Аналіз пожежної небезпеки електромобілів за термічною стабільністю силової літієвої акумуляторної батареї

Abstract

Постановка проблеми. Чисельність світового автопарку налічує понад 1 мільярд одиниць і за прогнозами впродовж 50 років їх кількість зросте до 2,5 мільярдів. До складу автопарку входять транспортні засоби з двигунами внутрішнього згоряння (ДВЗ), а також ті транспортні засоби, які використовують альтернативні джерела енергії. Розвиток останніх спричинено вичерпанням запасів нафти та газу, колосальною кількістю викидів відпрацьованих газів від транспортних засобів, які обладнані ДВЗ, а також суворими екологічними стандартами, які накладаються на ДВЗ. Основними забруднювачами повітря у відпрацьованих газах ДВЗ є СО2, NOx, CO, NOx. Це вкрай погіршує екологічну ситуацію. Така тенденція призвела до бурхливого розвитку електромобілів. Очевидно, що стрімке збільшення кількості електромобілів призводить до збільшення небезпек, якими вони супроводжуються. Однією з таких небезпек є їх пожежна небезпека. Мета дослідження полягає у виявленні та класифікації чинників впливу на пожежну небезпеку електромобілів, з метою створення підгрунття для її підвищення. Опис матеріалу. Незважаючи на те, що в сучасному електромобілі, передбачено сиcтему керування (BSM) силовою АКБ, (контроль заряду/розряду (SOC), контроль за ємністю (SOH) і температурою (SOT) АКБ), використання термозапобіжників, а також запобіжних вентиляційних отворів для стравлення надлишкового тиску з комірки АКБ, виникають несправності, які викликають незворотну екзотермічну реакцію, що закінчується пожежою чи навіть вибухом. Власне контроль та управління температурою силової АКБ є визначальним чинником безпеки електромобіля в цілому. До основних причин виникнення незворотньої екзотермічної реакції силових АКБ відносять порушення правил експлуатації. До порушень правил експлуатації можна віднести: надмірну зарядку АКБ, механічне пошкодження, в тому числі внаслідок ДТП, перевантаження силової установки електромобіля, що призводить до протікання по провідниках струмів перевантаження. Порушення правил експлуатації призводять до перегрівання АКБ, що ініціює незворотню екзотермічну реакцію з подальшим займанням чи вибухом. Механічне пошкодження призводить до короткого замкнення АКБ, що також ініціює незворотню екзотермічну реакцію. Вже при досягненні температури 80 ˚С в силовій АКБ можуть виникнути незворотні теплові процеси, а при досягненні 130 ˚С відбувається плавлення сепаратора, що призводить до короткого замкнення (КЗ) АКБ. При повністю зарядженій батареї температура, в одній комірці АКБ при КЗ може сягати 700 ˚С і більше. Серед усіх типів батарей, які використовуються у сучасних електромобілях, NCA є найбільш пожежно небезпечними (в той же час NCA має найкращі характеристики, по питомої енергетичної ємності). Після неї більш пожежобезпечною є літій-іонна батарея, катод якої виготовлений на основі оксиду літій-кобальту (LCO), після неї слідує літій-іонна батарея, катод якої виготовлений на основі оксиду літій-нікель-кобальт марганецю (NMC) і літій-іонна батарея, катод якої виготовлений на основі оксиду літій-марганцю (LMO) Найбільш небезпечною є літій-іонна батарея катод якої виготовлений на основі оксиду літій-ферум-фосфат (LFP). Висновки. За результатами аналітичних досліджень визначено та про класифіковано чинники впливу на пожежну небезпеку EV. Це конструктивні, експлуатаційні та обслуговувальні чинники. Конструктивні чинники: тип силової АКБ, ємність АКБ, наявність систем безпеки, керування та контролю за силовою АКБ, захищеність АКБ від механічного пошкодження. Експлуатаційні чинники: вік електромобіля та стан SOC. Обслуговувальні чинники: недотримання чи порушення правил технічного обслуговування, використання нештатних зарядних пристроїв. У разі виникнення екзотермічних реакцій з АКБ виділяються (з наступним горінням чи вибухом) легкозаймисті і токсичні гази, серед яких: водень, метан, етан, чадний, вуглекислий гази та ряд інших. АКБ електромобіля при екзотермічній реакції здатна створити смертельну концентрацію СО у салоні електромобіля за кілька секунд. Силова АКБ становить найбільшу небезпеку, маса її може становити 200-600 кг для легкового автомобіля. Вже при досягненні 80 °С у літій-іонних батареях можуть виникати екзотермічні реакції, які спричиняють різке підвищення температури АКБ з наступним займанням та/або вибухом.