каждый компонент каждой ячейки.Что еще более важно, поскольку частота, соответствующая каждому компоненту, уникально зависит от каждой модели ячейки, измерение импеданса на частоте 1 кГц не может точно сопоставить Z _c , Z _a или R _s в каждой модели ячейки. Для повышения термобезопасности каждый литий-ионный элемент в батарее должен соответствовать Z _c , Z _a и R _s на разных частотах, в дополнение к напряжению элемента, емкости в Ач, марке, модели. , дату изготовления и номер партии, как указано в п.70. В батарее, содержащей элементы с согласованными компонентами импеданса Z _c , Z _a и R _s (в дополнение к емкости элемента), элементы имеют тенденцию к равномерному старению, что снижает вероятность преждевременного старения отдельных элементов ( см. рис. 4 и 6 в работе 54).

Мониторинг внутренней температуры элемента, напряжения, состояния заряда и состояния здоровья во время зарядки и разрядки

Второй шаг в проектировании безопасности — обеспечение того, чтобы каждая ячейка в батарее работала в заданных пределах напряжения и температуры .Этот шаг обычно реализуется через BMS, первоначально разработанную для контроля и управления элементами в водных батареях. ^63,64 В водных батареях мониторинг температуры был необходим не из-за возможности TR, а для предотвращения замерзания или испарения электролита. В таких ситуациях мониторинг температуры окружающей среды батареи считался адекватным, поэтому размещение одного или двух термодатчиков на батарею на внутренней и внешней стенке батареи стало обычной практикой.В отличие от водных батарей, для управления температурой в литий-ионных элементах требуется один термодатчик на элемент. Этот термодатчик должен быть способен измерять или оценивать внутреннюю температуру (T _в ) каждой ячейки. Есть несколько причин контролировать T _в каждой ячейки. TR может быть вызван повышением температуры внутри ячейки. При таких низких температурах, как 85 ° C, слой поверхности раздела твердый электролит (SEI) начинает разрушаться, вызывая экзотермические реакции между графитовым углеродным анодом и карбонатными эфирами в электролите.При дальнейшем повышении температуры органические сложные эфиры превратятся в пар, ⁷⁶ , и повышенного давления внутри ячейки будет достаточно, чтобы вызвать вентиляцию. ^77,78 Когда элемент вентилируется, он рассеивает легковоспламеняющиеся органические растворители по батарейному отсеку и осаждает их на поверхности соседних элементов. ⁵⁵ От выхода из строя SEI до вентиляции, каждый процесс наносит ущерб безопасности батареи. Наиболее серьезными являются последствия повышения T _int выше 155 ° C, когда внутри клетки протекают каскадные необратимые экзотермические реакции, т.е.е. TR. ²⁰ Каждая реакция, приводящая к TR, связана с повышением внутренней температуры клетки. Таким образом, мониторинг T _и — это наиболее эффективный способ управления батареями и повышения их безопасности.

Еще десять лет назад технология прямого измерения T _int в литий-ионных элементах не разрабатывалась. В 2011 году Srinivasan et al. впервые продемонстрировал метод мониторинга T _int в литий-ионных элементах в состоянии покоя ⁷⁹ ; последующие исследования расширили эту технику до мониторинга T _int в динамических условиях заряда и разряда ^71,80 ; и в последнее время в нескольких элементах, присутствующих в последовательно-параллельных комбинациях в батареях. ⁵⁴ Этот метод неинвазивен, не требует дополнительных проводов, кроме пар, уже используемых в мониторинге напряжения ячеек, и его реализация в BMS проста. Различные аспекты датчика на основе импеданса для мониторинга и управления температурой T _int были подробно обсуждены несколькими авторами. ^81–86 Во многих коммерческих BMS T _int по-прежнему оценивается путем сочетания внешнего контроля температуры и теплового моделирования. ⁸⁷ Такие математические модели требуют отдельной конструкции для каждого типа литий-ионного элемента, поскольку внутренние характеристики элемента зависят от производителя.Помимо необходимости интенсивных вычислений, чтобы быть точными, эти модели требуют ввода данных от нескольких датчиков на ячейку. ^81,88 Кроме того, тепловая инерция вызывает задержку теплопередачи от внутренней части ячейки к ее внешней стороне, поэтому внешние датчики никогда не предоставляют данные T _int в реальном времени. ⁷¹ В идеале, система BMS, ориентированная на безопасность, должна использовать датчики, которые непосредственно измеряют T _внутри .

Мониторинг SoC во время зарядки и разрядки остается наиболее сложной задачей при анализе внутреннего состояния литий-ионного элемента.Кулоновский подсчет, возможно, является лучшим доступным приближением к оценке SoC, ⁸⁹ , которая ограничена уменьшением емкости хранения заряда (Ач-емкость) элемента с циклическим сроком службы и календарным сроком службы. Точное отслеживание SoC требует периодической калибровки потери емкости с течением времени. Методы импеданса для мониторинга SoC практически неэффективны: импеданс ячейки намного более чувствителен к ее внутренней температуре, T _int , чем SoC. ⁷¹ Оценка SoC с помощью измерений напряжения элемента (E _cv ) ограничена медленной диффузией катионов лития (Li ⁺ ), поскольку они литиируют и делитируют анод и катод соответственно.Зависимость от скорости диффузии E _cv дополнительно осложняется температурной зависимостью E _cv от энтропии интеркаляции Li ⁺ и временными изменениями T _int во время зарядки и разрядки. ^71,80 Таким образом, измерение E _cv осталось далеко не надежным методом для мониторинга SoC. Мониторинг состояния литий-ионных элементов (SoH) в динамических условиях так же сложен, как и мониторинг SoC. Использование импеданса для контроля SoH ⁹⁰ затруднено из-за изменений концентрации Li ⁺ электролита во время зарядки и разрядки. ⁵⁴

Существует разрыв между системами BMS, которые в настоящее время используются для мониторинга SoC и SoH, и пониманием сложных физико-химических процессов во время зарядки и разрядки литий-ионных элементов. Новые конструкции BMS, которые учитывают эти процессы, необходимы для повышения термобезопасности литий-ионных аккумуляторов.

Вентиляция ячейки до TR

Третий шаг в ориентированном на безопасность проектировании BMS связан с прогнозированием или предотвращением вентиляции отдельной ячейки. Преобладает мнение, что с увеличением T _int ячейка вентилирует только тогда, когда она выбрасывает энергетические материалы во время TR. ⁵⁶ Фактически, элемент может сначала вентилироваться до того, как он испытает TR в процессе, называемом предварительным вентилированием, когда горючий органический материал откладывается на других элементах внутри аккумуляторного отсека. ⁵⁵ Затем ячейка снова вентилируется во время фактического TR, воспламеняя растворители, осевшие после первого сброса, инициируя TR в дополнительных ячейках. Следовательно, возгорание внутри батареи происходит только во время TR в нескольких местах батареи, то есть происходит распространение TR от ячейки к ячейке.Ни одна из используемых в настоящее время BMS не может предотвратить распространение TR или от ячейки к ячейке.

В недавнем исследовании ⁵⁵ временные профили процессов во время вентиляции клеток при нагревании были записаны с помощью набора инструментов, включая интерактивные инфракрасные методы преобразования Фурье и методы гиперспектральной визуализации. Перед фактическим событием TR из ячейки были выброшены газообразные сложные эфиры алкилкарбоната при температуре около 100 ° C в «пре-TR вентиляции». Через несколько минут произошло TR, и ячейка выпустила газообразный CO, CO ₂ , HF и оксиды кобальта, марганца и лития, а также твердый оксид никеля.В выбросе ТР органических растворителей не обнаружено. Температура выброса TR первоначально составляла 1500 ° C, а затем упала до 600 ° C примерно за 50 мс. Автономный химический анализ с помощью газовой хроматографии-масс-спектрометрии сброшенных газов и гравиметрия сброшенного материала до TR предоставили дополнительную информацию о реакциях во время продувки до TR и распространения TR. ⁵⁵

Вентиляция элемента Pre-TR рассеивает легковоспламеняющиеся органические растворители внутри батарейного отсека. Фактически, тепловая энергия выброса во время TR меньше, чем энергия выброса до TR, которая может высвободиться при горении. ⁵⁵ Воспламеняющиеся растворители, выделяющиеся в виде газов во время предварительной вентиляции TR, осаждаются в виде жидкости на поверхности соседних ячеек. Когда они сгорают, они горят не в элементе, который вентилировал его, а поверх соседних элементов в батарее. Горение выброса до TR может быть инициировано дугой, искрой или горячим пятном и поддерживаться окислителями, выбрасываемыми во время TR. Таким образом, распространение TR не происходит во время вентиляции перед TR, потому что необходимая искра и окислители становятся доступными только во время TR.Fernandes et al. также продемонстрировали, что перезарядка литий-ионного элемента инициировала предварительную вентиляцию TR. ⁹¹ Посредством непрерывного анализа выбрасываемых газов на месте они зафиксировали зависящие от времени изменения концентраций и составов химических веществ. Данные их испытаний также подтвердили, что большинство компонентов отходящего газа перед TR были легковоспламеняющимися летучими растворителями.

Разрешение временных характеристик вентиляции до TR и вентиляции во время TR, а также пространственная дифференциация между местами сгорания материалов, вентилируемых до TR и TR, имеют решающее значение при разработке ориентированной на безопасность BMS для предотвращения TR и ячейки распространение TR между клетками.Наиболее важно, что вентиляция перед TR происходит до начала TR реакций, это означает, что если увеличение T _int успешно остановлено до вентиляции перед TR, то клетка не перейдет в TR. Недавно мы продемонстрировали, что изменения импеданса ячейки (Z _{, ячейка} ) можно измерить за десятки секунд до вентиляции перед TR. ⁹² Значения импеданса ячейки зависят от частот, на которых они измеряются. Например, в элементах LG HG2 и Samsung SDI-26F 18650 изменения импеданса до вентиляции перед TR обнаруживаются на частотах менее 10 Гц.В ячейках 18650 импеданс, измеренный с использованием сигнала 1 кГц, не несет никакой информации об изменениях в ячейке _Z , вызванных структурными изменениями внутри ячейки, особенно при высоких температурах (> 85 ° C). Датчики температуры, устанавливаемые на поверхность, могут свидетельствовать о фактическом событии до вентиляции TR, но несут мало информации о газообразовании, которое происходит до вентиляции перед TR. Если BMS контролирует внутренний импеданс ячейки на частоте менее 10 Гц, он должен быть в состоянии предсказать и противодействовать вентиляции до TR и TR.В настоящее время ни одна коммерческая BMS не обеспечивает мониторинг внутреннего импеданса ячейки в реальном времени, поэтому предварительная вентиляция TR не может быть предсказана с помощью такой BMS. Поскольку образующиеся газы не выходят из ячейки до тех пор, пока не будет выпущена вентиляция перед TR, газовые датчики могут идентифицировать событие только после того, как газы будут выпущены; это может быть слишком поздно, чтобы противодействовать последующим ТУ.

Распространение TR от ячейки к ячейке

Четвертый шаг в обеспечении тепловой безопасности — предотвращение распространения TR от ячейки к ячейке, даже если одна ячейка в батарее подвергается TR.Некоторые литий-ионные батареи предназначены для быстрого удаления выбросов из ячейки, испытывающей TR, через вентиляционные каналы, которые должны предотвращать распространение. Обтекаемый канал выброса, способный удалять быстро движущийся энергетический выброс, должен предотвращать его воздействие на остальные элементы внутри аккумуляторного отсека. Фактически, вычислительная гидродинамика и тепловое моделирование показывают, что даже хорошо спроектированный вентиляционный канал не всегда может предотвратить распространение TR. ⁵⁵

В связи с тем, что существующие коммерческие BMS не способны противодействовать TR ячейки, а вентиляционные каналы не могут остановить распространение, необходимы новые и радикальные решения для предотвращения распространения тепла от ячейки к ячейке, пожара и дефлаграции.А пока разработчики и производители литий-ионных аккумуляторов должны стремиться к согласованию ячеек на основе импеданса анода, катода и электролита, мониторинга внутренней температуры ячейки, а также выявления и противодействия вентиляции перед TR, ведущей к выделению горючего газа.

На пути к интеллектуальной BMS

Колебания потребляемой мощности варьируются от нескольких Вт в смартфонах до кВт в электромобилях и сотнях кВт в электрических сетях. Хотя нет прямых доказательств того, что колебания мощности могут вызвать отказ батареи, сбои в подаче электроэнергии и пожары, вызванные батареей, являются обычным явлением в электрических сетях и в электромобилях. ⁹ Такие сбои и пожары и даже незапланированные простои, вызванные преждевременным старением аккумуляторных элементов, могут быть дорогостоящими. Даже BMS с расширенными функциями ⁵⁴ может оказаться недостаточным для обеспечения экономичного использования литий-ионных аккумуляторов в электромобилях и электрических сетях. Чтобы предотвратить перебои в подаче электроэнергии и снизить затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание, BMS должна быть намного «умнее» и способна работать вместе с «интеллектуальными» устройствами маршрутизации питания (iPROUD). Это было основной целью программы Advanced Management and Protection of Energy Storage Devices (AMPED) 2012 года, спонсируемой Министерством энергетики США. ⁹³ Спустя десятилетие такая цель все еще остается открытой.

Схема концепции BMS-iPROUD показана на рис. 3. ⁹⁴ В этом примере роль iPROUD заключается в получении информации не только от BMS, но и от нагрузки, а также от электросети через двусторонние каналы связи.

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 3. Схема интеллектуального устройства маршрутизации мощности (iPROUD), работающего в тандеме с BMS для оценки состояния готовности каждой ячейки в батарее, а затем принятия решений о возможностях батареи для поддержки меняющегося энергопотребления и получать энергию из сети.

Загрузить рисунок:

Цель устройства iPROUD — регулировать скорость, с которой аккумулятор получает и накапливает энергию из сети, а также скорость, с которой аккумулятор поддерживает нагрузку. BMS с датчиками внутреннего состояния (напряжения, температуры, импеданса и т. Д.) Каждой ячейки контролирует и управляет каждой ячейкой в ​​батарее и вводит эти данные в iPROUD. Он использует данные, чтобы связать внутреннее состояние каждой ячейки с функциональными возможностями батареи и объединяет данные с информацией, которую он получает от нагрузки, чтобы определить уровень поддержки питания, доступный от батареи.Он принимает аналогичные решения по взаимодействию между сеткой и батареей. Если BMS обнаруживает ненормальное внутреннее состояние какой-либо ячейки в батарее, iPROUD не позволит заряжать модуль с аномальной ячейкой, пока состояние ячейки не вернется в нормальное состояние. Один из примеров — «быстрая зарядка» батареи при использовании внутренней температуры элемента для принятия решения о зарядке — показан на рис. 4.

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рисунок 4. Сокращение времени зарядки на 25% достигается за счет ограничения внутренней температуры элементов (Tint) и ее использования в качестве одного из параметров управления во время зарядки. В показанном примере аккумулятор на 5,3 Ач заряжается быстрее, чем рекомендуется, при этом ограничивается значение Tint <35 ° C и напряжение элемента до 4,2 В.

Загрузить рисунок:

Быстрая зарядка аккумулятора — это не только вопрос удобства электромобилей, но и необходимость в электросетях.Это также рабочий параметр, который может увеличивать внутреннюю температуру элемента, потенциально ускоряя старение и приводя его к TR и вентиляции. Попытки использовать температуру поверхности в качестве параметра для защиты ячеек от вентиляции потенциально вводят в заблуждение и, следовательно, вредны. Данные на рис. 4 относятся к одному элементу (5,3 Ач) в аккумуляторе, который первоначально заряжается со скоростью почти 2 ° C. Элемент в этом примере обычно заряжается со скоростью 0,7 C, и для достижения полной зарядки после полной разрядки требуется примерно 120 минут.IPROUD в этом примере переключал ток на ноль, когда T _int увеличивался выше 35 ° C, позволяя внутренней части элемента остыть, и ограничивал скорость зарядки 0,7 C и 0,5 C в другое время. Общее время полной зарядки аккумулятора по-прежнему составляло 95 мин. Напротив, если бы температура поверхности ячейки была выбрана в качестве параметра и ее предел был установлен на 35 ° C для отключения тока, то T _int увеличился бы до гораздо более высокого значения, что в лучшем случае привело бы к ускоренному старению ячейки и в TR на худой конец.

Пример использования T _int и напряжения элемента в качестве параметров управления с помощью iPROUD можно расширить, включив в него электролит элемента, сопротивление переносу заряда и кулоновскую емкость, чтобы улучшить управление аккумулятором для повышения безопасности, долговечности и эффективности. хранение энергии и доставка энергии.

Термический разгон литий-ионных аккумуляторов, в которых используются концентрированные электролиты на основе LiN (SO 2 F) 2

Цикличность и термические свойства электролитов

На рис. 1а показано, что 0.Карманный элемент 93Ah Gr | NMC811 с ​​концентрированным электролитом LiFSI / DMC обеспечивает стабильную зарядно-разрядную емкость более 300 циклов при C / 3. Средняя кулоновская эффективность составила 96,6%, а сохранение емкости 94,5% (рис. 1b), что указывает на подавленное растворение Al и стабильный SEI на графите во время циклирования ^20,24,29 . Ячейка с обычным 1 M LiPF ₆ / EC: EMC (3: 7 по объему) электролитом показывает сравнимые электрохимические характеристики, сохранение емкости после 300 циклов составило 93.9%. Концентрированный электролит LiFSI / TMP в ячейке мешочка также исследовали в течение двух циклов перед оценкой безопасности, и он показал кулоновскую эффективность 99,5% (рис. 1а). Для карманных ячеек Gr | NMC532 кривые заряда и разряда также продемонстрировали стабильные электрохимические характеристики с концентрированными электролитами (дополнительный рисунок 1 и дополнительное примечание 1).

a Графики заряда и разряда батареи Gr | NMC811 с ​​LiFSI / DMC (1: 1.9 молярно), LiFSI / TMP (1: 1,9 по молярности) и обычный 1 M LiPF ₆ / EC: EMC (3: 7 по объему). Все батареи имеют реверсивную емкость 0,93 Ач, что приблизительно соответствует проектной емкости 0,95 Ач. b Циклические характеристики батареи Gr | NMC811 с ​​концентрированным электролитом LiFSI / DMC и 1 M LiPF ₆ / EC: EMC. c Кривые ТГА показали потерю веса концентрированных электролитов LiFSI / DMC и LiFSI / TMP и электролита 1 M LiPF ₆ / EC: EMC. d Воспламеняемость концентрированных электролитов LiFSI / DMC и LiFSI / TMP и 1 M LiPF ₆ / EC: электролит EMC. Испытания на зажигание проводились с использованием полиэтиленовых сепараторов, насыщенных электролитами. Воспламенитель создавал пламя с температурой выше 1400 ° C. На фотографиях отображен момент, когда электролиты горели наиболее сильным пламенем.

Кривые ТГА (см. Рис. 1c) показывают, что потеря веса концентрированного электролита LiFSI / TMP составляла всего 0.На 7 мас.% Ниже 180 ° C, что значительно ниже, чем у электролита LiFSI / DMC (18,2 мас.%) И разбавленного карбонатного электролита (26,5 мас.%). Эти результаты также показывают, что воспламеняемость концентрированного электролита LiFSI / DMC ниже, чем у разбавленного обычного электролита, поскольку использовалось меньше растворителя, а жизнеспособность DMC была значительно изменена структурой сольватации. Затем на рис. 1г представлены фотографии сепараторов, насыщенных электролитами во время испытания на зажигание.По сравнению с обычным электролитом, концентрированный электролит с ДМК все еще воспламеняется, но с умеренным пламенем, тогда как концентрированный электролит с самозатухающим растворителем ТМП не сгорает полностью, что доказывает, что концентрированный LiFSI / ТМП не является негорючим. -горючие (подробности см. в дополнительной таблице 1 и дополнительном примечании 2). Согласно приведенной выше термической оценке, концентрированные электролиты демонстрируют лучшую термическую стабильность и, возможно, более низкую воспламеняемость, чем разбавленные электролиты, что согласуется с предыдущими отчетами ^24,29,30 .

Однако сообщалось, что прямые окислительно-восстановительные реакции между заряженным катодом и анодом являются серьезными для химического состава аккумуляторов с высокой плотностью энергии, что может привести к тепловому разгоне даже без электролитов или ISC ^12,13 . Таким образом, оценки безопасности батареи только на основе использованных электролитов недостаточно, и необходимо систематически учитывать взаимодействие между электролитами и заряженными электродами.

Характеристики безопасности LiFSI / DMC в батареях Gr | NMC

Характеристики теплового разгона аккумуляторов Gr | NMC с концентрированными LiFSI / DMC и обычных 1 M LiPF ₆ / EC: Электролиты EMC сравниваются на рис.2. Замечено, что все батареи были доведены до точки теплового разгона, хотя термическая стабильность концентрированного электролита была явно выше. Три характеристических температуры { T ₁ , T ₂ , T ₃ } были определены для описания теплового поведения батарей с различными электролитами ^7,11,13 . В этом исследовании, в случае концентрированных и обычных электролитов, T ₁ находился при ~ 130 ° C, а T ₃ находился между 650 ° C и 730 ° C, тогда как T ₂ показал совершенно другое значение (рис.2). T ₂ была определена как температура срабатывания теплового разгона. В этой критической точке и после нее температура батареи экспоненциально увеличивалась и не могла быть отключена никакими мерами по рассеиванию тепла. Причинами могут быть как тяжелые экзотермические реакции, так и ISC. Если T ₂ вызвано одной химической реакцией или группой химических реакций, ту или эти реакции можно определить как инициирующую реакцию теплового разгона.Огромное тепло, генерируемое при T ₂ реакцией запуска, немедленно вызовет единственную экзотермическую реакцию или группу новых экзотермических реакций между компонентами батареи, вызывая резкое повышение (на сотни градусов в секунду) температуры батареи. Понимание механизмов, лежащих в основе T ₂ , имеет решающее значение для разработки более безопасных литий-ионных батарей.

Аккумулятор Gr | NMC811 с ​​концентрированным электролитом LiFSI / DMC. На вставке показана воспламеняемость батареи при испытании на боковой нагрев. b Gr | NMC811 аккумулятор с обычным электролитом 1 М. c Gr | NMC532 аккумулятор с концентрированным электролитом LiFSI / DMC. d Gr | NMC532 аккумулятор с обычным электролитом 1 М. d T / d t — T Кривые аккумуляторов Gr | NMC811 и Gr | NMC532, основанные на тесте ARC, были построены в логарифмических координатах. T ₁ была определена как начальная температура самонагрева, которая возникает в результате начала цепных реакций внутри батареи, приводит к самопроизвольному и непрерывному повышению температуры, если батарея находится в условиях плохого рассеивания тепла. или почти адиабатическое состояние. T ₂ была определена как предустановленная температура срабатывания теплового разгона при d T / d t , равная 1 ° C с ^-1 . T ₃ была определена как максимальная температура во время теплового разгона, которая является ключевым параметром при оценке разрушительной силы теплового разгона.

Для батареи Gr | NMC811 с ​​концентрированным электролитом LiFSI / DMC (рис. 2а) температура T ₂ находилась при 200,5 ° C. Падение OCV произошло при T ₂ , что совпадает с резким повышением температуры. Однако T ₂ ячейки с обычным электролитом достигли 213,1 ° C и одновременно с падением OCV (см. Рис. 2b), что на 12,6 ° C выше, чем в случае с концентрированным электролитом. T ₂ и OCV отображали повторяющиеся символы (дополнительный рис.2), а OCV не падал до ~ 213,1 / 214,8 ° C, что позволяет предположить, что сепараторы в ячейках могли выдерживать 213,1 / 214,8 ° C или даже более высокую температуру без ISC. Кроме того, тепло, выделяемое ISC, было оценено на основе внутреннего сопротивления батареи около T ₂ . ISC просто может внести a (d T / d t ) _ISC 0,06 ° C с ⁻¹ , что намного ниже 1 ° C с ⁻¹ при T ₂ (см. в дополнительном примечании 3).Таким образом, делается вывод, что для батарей Gr | NMC811 с ​​концентрированным электролитом экзотермический процесс, который приводит к T ₂ , вызван внутренними реакциями, а не ISC. Аккумулятор выделил большое количество тепла. Как следствие, нарушение целостности сепаратора или вздутие батареи, сопровождающееся бурными экзотермическими реакциями, привело бы к резкому падению напряжения ^1,12 . После T ₂ температура АКБ резко повысилась до максимальной температуры ( T ₃ = 652.2 ° C) за 15,4 с. Максимальное значение d T / d t во время теплового разгона составило 401,2 ° C с ⁻¹ . Между тем, сильное пламя наблюдалось при испытании на боковой нагрев (вставка на рис. 2a), а общий процесс показан в дополнительном фильме 1, что указывает на то, что батарея с концентрированным электролитом LiFSI / DMC была горючей даже во время теплового разгона. хотя электролит показал низкую воспламеняемость.

Также были исследованы тепловые характеристики батареи Gr | NMC532 с концентрированным электролитом LiFSI / DMC (см.рис.2в). Было также доказано, что химическая реакция является спусковым механизмом для теплового разгона (см. Подробности в дополнительном примечании 3). T ₂ оказалась равной 202,3 ° C, что близко к температуре батареи Gr | NMC811 с ​​концентрированным электролитом LiFSI / DMC. Однако батарея Gr | NMC532 с обычным электролитом по-прежнему показывала T ₂ при более высокой температуре (241,1 ° C, см. Рис. 2d). Сообщалось, что перекрестные помехи между катодом и анодом NMC532 возникли, когда реакции произошли при T ₂ ¹² .Во время или после T ₂ были инициированы наиболее экзотермические реакции, в которых катод выступал в качестве основного реагента. Таким образом, было понятно, что батареи Gr | NMC811 всегда демонстрировали более низкую T ₂ , чем батареи Gr | NMC532, когда с тем же электролитом ³⁵ .

Интересно, что значение T ₂ в батарее Gr | NMC811 было очень близко к значению T ₂ в батарее Gr | NMC532, когда в батарее использовался тот же концентрированный электролит LiFSI / DMC. оба они, и оба значения были ниже, чем у T ₂ в батарее с обычным электролитом.Эти явления указывают на то, что концентрированный электролит LiFSI / DMC не может повысить внутреннюю безопасность батареи, даже несмотря на то, что концентрированный электролит был более термически стабильным, чем обычный электролит. Затем довольно похожие T ₂ аккумуляторов NMC811 и NMC532 с концентрированным электролитом LiFSI / DMC показывают, что аналогичные химические реакции произошли при ~ 200 ° C и что эти реакции привели обе батареи к точке теплового разгона. Чтобы исследовать триггерные реакции в батареях, были использованы частичные элементы для моделирования всех возможных экзотермических реакций в батарее.

Вклад экзотермических реакций в тепловой разгон

Для обнаружения экзотермических реакций концентрированного электролита LiFSI / DMC в батарее Gr | NMC811, сравнение температурной зависимости d T / d t между полной ячейкой а частичные ячейки показаны на фиг. 3. В отличие от частичных ячеек AnEly и CaAn, частичные ячейки CaEly не подвергались тепловому разгоном. На кривой ARC не наблюдалось резкого повышения температуры, и ее T ₃ составляло 290 ° C.Между тем, максимальное значение d T / d t было даже ниже 0,1 ° C с ^-1 , что намного ниже 1 ° C с ^-1 . Эти результаты показывают, что тепло, генерируемое реакциями внутри частичного элемента CaEly, включая разложение материала катода и окисление электролита катодным материалом, было относительно небольшим до 290 ° C и не могло вызвать тепловой разгон батареи. Этот результат совпадает с низкой воспламеняемостью концентрированного электролита, поскольку горение отражало интенсивность, когда электролит окислялся кислородом воздуха, а результат ARC частичной ячейки CaEly отражал максимальную интенсивность, когда электролит окислялся кислородом воздуха. заряженный катод или кислород, выделяемый заряженным катодом.Частичные клетки AnEly и CaAn, напротив, могли быть доведены до теплового разгона (см. Рис. 3). T ₂ достиг 200,5 ° C, 202,5 ​​° C и 225,1 ° C в случае полной ячейки, AnEly и частичной ячейки CaAn, соответственно. Кроме того, максимальное (d T / d t ) _max для полной ячейки, AnEly и частичных ячеек CaAn составляло 401,2 ° C с ^-1 , 882,9 ° C с ^-1 и 164,0 ° С с ⁻¹ соответственно. Таким образом, можно примерно сделать вывод, что как частичные ячейки AnEly, так и CaAn могут вносить вклад в тепловой разгон в полной ячейке, но необходим дальнейший анализ, чтобы точно определить, какие из них вызывали запускающую реакцию, а какие из них обеспечивали основную реакцию во время тепловой разгон.

Частичные элементы AnEly, CaEly и CaAn были приготовлены из полностью заряженных батарей Gr | NMC811 для исследования вклада различных экзотермических реакций во время процесса теплового разгона батареи. Сравнивалась температурная зависимость d T / d t между полной ячейкой (пунктирная линия серого цвета) и частичными ячейками. В ячейке CaAn не было электролита, в то время как концентрированный электролит LiFSI / DMC использовался для всех других частичных элементов и полной батареи.

Для анализа триггерных реакций сравнивались значения d T / d t всех ячеек при 200,5 ° C ( T ₂ полной ячейки). Было замечено, что d T / d t частичной ячейки CaAn составляло 0,1 ° C s ^-1 (см. Треугольник на рис. 3), когда d T / d t полная ячейка достигла 1 ° C с ^-1 (см. кружок на рис. 3), что означает, что тепло, выделяемое частичной ячейкой CaAn при этой температуре, составляло не более 1/10 от общего тепла полной ячейки.Фактически, d T / d t частичной ячейки CaAn всегда составляло ~ 1/10 этого значения для полной ячейки. Поскольку при разложении катодного материала выделяется мало тепла, реакции внутри частичной ячейки из CaAn вносят небольшой вклад в T ₂ и накопление тепла перед T ₂ для полной ячейки. В результате частичная ячейка CaAn не может обеспечить пусковую реакцию. Напротив, d T / d t частичной ячейки AnEly было близко к 1 ° C s ^-1 при T ₂ , а кривые d T / d t AnEly и полная ячейка почти перекрывались около T ₂ .Это показывает, что динамика тепловыделения AnEly и полной ячейки была практически одинаковой. Таким образом, химические реакции между анодом и электролитом были точно такими же, как и в полной ячейке. Поскольку батарея была нагрета равномерно, а элемент был настолько мал, что его теплопроводность была достаточно хорошей, реакции должны происходить равномерно внутри элемента. Кроме того, экспоненциальный рост d T / d t с температурой можно отнести к экзотермическим химическим реакциям.То есть между анодом и электролитом происходили множественные реакции, и они также инициировались одна за другой с повышением температуры. В свою очередь, выделившееся тепло приводило к непрерывному повышению температуры полной ячейки. Когда температура ячейки стала близкой к T ₂ , была инициирована группа энергичных реакций, что привело к полному скачку температуры ячейки на уровне T ₂ . Эта цепная реакция очень сложна, и ее анализ будет прекрасным шансом для будущих исследований.В целом, рост температурных кривых AnEly и полных ячеек был очень похожим ниже T ₂ , что доказывает, что ячейка AnEly была ответственна за реакцию срабатывания, которая привела к тепловому разгоне батареи.

Всплеск после T ₂ , очевидно, можно было наблюдать в полных, AnEly и CaAn ячейках. Затем значение d T / d t постепенно уменьшалось, пока температура ячейки не достигла максимального значения. Хотя максимальная температура ( T ₃ ) трех типов ячеек различается, максимальная температура d T / d t ячеек AnEly и CaAn была доведена до сотен порядков величины, что указывает на что реакции в клетках AnEly и CaAn в основном ответственны за экзотермические реакции во время теплового разгона.Кроме того, T ₃ каждого из ячеек AnEly и CaAn было выше, чем у целого элемента, потому что некоторые из компонентов батареи не существовали в частичных ячейках AnEly и CaAn.

Q _TR использовалось для обозначения интенсивного тепловыделения во время теплового разгона, и его можно рассчитать по формуле. (1) ¹³ , где M обозначает массу ячейки (г), а C _p обозначает удельную теплоемкость (Дж · г ⁻¹ K ⁻¹ ; Дополнительная таблица 2 и дополнительное примечание 4).Диапазон температур для расчета тепла: Δ T (Δ T = T ₃ — T ₁ ). В таблице 1 показаны характеристические температуры и Q _TR ячеек, а также эквивалентное повышение температуры полной батареи (Δ T _экв. ), которое было вызвано реакциями в частичных элементах. Δ T _экв был рассчитан по формуле. (2). Частичная ячейка AnEly выпустила Q _TR из 7.0 кДж с Δ T _eq , равным 312,6 ° C, тогда как полная ячейка высвободила Q _TR с 11,5 кДж с Δ T , равным 516,9 ° C. Между тем, частичная ячейка из CaAn генерировала Q _TR 11,3 кДж с ΔT _экв 507,9 ° C, что означает, что окислительно-восстановительные реакции между анодом и катодом также могут генерировать огромное количество тепла от T ₂ до T ₃ ^12,13 . Частичная ячейка AnEly среди трех частичных ячеек была сначала доведена до теплового разгона.Если бы неполная ячейка AnEly передавала все тепло полной ячейке, реакция в ячейке CaAn могла бы обеспечить тепло, по крайней мере, 4,5 кДж для полной ячейки. Это указывает на то, что реакции как в клетках AnEly, так и в CaAn были основными реакциями во время теплового разгона. Кроме того, даже если катод был полностью инертен при всех температурах, тепло, выделяемое в результате реакций между анодом и электролитом, может привести полную батарею в состояние теплового разгона (см. Подробности в дополнительной таблице 3 и дополнительном примечании 5).Точно так же полная ячейка может быть доведена до теплового разгона, но при более высокой температуре, если электролит остается полностью инертным.

$$ Q _ {{\ mathrm {TR}}} = {\ mathrm {{\ Delta}}} T {\ sum} ({M \ cdot C _ {\ mathrm {p}}}) $$

(1)

$$ {\ mathrm {{\ Delta}}} T _ {{\ mathrm {eq}}} = \ frac {{Q _ {{\ mathrm {TR}}}}} {{{\ sum} ({M \ cdot C _ {\ mathrm {p}}})}} $$

(2)

На основании приведенного выше анализа можно сделать три вывода о тепловом разгоне Gr | NMC811. Во-первых, реакции между катодом и анодом мало способствовали T ₂ и накоплению тепла до T ₂ , что совпадает с низкой воспламеняемостью концентрированного электролита. Во-вторых, реакции в частичной ячейке AnEly были ответственны за накопление тепла ниже T ₂ , а также за запуск реакции теплового разгона.В-третьих, реакции как в парциальных ячейках AnEly, так и в CaAn были основными реакциями во время теплового разгона. В следующем разделе оценивается термическая стабильность отдельных материалов и их смесей для дальнейшего исследования инициирующих реакций и основных экзотермических реакций во время теплового разгона.

Термическая стабильность LiFSI / DMC в батарее Gr | NMC811

Тест DSC-TG-MS использовался для характеристики термостабильности компонентов элемента. Перечисляя все тепловые реакции отдельных и смешанных компонентов ячеек, можно исключить реакции внутри батареи во время развития теплового разгона.Поскольку химические реакции в частичной ячейке AnEly были нацелены на запускающую реакцию теплового разгона. Затем, во-первых, были измерены все возможные реакции между литированным анодом, концентрированным электролитом LiFSI / DMC, компонентами электролита и делитированным катодом (рис. 4 и дополнительная таблица 4).

a ДСК-следы литиированного анода, концентрированных компонентов электролита LiFSI / DMC и их смесей для батареи Gr | NMC811.На вставке — увеличенные пики An и An + DMC. b NO ₂ ( m / z = 46) выделение газа LiFSI, литированного анода и их смеси во время измерения DSC. c SO ₂ ( m / z = 64) выделение газа LiFSI, литированного анода и их смеси во время измерения DSC. d Потеря массы литиированного анода, LiFSI и их смеси. и ДСК-следы катода, катода, смешанного с концентрированным LiFSI / DMC, и катода, смешанного с анодом.

И литированный анод (An), и смесь An + DMC показали широкий и умеренный экзотермический пик при ~ 289 ° C (пунктирная рамка и вставка на рис. 4a), где соответствующие Δ H для обоих из их было ~ 70 Дж г ⁻¹ . Этот экзотермический пик может быть отнесен к реакции между литированным графитом и связующим на основе поливинилиденфторида ¹² , что совпадает с тем, что было показано кривой ТГА на плате (рис. 4d). В частности, вес поддерживали постоянным в диапазоне температур от комнатной температуры до 550 ° C, что согласуется с тем фактом, что в реакциях между литированным графитом и связующим не образовывались газы или улетучивающиеся жидкости.Добавление DMC не изменило его, что указывает на отсутствие реакции между An и DMC. Для LiFSI эндотермический пик при ~ 145 ° C можно отнести к плавлению LiFSI, так как потери веса при этой температуре не происходило (рис. 4d). Что касается концентрированного электролита, то пик при ~ 145 ° C исчезает (кривые LiFSI / DMC и An + LiFSI / DMC на рис. 4а). Экзотермический пик при ~ 350 ° C может быть связан с термическим разложением FSI ^{— 36,37} , поскольку 65% потери веса можно определить согласно рис.4d, а газы NO ₂ ( м / z = 46) и SO ₂ ( м / z = 64) выделялись при ~ 350 ° C из-за S – F и Обрыв S – N в ФСИ ^{— 36,37} (рис. 4б, в). Концентрированный электролит и LiFSI показали довольно похожий экзотермический пик при ~ 350 ° C, что указывает на высокую термическую стабильность между LiFSI и DMC. Кроме того, переход из состояния кристалла в состояние раствора не изменил поведения LiFSI при разложении.

Однако добавление литиированного анода приводит к очевидным изменениям теплового поведения LiFSI, что означает реакцию между ними. Как видно на рис. 4а, для смеси LiFSI и An _, , когда литиированный анод контактировал с концентрированным электролитом LiFSI / DMC, образец показал резкий экзотермический пик (602,9 Дж г ^-1 ) при 209,6 ° C, что в восемь раз больше, чем у анода, в то время как экзотермические пики не наблюдались при 350 ° C.Аналогично, для An + LiFSI газы NO ₂ и SO ₂ выделялись при 210,9 ° C, и они сопровождались интенсивным Δ H , равным 757,9 Дж / г ^-1 . Кроме того, кривая ТГА (рис. 4d) показала, что потеря веса почти 20% произошла при ~ 210 ° C, в то время как потеря веса при ~ 350 ° C была <3%, что указывает на то, что большинство порошков LiFSI реагировали с литированным анодом и полученным газом или летучими продуктами. Разумно, что кривая ДСК образца An + LiFSI / DMC не показала разложения LiFSI, так как тепла, выделяемого 3% -ным остатком LiFSI, было слишком мало.Кроме того, для свежего графита (Li ₀ C ₆ ) Li ₀ C ₆ + LiFSI показал эндотермический пик при 145 ° C без интенсивного экзотермического поведения при ~ 210 ° C, демонстрируя значительный нагрев. произведен в LiC ₆ + LiFSI в результате химической реакции между интеркалированным литием и LiFSI. Об этом также сообщается в исх. ³⁸ видно, что батарея, в которой используется электролит на основе LiFSI, показала экзотермический пик 1300 Дж / г ^-1 при ~ 200 ° C, связанный с химическим восстановлением аниона FSI ^— литиированным анодом ³⁸ .Для сравнения были исследованы температурные режимы LiPF ₆ и An + LiPF ₆ , которые показали, что LiPF ₆ не участвовал в пусковых или основных реакциях теплового разгона, совпадали с разными T ₂ значений концентрированных и обычных электролитов (см. Подробности на дополнительном рисунке 3 и дополнительном примечании 7).

Как показано на рис. 4e, катод NMC811 в состоянии полного заряда (Ca) показал небольшое значение Δ H , равное 100.6 Дж г ⁻¹ при 235,1 ° C, что можно отнести к фазовому переходу. Термическое поведение Ca + LiFSI / DMC означает, что катод NMC811 практически не вступает в реакцию с концентрированным электролитом LiFSI / DMC до температуры 320 ° C (см. Подробности в дополнительном примечании 6). Экзотермический пик при 350 ° C и 380 ° C в Ca + LiFSI / DMC может не сработать в частичной ячейке CaEly, поскольку система ARC перейдет в режим охлаждения, если ячейка не перейдет в режим теплового разгона при предварительно установленной температуре 290 ° С. Таким образом, экзотермическая реакция после 320 ° C вносит меньший вклад в тепловой разгон, который совпадает с термическим разгоном частичной ячейки CaEly.Кроме того, был исследован Ca + сепаратор с небольшим тепловыделением (дополнительный рисунок 4 и дополнительное примечание 8). Образец Ca + An показал два основных экзотермических пика, которые были сосредоточены при 239,5 ° C и 279,4 ° C соответственно. Были рассчитаны значения Δ H для двух экзотермических реакций, и они оказались в сумме 834,0 Дж / г ^-1 , причем предполагалось, что они возникли в результате потребления кислорода, продуцируемого катодом на аноде ^{. 12} .Реакция между катодом и анодом также вносила значительный вклад в нагрев во время теплового разгона, но это не была инициирующая реакция, которая совпадает с анализом Q _TR и поведением при тепловом разгоне частичной ячейки CaAn.

Из рис. 4 можно сделать два вывода. Во-первых, LiFSI может быть уменьшен за счет заряженного анода с выделением газа и выделением интенсивного тепла при ~ 210 ° C, что было триггерной реакцией, которая довела батарею до точки. тепловой разгон.Во-вторых, реакция между полностью заряженным катодом и анодом генерировала большое количество тепла, которое в значительной степени способствовало выделению тепла во время теплового разгона, но это не была инициирующая реакция.

Термическая стабильность LiFSI / DMC в батарее Gr | NMC532

Широко признано, что заряженные катоды участвуют в процессе теплового разгона и что батарея NMC532 более термически и химически стабильна, чем батарея NMC811, когда другие материалы батареи являются тоже самое.Согласно исследованию батареи NMC811 с ​​концентрированным электролитом LiFSI / DMC, заряженный катод участвовал только в тепловом разгоне, в то время как инициирующая реакция вызывалась анодом и концентрированным электролитом. Кроме того, батарея Gr | NMC532 была дополнительно использована для подтверждения теплового разгона при использовании концентрированных электролитов LiFSI / DMC (рис. 5). Как и в случае батареи Gr | NMC811, отдельные образцы An и Ca дали очень слабый экзотермический пик со значениями Δ H , равными 68.2 и 46,8 Дж / г ^-1 , соответственно (вставка на рис. 5а и в дополнительной таблице 5), что указывает на то, что без сильного окислителя или восстановителя An и Ca не могут вызвать большого разрушения в результате термического разложения. Что касается их смесей, два пика появились при 272,1 ° C и 394,3 ° C с общим Δ H 709,3 Дж г ^-1 . Считалось, что этот интенсивный нагрев довел батарею Gr | NMC532 с обычным электролитом до теплового разгона ¹² . Однако для концентрированного электролита LiFSI показал пик энергии ~ 350 ° C (рис.5а). Напротив, смесь An + LiFSI показала только один экзотермический пик при 210,5 ° C с Δ H , равным 767,8 Дж / г ^-1 , и с одновременным выделением газов NO ₂ и SO ₂ (см. Рис. 5а – в). Это изменение указывает на то, что между An и LiFSI имели место реакции. Подобно результатам в батарее Gr | NMC811, где An вызывал повреждение связей S – F и S – N в LiFSI с интенсивным тепловыделением ~ 210 ° C, нагрев был значительно большим, чтобы вызвать тепловой разгон. .На рис. 5г показаны кривые ТГА литиированного анода и LiFSI и их смеси. DSC-TG-MS характеристики литиированного анода, компонентов электролита и их смесей в батарее Gr | NMC532 совпали с таковой для батареи Gr | NMC811. Здесь для батареи Gr | NMC532 с концентрированным LiFSI / DMC также была продемонстрирована реакция запуска LiC ₆ + LiFSI.

a ДСК-следы литированного анода, катода, компонентов концентрированного электролита LiFSI / DMC и их смесей для батареи Gr | NMC532.На вставке — увеличенные пики Ca и An. b NO ₂ ( m / z = 46) выделение газа литированным анодом, LiFSI, и их смесью во время измерения DSC. c SO ₂ ( m / z = 64) выделение газа литированным анодом, LiFSI, и их смесью во время измерения DSC. d Потеря массы литиированного анода, LiFSI и их смеси.

Негорючий LiFSI / TMP в батарее Gr | NMC811

Выпуск DMC ниже T ₂ был фактором помех при анализе горения батареи Gr | NMC с концентрированным электролитом LiFSI / DMC, так как небольшое количество свободного ДМК легко воспламеняется, хотя воспламеняемость значительно снижается.Затем негорючий концентрированный электролит LiFSI / TMP был также исследован в батарее Gr | NMC811, чтобы дополнительно подтвердить интенсивные реакции между литированным графитом и LiFSI. К сожалению, батарея была доведена до теплового разгона при T ₂ 195,2 ° C (рис. 6a), что даже меньше, чем T ₂ батареи с концентрированным электролитом LiFSI / DMC. Как показано на рис. 6b, c, образец An + LiFSI / TMP показал интенсивный экзотермический пик при ~ 210 ° C, который сопровождался выделением газов NO ₂ и SO ₂ .Δ H оказалось равным 540,4 Дж / г ^-1 , что ниже, чем у концентрированного электролита LiFSI / DMC. Однако ТМП не смог предотвратить экзотермические реакции LiC ₆ + LiFSI. В результате тепловой разгон батареи все еще может быть инициирован, а затем продолжен даже с негорючим электролитом. Между тем, сильное пламя все еще можно было наблюдать при испытании на боковой нагрев (вставка на рис. 6а и дополнительный ролик 2). Это указывает на то, что, хотя концентрированный электролит LiFSI / TMP был негорючим, реакции между анодом и электролитом, а также реакции между катодом и анодом были достаточно интенсивными, чтобы вызвать сильный пожар.Известно, что горение происходит в результате реакции электролита с кислородом. В данном случае для концентрированных электролитов на основе LiFSI инициирующая реакция происходила между анодом и электролитом (рис. 6d), а реакция, которая способствовала тепловому неуправлению, была окислительно-восстановительной реакцией между катодом и анодом. Обе реакции не имели ничего общего с воспламеняемостью электролитов. Таким образом, безопасность аккумулятора не может быть оценена на основании воспламеняемости использованных электролитов.В целом, при оценке безопасности батареи следует тщательно учитывать сложные реакции между компонентами ячейки.

a Температурная зависимость d T / d t батареи Gr | NMC811 с ​​концентрированным LiFSI / TMP. На вставке показана воспламеняемость батареи при испытании на боковой нагрев. b Кривая ДСК и кривая ТГА образца An + LiFSI / TMP. c NO ₂ ( m / z = 46) и SO ₂ ( m / z = 64) газовыделение образца An + LiFSI / TMP. d Иллюстрация предлагаемого механизма теплового разгона концентрированных электролитов на основе LiFSI в батареях Gr | NMC. Значительное количество тепла, выделяемого при реакции LiFSI + LiC ₆ , приводит к тепловому разгону аккумуляторов Gr | NMC.

Пост-тестовый анализ

XPS-анализ был проведен на остатке DSC для дальнейшего подтверждения механизма теплового разгона.Во время измерения DSC реакция LiFSI с литированным анодом прекращалась при 230 ° C, что было в конце экзотермического пика (дополнительный рис. 5a). После охлаждения до комнатной температуры образец был передан для анализа XPS (дополнительный рис. 5b – e). Побочные продукты подтвердили химические реакции между LiFSI и LiC ₆ во время теплового разгона, предполагая, что огромное тепло было инициировано разрывом связей SF и SN с образованием Li ₂ CO ₃ , Li ₂ SO ₃ , Li ₂ SO ₄ , LiF и т. Д. (Подробности см. В дополнительном примечании 9).XPS-анализ An + LiFSI / TMP также был исследован (дополнительный рисунок 6 и дополнительное примечание 10).

Температура батареи: вы ее отслеживаете?

Ваша батарея больше не является черным ящиком — стоимость приобретения может составлять от 6 до 9 тысяч долларов. Итак, что после этих огромных инвестиций? Вы даже контролируете свои батареи на предмет температуры, уровня воды и состояния заряда (SoC)?

Повышенная температура — самая большая угроза для аккумулятора.Это угроза не только в том случае, если аккумулятор подвергается воздействию высоких температур внутри, но также и при нагревании окружающего воздуха за пределами аккумулятора. Следовательно, мониторинг температуры внутри батареи необходим для владельцев автопарков и менеджеров автопарков, чтобы получить от них максимальную отдачу.

Было проведено множество исследований воздействия тепла на батареи. Эти исследования показали, что высокие температуры снижают производительность и срок службы батареи.

Исследования показали, что с каждым повышением температуры на 8 ° C герметичная свинцово-кислотная батарея теряет половину своего жизненного цикла. Более того, если тепло повредило батарею, ее емкость не может быть возвращена.

Как уже упоминалось, проблемы с высокой температурой батареи возникают не только внутри нее; они бывают и внешне. Если температура батареи выше, чем температура окружающей среды вокруг нее, она может терять тепло из-за теплопроводности, конвекции и излучения. Если температура окружающей среды выше, чем внутренняя температура аккумулятора, аккумулятор нагревается.

В результате производители со временем улучшили свои батареи, чтобы они стали более устойчивыми к нагреванию. Исследование 2000 Battery Council International (BCI) показывает, что повышение температуры всего на 7 ° C может отрицательно сказаться на сроке службы батареи на один год. К 2010 году улучшения показали, что повышение температуры на 12 ° C приводит к потере одного года срока службы батареи.

Усовершенствования в батареях привели к тому, что срок службы батареи увеличился на 21 месяц.В 1962 году срок службы стартерной батареи составлял 34 месяца; в 2000 году он длился 41 месяц, а в 2010 году исследования показали, что в среднем он длился 55 месяцев.

Производители аккумуляторов быстро определили, что для аккумуляторов необходима система терморегулирования, и разработали такую ​​систему, которая помогает защитить весь аккумуляторный блок. Одна ячейка обычно работает сама по себе. Но при работе в координации со всеми элементами батареи, аккумуляторная батарея может испытывать резкое повышение температуры.

Еще одна угроза здоровью аккумулятора — это уровень воды, изучите передовые методы управления правильным количеством внутри каждой батареи.

Производители используют системы управления батареями для отвода тепла. Эти системы включают:

1. Защита от перегрева, которая контролирует температуру и прерывает путь тока, когда температура внутри батареи становится слишком высокой.

2. Рассеяние выделяемого тепла, которое приводит к отводу тепла от батареи, чтобы избежать температур, которые могут ее повредить.Тепло рассеивается за счет конвекции, теплопроводности и излучения.

3. Равномерное распределение тепла, которое помогает рассеивать тепло, локализовать и управлять горячими точками.

4. Принудительное охлаждение аккумуляторов, которые используются в мощных устройствах, включая электрические и гибридные электромобили.

В настоящее время проводятся дополнительные исследования по разработке более надежной защиты аккумуляторов. Например, исследователи из Стэнфордского университета экспериментируют с умными батареями, которые отключаются при достижении температуры, превышающей 71 ° C.Они перезапускаются только после остывания.

Температура также может влиять на зарядку аккумулятора. Например, зарядка аккумулятора при средней температуре увеличивает срок службы аккумулятора, а аккумулятор более эффективно принимает заряд при более высоких температурах. Однако батарея потребляет меньше тока при более низких температурах.

Аккумулятор лучше всего работает при температуре от 18 ° C до 25 ° C. При повышении температуры в батарее химическая реакция протекает быстрее.Это позволяет повысить производительность батареи. Хотя, если химическая реакция идет слишком быстро, химические вещества могут быть потеряны, а это сокращает срок службы батареи. Если температура поднимется еще выше, то произойдет тепловой разгон, который может отрицательно сказаться на сроке службы батареи.

Внутреннее сопротивление батареи увеличивается при более низких температурах, а мощность батареи уменьшается. Когда температура еще ниже, электролит может замерзнуть, в результате чего аккумулятор перестанет работать. Из-за этого многие зарядные устройства оснащены датчиками, измеряющими температуру.

Датчики температуры также необходимы на батарее, потому что тепло выделяется всякий раз, когда батарея заряжается, и увеличивает тепло окружающей среды и внутреннее тепло батареи. Таким образом, на зарядном устройстве требуется датчик температуры, поскольку температура аккумулятора высока; зарядное устройство снижает подачу напряжения для обеспечения максимальной зарядки и предотвращения перегрева аккумулятора. Зарядное устройство использует более высокое напряжение аккумулятора при более низких температурах, чтобы компенсировать повышенное сопротивление, вызванное низкой температурой.

Не уверены, какая батарея подходит для вашей работы? Посмотрите полное сравнение свинцово-кислотных и литий-ионных аккумуляторов.

могут полагаться на телематическую систему мониторинга и управления батареями, чтобы предупреждать об изменении температуры внутри их батарей, избегая проблем с перегревом, которые могут привести к повреждению батареи и даже взрыву. Устройство также может определить другие проблемы с аккумулятором, а затем предупредить вас об этих проблемах с помощью отчетов, чтобы вы могли сделать все необходимое для предотвращения дальнейших проблем.Отчеты также помогают в создании программы управления батареями и графика технического обслуживания, которые предотвращают возникновение проблем.

Посетите веб-сайт Access Control Group или проконсультируйтесь с представителем Access, чтобы узнать больше о том, как телематические продукты могут обеспечить полный срок службы батарей вашего парка. Наши решения могут даже помочь защитить ваш персонал от возможных травм и несчастных случаев.