Я пытался разработать систему зарядки для маленького робота, работающего на 2S 20C литий-полимерной (LiPo) батарее. Если бы я доверял всему, что читаю онлайн, я бы поверил, что LiPo убьет меня во сне и украдет мои сбережения. Общий совет, который я прочитал, если вы достаточно смелы, чтобы использовать LiPo-батареи, это «никогда не оставляйте без присмотра», «никогда не заряжайте поверх легковоспламеняющейся или проводящей поверхности» и «никогда не заряжайте со скоростью, превышающей 1 C ».
Я понимаю, почему это разумно, но каков реальный риск с батареями LiPo?
Почти каждый сотовый телефон, как Android, так и iPhone, содержит литий-ионный аккумулятор, который большинство людей, включая меня, заряжают без присмотра - часто оставаясь на огнеопасной или проводящей поверхности. Тем не менее, вы никогда не слышали о том, чтобы кто-то загорелся, потому что его мобильный телефон взорвался. Да, я знаю, что есть странные аварии, но насколько опасны современные батареи LiPo? Почему так много онлайн-комментаторов относятся к автономным батареям LiPo как к бомбам, ожидающим взрыва, но даже не задумывались о том, чтобы LiPo сидел в их кармане?
Ответы:
Каждый сотовый телефон (а также ноутбук и почти все с аккумулятором) использует LiIon / LiPo (по существу, эквивалентный для целей этого обсуждения). И вы правы: с точки зрения реальных случаев, литий-ионный и литий-полимерный - самый безопасный химический состав батарей, который можно широко использовать, не исключая.
И единственная причина, по которой эта вездесущая химия не убила вас и / или вашу семью несколько раз, заключается в том, что эти клетки не заряжаются без присмотра. Возможно, вы не посещаете его лично, но каждая из этих литий-ионных батарей имеет значительное количество схем защиты и контроля, которые постоянно встроены в комплект. Он действует как привратник. Он контролирует каждую ячейку в батарее.
Действительно, каждая отдельная батарея телефона, батарея ноутбука *, независимо от того, какая батарея является литиевой, является наиболее тщательно отслеживаемой, тщательно исследуемой и активно управляемой, диаметрально противоположной «необслуживаемой», которую можно получить за батарею.
И причина, по которой так много дополнительных проблем, заключается в том, что литий-ионные батареи на самом деле настолько опасны . Им нужна схема защиты, чтобы быть в безопасности, и они даже удаленно не безопасны без нее. Другие химические препараты, такие как NiMH или NiCad, могут использоваться относительно безопасно, как голые клетки, без какого-либо контроля. Если они становятся слишком горячими, они могут выпустить воздух (что случилось со мной лично), и это может быть довольно поразительно, но это не сожжет ваш дом или посадит вас на длительное пребывание в ожоговом блоке. Литий-ионные аккумуляторы сделают и то и другое, и это в значительной степени единственный результат. По иронии судьбы литий-ионные аккумуляторы стали самой безопасной упакованной батареей, поскольку являются наиболее опасным химическим составом аккумуляторов.
Вам может быть интересно, что на самом деле делает их такими опасными.
Другие аккумуляторные батареи, такие как свинцово-кислотные или NiMH или NiCad, не находятся под давлением при комнатной температуре, хотя тепло создает некоторое внутреннее давление. У них также есть водные, негорючие электролиты. Они накапливают энергию в форме относительно медленной реакции окисления / восстановления, скорость выделения энергии которой слишком мала, чтобы, скажем, заставить их испускать 6-футовые струи пламени. Или любое пламя, правда.
Литий-ионные аккумуляторы принципиально разные. Они накапливают энергию, как источник. Это не метафора. Ну как две пружины. Ионы лития проталкиваются между атомами ковалентно-связанных материалов анода, раздвигая их и «растягивая» связи, накапливая энергию. Этот процесс называется интеркаляцией . При разряде ионы лития выходят из анода в катод. Это очень сильно электромеханически, и как анод, так и катод испытывают значительные механические нагрузки из-за этого.
Фактически, как анод, так и катод поочередно увеличивают или уменьшают физический объем в зависимости от состояния заряда аккумулятора. Это изменение в объеме неравномерно, поэтому полностью заряженная литий-ионная батарея фактически оказывает нетривиальное давление на свой контейнер или другие его части. В отличие от других химикатов, литий-ионные аккумуляторы обычно находятся под большим внутренним давлением.
Другая проблема заключается в том, что их электролит представляет собой летучий, чрезвычайно легковоспламеняющийся растворитель, который будет гореть довольно быстро и легко.
Сложная химия литий-ионных ячеек даже не до конца понятна, и есть несколько разных химикатов с разными уровнями реактивности и присущей им опасности, но те, которые имеют высокую плотность энергии, могут все подвергнуться тепловому побегу. В основном, если они становятся слишком горячими, ионы лития начнут реагировать с кислородом, хранящимся в виде оксидов металлов в катоде, и выделять еще больше тепла, что еще больше ускоряет реакцию.
Что неизбежно приводит к тому, что батарея самовоспламеняется, распыляет легко воспламеняющийся электролит растворителя из себя и быстро воспламеняет ее, теперь, когда имеется свежая подача кислорода. Это всего лишь бонусный огонь, однако все еще остается тонна огня от окисления металлического лития с достаточным запасом кислорода внутри.
Если им становится слишком жарко, это случается. Если они перегружены, они становятся нестабильными, и механический удар может заставить их взорваться, как граната. Если они перегружены, часть металла в катоде подвергается необратимой химической реакции и образует металлические шунты. Эти шунты будут невидимы до тех пор, пока зарядка не расширит часть батареи до такой степени, что разделительная мембрана будет пробита одним из этих шунтов, что приведет к короткому замыканию, что, конечно, приведет к возгоранию и т. Д. любовь.
Итак, чтобы быть ясным, перезарядка не только опасна, но и чрезмерно разряжена, и батарея будет ждать, пока вы не накачаете тонну энергии обратно, прежде чем эффектно обрушится на вас, без каких-либо предупреждений или измеримых признаков ,
Это охватывает потребительские батареи. Тем не менее, все эти защитные схемы не в состоянии смягчить опасность применения с высоким расходом. Высокий сток генерирует немалое количество тепла (что плохо) и, что еще более тревожно, он вызывает огромные механические нагрузки на анод и катод. Трещины могут образовываться и расширяться, приводя к нестабильности, если вам не повезло, или просто к сокращению срока полезного использования, если он не слишком серьезен. Вот почему вы видите LiPos с рейтингом «С», или как быстро они могут быть безопасно разряжены. Пожалуйста, отнеситесь к этим оценкам серьезно и обесцените их, как из-за безопасности, так и потому, что многие производители просто лгут о рейтинге C своих батарей.
Несмотря на все это, иногда RC Lipo просто загорается без причины. Вы абсолютно должны прислушаться к предупреждениям, чтобы никогда не обвинять их без присмотра, и все остальное. Вы должны купить защитную сумку, чтобы зарядить их, потому что это может помешать вашему дому сгореть (возможно, с вами или с близкими внутри). Даже если риск очень низкий, ущерб, который он может нанести, огромен, и меры, необходимые для уменьшения большей части этого потенциала ущерба, тривиальны.
Не игнорируйте все, что вам говорят - это все на месте. Это исходит от людей, которые научились уважать LiPos за то, что они есть, и вы тоже должны. Чего вы определенно хотите избежать, так это того, чтобы этот урок преподал вам литий-ионный аккумулятор вместо одноранговых онлайн и офлайн. Последний может поджечь вас на форуме, но первый буквально подожжет вас.
Давайте посмотрим несколько видео взрыва материала!
Позвольте мне немного подробнее рассказать о том, как они терпят неудачу. Я обсуждал механизм, но что на самом деле происходит? Литий-ионные аккумуляторы действительно имеют только один режим отказа, который является своего рода взрывом, после чего в течение нескольких секунд вырабатывается потрясающе большое количество огня в гигантской струе пламени, а затем после этого продолжаются общие действия, связанные с горением. Это химический пожар, поэтому вы не можете его погасить (литий-ионные батареи будут по-прежнему стрелять огромными струями огня даже в космическом вакууме. Окислитель содержится внутри, ему не нужен воздух или кислород для горения). О, и бросание воды на литий не приносит пользы , по крайней мере, с точки зрения уменьшения пожара.
Вот список «лучших хитов» некоторых хороших примеров неудач. Обратите внимание, что это иногда случается в корпусах RC с большим стоком даже при соблюдении надлежащих мер безопасности. Сравнение приложений с высоким энергопотреблением с гораздо более безопасными и более низкими токами телефонов не совсем корректно. Сотни ампер - несколько сотен миллиампер.
Отказ самолета RC.
Нож наносит удары по размеру батареи смартфона.
Заряженный LiPo самопроизвольно взрывается.
Аккумулятор ноутбука при тепловом разгоне слегка нажимается, что приводит к его взрыву.
источник
Для безопасного использования батарей Lipo вы должны обращаться с ними так же, как со всем, что может хранить и быстро выделять большое количество химической и / или электрической энергии. Чем больше батарея и чем ниже внутреннее сопротивление (например, выше рейтинг С), тем больше вам нужно быть осторожным. Они могут использоваться безопасно ... точно так же, как бензин может использоваться безопасно, но для этого вы должны узнать о том, как они работают и как они могут выйти из строя.
Когда вы думаете об этом, неудивительно, что, например, батарея Тесла имеет примерно такой же уровень риска, что и бензобак, который она заменяет ... они оба хранят много энергии, которая может быстро высвобождаться при необходимости. Ну, на самом деле, я немного вру, потому что батарея Тесла удерживает энергию только крошечного бензобака и бензина, и в него встроено больше проверок безопасности.
Я безопасно использовал большие батареи Lipo в высокопроизводительных R / C самолетах и вертолетах (до 90C) в течение примерно 15 лет (я был ранним последователем). Помимо собственного опыта, у меня есть опыт других в моих клубах. В прошлом я видел сбой пакетов, но сейчас это действительно редко, потому что мы научились использовать их с уважением. Вот что я узнал, живя на грани. :)
Режимы отказа
Наиболее распространенные режимы отказа:
Наименее распространенные способы отказа, о которых я слышал (но никогда не видел):
Все вышеперечисленные режимы отказа могут привести к «вентиляции с дымом» или «вентиляции с пламенем». Новые липосакции с менее летучими электролитами могут «выделяться дымом», но в этом нельзя быть уверенным; поэтому вы должны планировать худший случай.
Стандартная операционная процедура (СОП)
Вот минимальная стандартная операционная процедура (SOP) для использования высокого разряда (любой блок R / C является высоким разрядом), который я использую:
Физическая защита
Между прочим, в отличие от того, что написал @metacolin, безопасно разряжать Lipo при низком напряжении, и это предпочтительная вещь перед утилизацией пакета. Вы хотите удалить всю химическую энергию из упаковки, чтобы сделать ее безопасной. Что небезопасно, так это разрядить элемент ниже 2 В и затем зарядить его. Зарядка низковольтного элемента может привести к тому, что литий разрядится, что сделает элемент нестабильным.
Зарядка (это самое критическое время для безопасности)
разрядка
Высокая температура
Долгая жизнь
Последние мысли по вашему вопросу
Так что, да, если вы разрабатываете безопасные СОП и принимаете меры для снижения риска, вы можете использовать Lipo в своем роботе. Пока вы полностью не поймете безопасные СОПы, я бы даже не подумал о создании собственного зарядного устройства или BMS. Умные люди потратили годы на такие вещи
В противном случае, в зависимости от ваших требований к дизайну, может быть, простая батарея NiMh, SLA может удовлетворить ваши потребности. Тем не менее, даже NiMh и SLA батареи имеют свои собственные СОП. Например, элементы NiMh могут взрываться из-за давления во время зарядки, если они перегружены и их клапан давления выходит из строя. SLA генерируют водородный газ! во время зарядки ... поэтому их нужно хорошо вентилировать.
Помните, что все полезное также может быть опасным. Липо не хуже, чем нож шеф-повара или крыло самолета, полное керосина. Хитрость заключается в том, чтобы научиться использовать их все с умом.
Редактировать: Противостояние дезинформации
Миф 1
@metacollin, пишет, что Липо "анод и катод испытывают значительные механические нагрузки"
Неверно ... Литий-полимерные элементы не испытывают значительных нагрузок при нормальной работе. Вот почему они могут быть упакованы в пластиковые пакеты.
Но не верьте мне на слово. Посмотрите, как этот эксперт скажет это в 10:00. (Оповещение спойлера: он называет аффект "мягким".)
https://www.youtube.com/watch?v=pxP0Cu00sZs
PS Я настоятельно рекомендую просмотреть все видео, если вам нужна информация от эксперта (а не от кого-то, кто притворяется экспертом).
Химический состав NiMh или NiCd на самом деле более опасен в отношении растяжения / повышения давления. Оба могут генерировать избыток кислорода, если они перегружены. Это одна из причин, почему элементы NiMh и NiCd содержатся в круглых металлических банках с вентиляционными отверстиями, а не в пластиковых контейнерах, таких как LiPo. Прочитайте эту спецификацию. лист для полного объяснения:
http://data.energizer.com/PDFs/nickelmetalhydride_appman.pdf
Миф 2
@ metacollin, «Им нужна схема защиты, чтобы быть в безопасности, и они даже без нее не защищены удаленно».
Правда . Однако важно то, что вся система батарей и зарядки работают вместе, чтобы все элементы батареи работали в соответствии со спецификацией. Существует несколько способов (топология) для этого:
Поскольку установленные на ячейке «защитные» схемы могут иметь только ограниченный размер, они, как правило, подходят только для слаботочных сценариев.
Если вы хотите закрепить, вы можете поместить соответствующий предохранитель в линию с пакетом.
Это то, что делают пользователи R / C, потому что они хотят, чтобы аккумуляторы были как можно более легкими и могли подавать большой ток.
С точки зрения безопасности, все эти настройки делают то же самое, что и полная система . Они просто делают это по-разному, потому что они оптимизированы для разных параметров.
источник
Когда крупная компания хочет сделать зарядное устройство LiPo, они могут:
A. Найдите специалистов по персоналу и проведите всестороннее тестирование, чтобы убедиться, что зарядное устройство будет работать безопасно во всем диапазоне рабочих условий.
Б. Покупайте готовые микросхемы или сборки, которым был предоставлен такой же уровень обслуживания.
C. Субподряд на работу людям, которые знают, что они делают.
Когда вы строите зарядную цепь дома, вы ничего такого не делаете.
Батареи LiPo, безусловно, могут загореться, как вам покажет поиск в YouTube . Вы найдете людей, которые активно уничтожают батареи гвоздями или даже топором , но вы также можете найти более реалистичные примеры, например, такой, как RC-самолет, сильно вспыхивающий из-за проблемы с зарядкой.
Отсюда и предупреждения - люди в интернете не могут гарантировать, что самодельная схема зарядки всегда будет работать безопасно, а режим отказа LiPo - «бомба». В конце концов, это и есть бомба - быстро высвобождается много энергии.
источник
[Хотя этот поздний ответ может получить мало информации сейчас, когда вопрос вышел из горячего списка, я думаю, что важно еще раз подчеркнуть контраст между всеобъемлющими функциями безопасности в таких устройствах, как ноутбуки и мобильные телефоны, и, как правило, гораздо менее всеобъемлющей безопасностью особенности в любителях или устройствах DIY.]
Контекст важен при оценке тех ужасных предупреждений безопасности, которые вы цитируете. Они не нацелены на такие устройства, как ноутбуки и мобильные телефоны (от известных производителей), которые используют тесно интегрированные схемы управления / защиты батарей для обеспечения их безопасности. Скорее, они предназначены для менее безопасных устройств, например, незащищенных ячеек LiPo, используемых в хобби RC, для питания автомобилей с дистанционным управлением, самолетов и т. Д. Ниже мы более глубоко рассмотрим эти различия в безопасности.
В отличие от других батарей, знакомых потребителям, батареи, основанные на химии литий-иона, по своей природе гораздо более летучие. Из-за этого им требуется очень тщательно разработанная схема управления батареями, чтобы защитить их от катастрофического отказа. Это включает в себя механизмы, которые препятствуют достижению ими опасных состояний (недостаточная или избыточная зарядка, перегрев, перегрузка по току и т. Д.) И, кроме того, могут отключать их при возникновении опасных условий (например, с помощью полевого транзистора, PTC или одноразового предохранителя). Такая логика может даже включать сложные алгоритмы, которые непрерывно контролируют состояние клеток, чтобы предсказать надвигающиеся серьезные сбои (такие как внутреннее короткое замыкание, которое может привести к тепловому убеганию).
В отличие от большинства пользовательских устройств для хобби / DIY, для ноутбуков и мобильных телефонов производитель контролирует всю подсистему питания от батареи, поэтому может разработать очень тесно интегрированную систему, включающую сложные отказоустойчивые механизмы защиты. Такие конструкции соответствуют проверенным временем отраслевым стандартам и используют несколько уровней избыточности и комплексные методы анализа отказов, например, анализ дерева отказов или FMEA = режимы отказов и анализ последствий.
Вы можете быть удивлены полнотой таких анализов, например, ниже приведены 2 из 96 случаев, рассмотренных в IEEE 1625 2004 , включая случай, когда домашнее животное мочится на устройстве (ПК).
Вы также можете быть удивлены высоким уровнем избыточности используемой защиты от сбоев, например, в соответствии с указанным отраслевым стандартом, аккумуляторы для ноутбуков должны реализовывать как минимум два независимых метода отключения зарядки FET для предотвращения катастрофической перезарядки. Кроме того, если оба метода дают сбой, то должен сгореть надежный химический предохранитель. Это специальный 3-контактный предохранитель, управляемый напряжением, который может работать даже в экстремальных условиях, например, когда напряжение аккумулятора падает очень низко из-за короткого замыкания.
Сравните вышесказанное с вашим проектом «Сделай сам» или с хобби RC, где конечный пользователь отвечает за интеграцию компонентов подсистемы батареи и обеспечение их безопасного взаимодействия (компонентами являются элементы, защитная плата BMS / PCM, устройство и зарядное устройство). Есть много препятствий, мешающих такому. Пользователь может не иметь достаточных знаний. Пользователь может не иметь доступа к таблицам данных и технической информации, которая, как правило, недоступна для потребителей (производители сотовых телефонов настоятельно не рекомендуют прямое потребительское использование, например, недавно Sony отправила заказ на прекращение и воздержание в магазин вейпинга NYC, продающий ячейки Sony 18650 - см. Ниже) , Отсутствие стандартных протоколов связи, таких как SBS = Smart Battery System в мире RC / хобби ограничивает связь между подсистемами, что значительно увеличивает сложность разработки сложных механизмов безопасности, таких как в ноутбуках.
Вот реальный пример: вопрос с форума TI по поддержке датчиков уровня заряда аккумулятора.
Выше приведен пример аккумуляторной батареи, в которой отсутствует 2-й и 3-й уровень защиты от перезарядки, описанный выше. Такое упущение функций безопасности характерно для многих более дешевых систем управления батареями. Не говоря уже о некоторых китайских производителях, которые сильно преувеличивают уровень реализованной защиты. Чтобы распознать такие упущения и понять их последствия, когда конечный пользователь является инженером, он должен иметь соответствующие базовые знания в данной области. Отсутствие такого может привести к конструкции с серьезными дефектами безопасности. Вот почему авторитетные производители сотовых телефонов, такие как LG, Panasonic, Samsung, Sanyo и Sony, отказываются иметь дело напрямую с потребителями. Риски слишком велики, если у человека нет достаточных знаний для обеспечения безопасного дизайна.
Ниже письмо Sony, упомянутое выше. Это типичное отношение авторитетных производителей ячеек к серьезным рискам безопасности, связанным с использованием потребителей незакрепленных ячеек.
Для удобства ниже приведены ссылки, приведенные в письме:
Электронные сигаретные пожары и взрывы , Управление пожарной охраны США, FEMA, октябрь 2014
Безопасность аккумуляторов , Ассоциация потребителей технологий.
источник
Все отличные ответы. Вот короткий. 7,4 вольт. Батарея на 5 ампер-часов имеет 37 ватт-часов энергии, или 133 200 джоулей. Сравните с 873 джоулями энергии дульного среза .357 Магнума. Хитрость заключается в том, чтобы не допустить одновременного перегрева или разрушения.
источник
Я думаю, что ваша информация устарела.
У меня был сотрудник, который был в самолетах RC. Они были ранними приверженцами технологии LiIon, потому что они легки и обладают большой силой.
Он рассказал, что у них было два режима отказа, один из которых был неоправданным. Самолеты буквально взорвались бы в огненном шаре во время полета.
В конечном итоге коммерческие ячейки, как я позже прочитал, имеют множество различных функций безопасности, встроенных в продаваемые блоки, как того требует закон.
Теперь они в безопасности, пока вы не сломаете или не сломаете один, или не дадите ему слишком нагреться. Регулирование нагрева является частью готовой конструкции устройства: у вас может быть плохая вентиляция или неправильное термическое плавление, что может привести к критическому состоянию. Некоторые новые продукты не настолько безопасны, в частности, «ячейки мешков», которые не обладают долговечностью, с которыми они могут работать, не будучи встроенными в правильно спроектированное устройство.
Итак, научитесь безопасно их использовать и узнайте конкретные детали деталей, которые вы выбрали для своего дизайна.
источник