Я пытался разработать систему зарядки для небольшого робота, работающего от литий-полимерной (LiPo) батареи 2S 20C. Если бы я доверял всему, что читаю в Интернете, я бы поверил, что LiPo убьет меня во сне и украдет мои сбережения. Общий совет, который я читал, если вы достаточно смелы, чтобы использовать LiPo аккумуляторы, звучит так: «никогда не оставляйте без присмотра», «никогда не заряжайте на легковоспламеняющейся или проводящей поверхности» и «никогда не заряжайте со скоростью выше 1 C ».
Я понимаю, почему это разумно, но каков реальный риск с батареями LiPo?
Почти каждый мобильный телефон, как Android, так и iPhone, содержит аккумулятор LiPo, который большинство людей, включая меня, заряжают без присмотра — часто оставляя на легковоспламеняющейся или проводящей поверхности. Тем не менее, вы никогда не услышите о ком-то, кто загорелся из-за того, что взорвался его мобильный телефон. Да, я знаю, что бывают странные аварии, но насколько опасны современные LiPo аккумуляторы? Почему так много онлайн-комментаторов относятся к автономным батареям LiPo как к бомбам, ожидающим взрыва, но даже не задумываются о том, что LiPo лежит в их кармане?
В каждом сотовом телефоне (а также в ноутбуке и почти во всех устройствах с перезаряжаемой батареей) используется литий- ионный /литий-полимерный аккумулятор (по сути, эквивалентный для целей данного обсуждения). И вы правы: с точки зрения реальных случаев, литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы являются самыми безопасными химическими элементами для широко используемых аккумуляторов, без исключения.
И единственная причина, по которой эта ныне вездесущая химия не убила вас и/или вашу семью несколько раз, заключается в том, что эти клетки не заряжаются без присмотра. Вы можете не присутствовать лично, но каждый из этих литий-ионных аккумуляторов имеет значительное количество схем защиты и контроля, которые постоянно интегрированы в аккумулятор. Он действует как привратник. Он контролирует каждую ячейку батареи.
Действительно, каждая батарея телефона, батарея ноутбука, *любая батарея, которая представляет собой перезаряжаемую литий-химию, находится под самым пристальным вниманием, тщательным изучением и активным управлением, что диаметрально противоположно «автоматизированному», как это может быть для батареи.
И причина, по которой возникает так много дополнительных проблем, заключается в том, что литий-ионные батареи на самом деле очень опасны . Им нужна схема защиты, чтобы быть в безопасности, а без нее они даже отдаленно не в безопасности. Другие химические вещества, такие как NiMH или NiCad , можно относительно безопасно использовать в качестве «голых» элементов без какого-либо контроля. Если им станет слишком жарко, они могут выйти наружу (что случилось со мной лично), и это может быть довольно пугающим, но это не сожжет ваш дом или не приведет к длительному пребыванию в ожоговом отделении. Литий-ионные батареи подходят и для того, и для другого, и это практически единственный результат. По иронии судьбы, литий-ионные аккумуляторы стали самыми безопасными упакованными аккумуляторами, поскольку они представляют собой наиболее опасный химический состав аккумуляторов.
Вам может быть интересно, что на самом деле делает их такими опасными.
Батареи с другим химическим составом, такие как свинцово-кислотные, никель-металлогидридные или никель-кадмиевые, не находятся под давлением при комнатной температуре, хотя тепло создает некоторое внутреннее давление. Они также имеют водные негорючие электролиты. Они хранят энергию в форме относительно медленной реакции окисления/восстановления, скорость высвобождения энергии которой слишком мала, чтобы, скажем, заставить их выбрасывать 6-футовые струи пламени. Или любое пламя, на самом деле.
Литий-ионные аккумуляторы принципиально разные. Они хранят энергию, как пружина. Это не метафора. Ну, как две пружины. Ионы лития проникают между атомами ковалентно связанного материала анода, раздвигая их и «растягивая» связи, запасая энергию. Этот процесс называется интеркаляцией . При разряде ионы лития перемещаются из анода в катод. Это во многом электромеханическое явление, и и анод, и катод испытывают из-за этого значительную механическую нагрузку.
Фактически, и анод, и катод попеременно увеличиваются или уменьшаются в физическом объеме в зависимости от состояния заряда батареи. Однако это изменение объема неравномерно, поэтому полностью заряженная литий-ионная батарея на самом деле оказывает нетривиальное давление на свой контейнер или другие части самой себя. Литий-ионные батареи обычно находятся под большим внутренним давлением, в отличие от других химических элементов.
Другая проблема заключается в том, что их электролит представляет собой летучий, чрезвычайно легковоспламеняющийся растворитель, который будет гореть довольно энергично и легко.
Сложная химия литий-ионных элементов даже не полностью изучена, и существует несколько различных химических реакций с разным уровнем реактивности и присущей им опасности, но все те, которые обладают высокой плотностью энергии, могут подвергаться тепловому разгону. По сути, если они становятся слишком горячими, ионы лития начинают реагировать с кислородом, хранящимся в виде оксидов металлов на катоде, и выделяют еще больше тепла, что еще больше ускоряет реакцию.
Неизбежным результатом является батарея, которая самовоспламеняется, выбрасывая из себя свой легковоспламеняющийся электролит-растворитель, а также быстро воспламеняет его, теперь, когда доступен свежий запас кислорода. Это всего лишь бонусный огонь, тем не менее, есть еще тонна огня от окисления металлического лития с достаточным запасом кислорода внутри.
Если они становятся слишком горячими, это происходит. Если они перезаряжены, то становятся нестабильными и от механического удара могут взорваться, как граната. Если они переразряжены, 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 настолько, что один из этих шунтов проткнет разделительную мембрану, создав полное короткое замыкание, что, конечно же, приведет к возгоранию и т. д. любовь.
Итак, просто для ясности: не только перезарядка опасна, но и чрезмерная разрядка, и батарея будет ждать, пока вы не закачаете в нее тонну энергии, прежде чем эффектно выйдет из строя, и без каких-либо предупреждений или измеримых признаков. .
Это относится к потребительским батареям. Однако вся эта схема защиты менее способна снизить опасность приложений с высоким потреблением энергии. Высокий сток выделяет немалое количество тепла (что плохо) и, что еще более тревожно, вызывает огромные механические нагрузки на анод и катод. Трещины могут образовываться и расширяться, что приведет к нестабильности, если вам не повезет, или просто к сокращению срока службы, если это не слишком серьезно. Вот почему вы видите, что LiPo аккумуляторы имеют рейтинг «C» или то, насколько быстро они могут быть безопасно разряжены. Пожалуйста, отнеситесь серьезно к этим рейтингам и понизьте их, как из соображений безопасности, так и потому, что многие производители просто лгут о рейтинге C своих батарей.
Несмотря на все это, иногда RC Lipo просто загорается без всякой причины. Вам обязательно нужно прислушаться к предупреждениям никогда не заряжать их без присмотра и все остальное. Вы должны купить защитную сумку, чтобы зарядить их, потому что это может предотвратить пожар вашего дома (возможно, с вами или близкими внутри). Даже если риск очень низок, ущерб, который он может нанести, огромен, и меры, необходимые для смягчения большей части этого потенциального ущерба, тривиальны.
Не игнорируйте все, что вам говорят — все в точку. Это исходит от людей, которые научились уважать LiPo за то, что они есть, и вы тоже должны это делать. Чего вы определенно хотите избежать, так это того, чтобы этот урок преподал вам литий-ионный аккумулятор, а не сверстники онлайн и офлайн. Последний может обжечь вас на форуме, но первый буквально обожжет вас.
Позвольте мне немного подробнее рассказать о том, как они терпят неудачу. Я обсудил механизм, но что происходит на самом деле? У литий-ионных аккумуляторов действительно есть только один режим отказа, который представляет собой своего рода взрыв, затем выбрасывание ошеломляюще огромного количества огня в виде гигантской струи пламени в течение нескольких секунд, а затем некоторое время после этого продолжаются обычные действия, связанные с горением. Это химический пожар, поэтому его нельзя потушить (литий-ионные батареи все равно будут выбрасывать огромные струи огня даже в космическом вакууме. Окислитель содержится внутри, для горения ему не нужен воздух или кислород). Да, и заливание лития водой ничего хорошего не дает , по крайней мере, с точки зрения уменьшения огня.
Вот список лучших примеров неудач. Обратите внимание, что это иногда происходит в корпусах RC с высоким потреблением энергии даже при соблюдении надлежащих мер безопасности. Сравнение приложений с высоким потреблением энергии с гораздо более безопасными и более низкими токами телефонов не совсем корректно. Сотни ампер ≠ несколько сотен миллиампер.
Неисправность радиоуправляемого самолета.
Нож протыкает батарею размером со смартфон.
Перезаряженный LiPo самопроизвольно взрывается.
Аккумулятор ноутбука в тепловом разгоне слегка нажимается, в результате чего он взрывается.
Indeed, every single phone battery, laptop battery, *whatever battery that is a rechargeable lithium chemistry is the most closely monitored, scrutinized, and actively managed diametric opposite of 'unattended' as one can get for a battery.
Вы недавно разбирали батареи RC? Я спрашиваю, потому что я видел несколько из них, у которых вообще нет схемы защиты. Когда вы объединяете это с враждебной средой, скажем, радиоуправляемых самолетов, я думаю, что есть место для некоторого беспокойства, и это может объяснить многочисленные видео взрыва и горения радиоуправляемых машин.Чтобы безопасно использовать аккумуляторы Lipo, вы должны относиться к ним с таким же уважением, как и ко всему, что может накапливать и быстро высвобождать большое количество химической и/или электрической энергии. Чем больше батарея и чем ниже внутреннее сопротивление (например, выше рейтинг C), тем больше вам нужно быть осторожным. Их можно безопасно использовать... точно так же, как можно безопасно использовать бензин, но для этого вы должны узнать, как они работают и как они могут выйти из строя.
Когда вы думаете об этом, неудивительно, что, например, батарея Tesla имеет примерно такой же уровень риска, как и бензобак, который она заменяет... они оба хранят много энергии, которую можно быстро высвободить, когда это необходимо. Ну, на самом деле, я немного лгу, потому что батарея Теслы содержит только энергию крошечного газового / бензинового бака, и в нее встроено больше проверок безопасности.
Я безопасно использовал большие батареи Lipo в высокопроизводительных радиоуправляемых самолетах и вертолетах (до 90 ° C батареи) в течение примерно 15 лет (я был одним из первых последователей). Помимо моего собственного опыта, у меня есть опыт других в моих клубах. Я видел, как в прошлом паки терпели неудачу, но сейчас это действительно редкость, потому что мы научились использовать их с уважением. Вот чему я научился, живя на грани. :)
Наиболее распространенные режимы отказа:
Наименее распространенные виды отказов, о которых я слышал (но никогда не видел):
Все перечисленные выше режимы отказа могут привести к «выходу с дымом» или «выходу с пламенем». Более новые липосакции с менее летучими электролитами могут «выдыхаться дымом», но вы никогда не можете быть в этом уверены; так что надо планировать на худший случай.
Вот минимальная стандартная операционная процедура (СОП) для использования упаковок с высоким разрядом (любая упаковка R / C с высоким разрядом) голых липо-упаковок, которые я использую:
Физическая защита
Кстати, в отличие от того, что написал @metacolin, безопасно разряжать Lipo до низкого напряжения, и это предпочтительнее делать перед тем, как утилизировать упаковку. Вы хотите удалить всю химическую энергию из упаковки, чтобы сделать ее безопасной. Что небезопасно, так это разряжать элемент ниже 2 В, а затем заряжать его. Зарядка элемента низкого напряжения может привести к выпадению лития, что сделает элемент нестабильным.
Зарядка (это самое критичное время для безопасности)
Разрядка
Нагревать
Долгая жизнь
Так что да, если вы разработаете безопасные стандартные процедуры и примете меры по снижению риска, вы можете использовать Lipo в своем роботе. Пока вы полностью не поймете безопасные СОП, я бы даже не подумал о создании собственного зарядного устройства или BMS. Умные люди потратили годы на подобные вещи.
В противном случае, в зависимости от ваших потребностей в дизайне, может быть, простая батарея NiMh, SLA может удовлетворить ваши потребности. Однако даже для NiMh и SLA-аккумуляторов есть свои СОПы, которым нужно следовать. Например, никель-металлогидридные элементы могут взорваться из-за давления во время зарядки, если они перезаряжены и их клапан давления выходит из строя. SLA производят газообразный водород! во время зарядки... так что их нужно хорошо проветривать.
Помните, что все полезное может быть и опасным. Липо не хуже поварского ножа или крыла самолета, наполненного керосином. Хитрость заключается в том, чтобы научиться использовать их все с умом.
@metacollin пишет, что Lipo «анод и катод испытывают значительные механические нагрузки».
Неверно ... Литий-полимерные элементы не испытывают значительных нагрузок при нормальной работе. Поэтому их можно упаковать в пластиковые пакеты.
Но не верьте мне на слово. Посмотрите, как этот эксперт говорит это в 10:00. (Осторожно, спойлер: он называет аффект «доброкачественным».)
https://www.youtube.com/watch?v=pxP0Cu00sZs
PS Я настоятельно рекомендую посмотреть видео целиком, если вам нужна информация от эксперта (а не от кого-то здесь, кто притворяется экспертом).
Химия NiMh или NiCd на самом деле более опасна в отношении нарастания деформации/давления. Оба могут генерировать избыток кислорода, если они перезаряжены. Это одна из причин, по которой элементы NiMh и NiCd содержатся в круглых металлических банках с предохранительными отверстиями, а не в пластиковых контейнерах, таких как LiPo. Прочтите эту спецификацию. лист для полного объяснения:
http://data.energizer.com/PDFs/nickelmetalhydride_appman.pdf
@metacollin, «Им нужна схема защиты, чтобы быть в безопасности, а без нее они даже отдаленно не в безопасности».
Правда . Однако важно то, что полная система аккумуляторов и зарядки работают вместе, чтобы все элементы аккумулятора работали в соответствии со спецификацией. Для этого существует более одного способа (топологии):
Поскольку схемы «защиты», монтируемые на ячейке, могут быть только ограниченного размера, они, как правило, подходят только для сценариев с низким током.
Если вам нужен предохранитель, вы можете установить соответствующий предохранитель вместе с пакетом.
Это то, что делают пользователи радиоуправления, потому что они хотят, чтобы батареи были как можно легче и могли выдавать большой ток.
С точки зрения безопасности все эти установки делают то же самое, что и полная система . Просто они делают это по-разному, потому что оптимизированы под разные параметры.
Когда крупная компания хочет сделать зарядное устройство LiPo, она может:
A. Имейте в штате специалистов и проведите всестороннее тестирование, чтобы убедиться, что зарядное устройство будет работать безопасно во всем диапазоне условий эксплуатации.
B. Покупайте готовые микросхемы или сборки, которым был дан такой же уровень заботы.
C. Поручите работу людям, которые знают, что делают.
Когда вы строите цепь зарядки дома, вы не делаете ничего из этого.
Батареи LiPo определенно могут загореться, как вам покажет поиск на YouTube . Вы найдете людей, активно уничтожающих аккумуляторы гвоздями или даже топором , но вы также можете найти более реалистичные примеры, например, этот , когда радиоуправляемый самолет сильно загорается из-за проблемы с зарядкой.
Отсюда и предостережения — люди в Интернете не могут гарантировать, что самодельная зарядная схема всегда будет работать безопасно, а режим отказа LiPo — «бомба». В конце концов, это и есть бомба — быстро высвобождается много энергии.
[Хотя этот поздний ответ может быть малоизвестен сейчас, когда вопрос вышел из списка горячих, я думаю, важно еще больше подчеркнуть контраст между комплексными функциями безопасности в таких устройствах, как ноутбуки и мобильные телефоны, и обычно гораздо менее всеобъемлющими функциями безопасности. функции в любительских или самодельных устройствах.]
Контекст важен при оценке тех ужасных предупреждений о безопасности, которые вы цитируете. Они не предназначены для таких устройств, как ноутбуки и мобильные телефоны (от известных производителей), в которых для обеспечения их безопасности используется тесно интегрированная схема управления/защиты батареи. Скорее, они нацелены на менее безопасные устройства, например, незащищенные элементы LiPo, используемые в радиоуправляемых хобби для питания автомобилей с дистанционным управлением, самолетов и т. д. Ниже мы более подробно рассмотрим эти различия в безопасности.
В отличие от других химических элементов аккумуляторов, знакомых потребителям, аккумуляторы на основе литий-ионного химического состава по своей природе гораздо более нестабильны. Из-за этого им требуется очень тщательно разработанная схема управления батареями, чтобы защитить их от катастрофического отказа. Сюда входят механизмы, которые предотвращают их переход в опасные состояния (недостаточный или перезаряд, перегрев, перегрузка по току и т. д.) и, кроме того, могут отключать их при возникновении опасных условий (например, с помощью полевого транзистора, PTC или однократного предохранителя). Такая логика может даже включать в себя сложные алгоритмы, которые постоянно следят за состоянием ячеек, чтобы предсказать надвигающиеся серьезные сбои (например, внутреннее короткое замыкание, которое может привести к тепловому выходу из строя).
В отличие от большинства устройств, собираемых пользователями для хобби/сделай сам, для ноутбуков и мобильных телефонов производитель контролирует всю подсистему питания от батареи, поэтому они могут разработать очень тесно интегрированную систему, включающую сложные отказоустойчивые механизмы защиты. Такие конструкции соответствуют проверенным временем отраслевым стандартам и используют несколько уровней резервирования и всесторонние методы анализа отказов, например, анализ дерева отказов или FMEA = анализ видов и последствий отказов.
Вы можете быть удивлены полнотой такого анализа, например, ниже приведены 2 из 96 случаев, рассмотренных в IEEE 1625 2004 , включая случай, когда домашнее животное мочится на устройство (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 по крайней мере два независимых метода отключения полевого транзистора для предотвращения катастрофического перезаряда. Кроме того, если оба метода не срабатывают, то должен перегореть безопасный химический предохранитель. Это специальный трехконтактный предохранитель, срабатывающий при напряжении, который может функционировать даже в экстремальных условиях, например, когда напряжение аккумуляторной батареи резко падает из-за короткого замыкания.
Сравните вышеизложенное с вашим проектом «сделай сам» или хобби RC, где конечный пользователь несет ответственность за интеграцию компонентов подсистемы батареи и обеспечение их безопасной совместной работы (компонентами являются элементы, плата защиты BMS/PCM, устройство и зарядное устройство). Есть много препятствий, мешающих этому. Пользователю может не хватать знаний. У пользователя может отсутствовать доступ к таблицам данных и технической информации, которая, как правило, не предоставляется потребителям (производители элементов питания категорически не одобряют прямое использование потребителем, например, недавно Sony отправила приказ о прекращении и воздержании от продажи электронных сигарет в магазине электронных сигарет в Нью-Йорке, продающем элементы Sony 18650 — см. ниже). . Отсутствие стандартных протоколов связи, таких как SBS = Smart Battery Systemв мире RC / хобби ограничивает связь между подсистемами, что значительно усложняет разработку сложных механизмов безопасности, таких как в ноутбуках.
Вот реальный пример: вопрос с форума поддержки TI, посвященного датчику уровня заряда батареи.
Мне интересно, являются ли эти химические предохранители обязательным элементом литий-ионных аккумуляторных батарей. Я работаю с китайским поставщиком литий-ионных батарей, и они разработали конструкцию батареи на основе ИС датчика уровня топлива bq20z45-R1, но в ней не было схемы химического предохранителя. Кроме того, не было вторичной микросхемы защиты от перенапряжения, такой как bq29412. Требуются ли химический предохранитель и bq29412 (или аналогичная ИС) для коммерческого применения литий-ионных батарей? Есть ли нормативное требование? Кстати, я работаю над дизайном медицинского устройства.
Выше приведен пример аккумуляторной батареи, в которой отсутствуют описанные выше 2-й и 3-й уровень защиты от перезаряда. Такое упущение функций безопасности характерно для многих более дешевых систем управления батареями. Не говоря уже о некоторых китайских производителях-однодневках, которые сильно преувеличивают уровень реализованной защиты. Чтобы распознать такие упущения и понять их последствия, когда конечным пользователем является инженер, он должен иметь достаточные базовые знания в этой области. Отсутствие такового может привести к конструкциям с серьезными дефектами безопасности. Вот почему известные производители сотовых телефонов, такие как LG, Panasonic, Samsung, Sanyo и Sony, отказываются иметь дело с потребителями напрямую. Риски слишком велики, если у человека нет достаточных знаний для обеспечения безопасного проектирования.
Ниже приведено упомянутое выше письмо Sony . Это типичное отношение авторитетных производителей элементов питания к серьезным рискам для безопасности, связанным с использованием потребителем незакрепленных элементов питания.
Для удобства ниже приведены ссылки, приведенные в письме:
Пожары и взрывы сигарет в электронике , Управление пожарной охраны США, FEMA, октябрь 2014 г.
Безопасность аккумуляторов , Ассоциация потребительских технологий.
Я думаю, что ваша информация устарела.
У меня был коллега, который увлекался радиоуправляемыми самолетами. Они первыми внедрили технологию LiIon, потому что они легкие и обладают большой мощностью.
Он рассказал, что у них было два режима отказа, один из которых был зажигательным. Самолеты буквально взрывались огненным шаром во время полета.
В конечном итоге коммерческие ячейки, как я позже прочитал, имеют несколько различных функций безопасности, интегрированных в продаваемые единицы, как того требует закон.
Теперь они в безопасности, если вы не сломаете и не взломаете один из них или не позволите ему перегреться. Контроль нагрева является частью конструкции готового устройства: у вас может быть плохая вентиляция или неправильный термоплавкий предохранитель, и, таким образом, он может стать критическим. Некоторые новые продукты не так безопасны, в частности, «ячейки-мешки», которые не обладают долговечностью, чтобы их можно было использовать без интеграции в правильно спроектированное устройство.
Итак, узнайте, как безопасно их использовать, и изучите конкретные детали деталей, которые вы выбираете для своей конструкции.
Все отличные ответы. Вот короткий. А 7,4 вольта. Аккумулятор на 5 ампер-часов имеет 37 ватт-часов энергии или 133 200 джоулей. Сравните с 873 джоулями дульной энергии .357 Magnum. Хитрость заключается в том, чтобы не выпустить сразу кучу из-за перегрева или раздавливания.
пользователь65586
привет мир922
Ник Алексеев
Скотт Сейдман
Мистер Листер
Осьминог
jpa
Альпер
Рассел МакМахон