ما معايير التصميم الهيكلي والاختبار المطلوبة لمنع انتشار الانفلات الحراري في تجميعات حزم بطاريات الليثيوم-أيون عالية الكثافة؟

باختصار: يتطلب منع انتشار الانفلات الحراري الجمع بين اختبارات إساءة الاستخدام المتوافقة مع المعايير، وبنية حزمة قادرة على احتواء الحرارة واللهب والضغط والغازات الناتجة عن خلية معطلة. بالنسبة إلى تطبيقات الطيران، يُعد RTCA DO-311A مرجعًا أساسيًا؛ بينما تطبق القطاعات الأخرى عادةً معايير مثل UL 2580 وIEC 62619 وUL 9540A ومتطلبات خاصة بالمركبات أو التطبيقات الصناعية. لا ينطبق معيار واحد بشكل شامل على جميع الحالات، إذ يعتمد المعيار المطلوب على تطبيق البطارية وكيميائها وطريقة تركيبها والاختصاص القضائي.

لا يتمثل الهدف الأساسي للتصميم في منع تعطل الخلية الأولى فحسب، بل في إيقاف تحول ذلك التعطل إلى حادث على مستوى الحزمة. ويتطلب ذلك حماية على مستوى الخلية، وعزلًا حراريًا، وتصريفًا متحكمًا للغازات، وهياكل مقاومة للحريق، وقطعًا للأعطال الكهربائية، واختبارات إساءة استخدام موثقة.

ما الذي يجب أن يمنعه التصميم

انتقال الحرارة من خلية إلى أخرى

يمكن للخلية المعطلة نقل الحرارة من خلال التوصيل المباشر والغازات الساخنة واللهب والتسخين الإشعاعي. لذلك يجب أن تحد الحزمة من تدفق الحرارة إلى الخلايا المجاورة، وأن تمنع الخلايا القريبة من الوصول إلى عتبات الانفلات الحراري الخاصة بها.

تشمل التدابير الفعالة الحواجز الحرارية، والمسافات المتحكم بها، والمواد الهيكلية منخفضة التوصيل، والعزل الموضعي حول واجهات الخلايا الأكثر عرضة للخطر. ويجب التحقق من صحة التصميم باستخدام شكل الخلية الفعلي، والمسافات الفاصلة، والضغط، وترتيب التبريد، ومواد الغلاف.

انتشار اللهب والجسيمات الساخنة

ينبغي أن يقاوم غلاف الحزمة الاشتعال، وأن يمنع اللهب أو الجسيمات المتوهجة من ملامسة الخلايا أو الأسلاك أو العوازل أو المكونات الهيكلية القابلة للاحتراق المجاورة مباشرة.

تستخدم التصميمات عادةً أغلفة مثبطة للهب أو مقاومة للحريق، وحواجز داخلية، وقضبان توصيل محمية، ووحدات مقسمة إلى حجرات. ولا يكفي اختيار المواد وحده إذا كانت فتحات التصريف أو الفواصل أو ممرات الكابلات أو المثبتات توفر مسارًا غير متحكم به لانتشار اللهب.

إدارة الضغط والغازات

يمكن أن ينتج الانفلات الحراري كميات كبيرة من الغازات الساخنة والقابلة للاشتعال وأحيانًا السامة. وقد يحول الغلاف المحكم الإغلاق توليد هذه الغازات إلى تمزق ناتج عن الضغط.

ينبغي أن تتضمن التجميعة قنوات مخصصة لتصريف الغازات، وميزات لتخفيف الضغط، ومسارات عادم توجه الغازات بعيدًا عن الأشخاص والإلكترونيات الحيوية والخلايا المجاورة وهياكل المركبات أو الطائرات. ويجب ألا تعيد مسارات التهوية توجيه اللهب أو الغازات الساخنة دون قصد إلى وحدة أخرى.

تصاعد الأعطال الكهربائية

يمكن للأعطال الكهربائية أن تولد الحرارة التي تبدأ الانفلات الحراري أو تزيد من شدته في خلية معطلة بالفعل. لذلك تتطلب الحزمة حماية منسقة على مستويات الخلية والوحدة والنظام.

تشمل التدابير المعتادة مصهرات الخلايا، وأجهزة قطع التيار، وعناصر PTC، ومسارات الدوائر المتكررة، والموصلات، والحماية الإلكترونية من التيار الزائد، والمراقبة المستمرة للجهد ودرجة الحرارة. ولا ينبغي اعتبار نظام إدارة البطارية الحاجز الوحيد، لأن حادث الانفلات الحراري قد يتسبب في تلف المستشعرات أو الأسلاك أو إلكترونيات التحكم.

ميزات التصميم الهيكلي المطلوبة

العزل على مستوى الخلية

ينبغي أن تكون لكل خلية استراتيجية محددة للحماية الحرارية والكهربائية. وقد تشمل هذه الاستراتيجية الفواصل، وأجهزة PTC، وأجهزة قطع التيار، والمصهرات، وواجهات التهوية، والحواجز الحرارية المحلية.

يجب أن يأخذ التصميم في الاعتبار نمط التعطل المحدد لشكل الخلية. إذ تطلق الخلايا الأسطوانية والجيبية والمنشورية الحرارة والغازات بطرق مختلفة، ولذلك لا يمكن نقل تصميم حاجز أو تهوية تم التحقق منه لشكل معين تلقائيًا إلى شكل آخر.

تقسيم الوحدات إلى حجرات

ينبغي أن تحد الوحدات من عدد الخلايا المعرضة لتعطل خلية واحدة. ويمكن للفواصل المادية والحواجز المقاومة للحريق والخلوصات المتحكم بها إبطاء الانتشار والحفاظ على العزل بين الأقسام الكهربائية.

كما تساعد البنية المعيارية على منع حادث موضعي من تعطيل الحزمة بأكملها. ومع ذلك، يجب أن تكون الفواصل متوافقة مع مسارات التبريد وإمكانية الوصول لأعمال الخدمة وسماحات التجميع وتخفيف الضغط.

الإدارة الحرارية

ينبغي لأنظمة التبريد الحفاظ على الخلايا ضمن نطاق تشغيلها الطبيعي وتقليل فروق درجات الحرارة عبر الحزمة. ويمكن استخدام التبريد السائل أو التبريد بالهواء القسري أو ناشرات الحرارة أو مواد الواجهة الحرارية بحسب التطبيق.

التبريد هو إجراء وقائي وليس إجراءً كاملًا للتحكم في الانتشار. فقد لا يزيل حرارة الانفلات بسرعة كافية بعد حدوث قصر داخلي، ولذلك تظل الحواجز المخصصة وإدارة التهوية ضرورية.

سلامة الغلاف

يجب أن يتحمل الغلاف الخارجي الأحمال الميكانيكية والحرارية المرتبطة بسيناريوهات إساءة الاستخدام المحددة. وينبغي أن يمنع القذف الخطير للشظايا، ويحمي المعدات المجاورة، ويحافظ على مسافة آمنة من الركاب.

كما يجب أن يستوعب الغلاف التمدد وتخفيف الضغط والدورات الحرارية والاهتزاز وأحمال التصادم والحماية من تسرب السوائل والغبار والتفاوتات التصنيعية. وقد يزيد الغلاف الصلب الذي يفتقر إلى استراتيجية محكمة لتخفيف الضغط من الخطر بدلًا من تقليله.

الفصل الآمن للأنظمة الحيوية

ينبغي توجيه موصلات الجهد العالي وأجهزة التحكم منخفضة الجهد وخطوط التبريد والمستشعرات وأسلاك الاتصالات بحيث لا يؤدي حادث خلية واحدة إلى تعطيل جميع وظائف الحماية.

قد تتطلب وظائف الاستشعار والقطع الحيوية فصلًا ماديًا أو تكرارًا أو سلوكًا آمنًا عند الفشل. والهدف هو الحفاظ على القدرة على عزل الحزمة حتى إذا تعرضت إحدى المناطق للحرارة أو الدخان أو اللهب أو الضرر الميكانيكي.

ما معايير وأساليب الاختبار المهمة

RTCA DO-311A لبطاريات الطائرات

يتناول RTCA DO-311A سلامة بطاريات الليثيوم القابلة لإعادة الشحن وأنظمة البطاريات في تطبيقات الطائرات. ويكتسب أهمية خاصة عندما يجب ألا يؤدي تعطل البطارية إلى خطر غير مقبول على الطائرة.

يتضمن نهج السلامة في المعيار تقييم الظروف الكهربائية والحرارية والميكانيكية والبيئية غير الطبيعية. وينبغي لبرامج الطيران استخدام أساس اعتماد الطائرة المعني إلى جانب DO-311A، بدل اعتباره متطلبًا شاملًا لكل حزمة ليثيوم-أيون.

UL 9540A لتوصيف الانتشار والحرائق

يُعد UL 9540A أسلوب اختبار لتقييم انتشار حرائق الانفلات الحراري في أنظمة تخزين طاقة البطاريات. ويصف السلوك على مستويات متعددة، عادةً بدءًا من الخلية ثم الوحدة ووحدة النظام والتقييم على مستوى التركيب، حسب الاقتضاء.

وهو مفيد لتحديد ما إذا كانت الغازات والحرارة واللهب والضغط الناتجة عن خلية معطلة يمكن أن تسبب الانتشار. وهو أسلوب اختبار وليس بمفرده معيار اعتماد كاملًا للمنتج.

UL 2580 لحزم بطاريات المركبات الكهربائية

يُستخدم UL 2580 على نطاق واسع للبطاريات المخصصة للمركبات الكهربائية. ويقيّم المخاطر المرتبطة بالظروف الكهربائية والميكانيكية والحرارية وظروف إساءة الاستخدام، بما في ذلك بنية نظام البطارية ووظائف الحماية.

يعتمد برنامج الاختبار الدقيق على تكوين المنتج ومسار الاعتماد. وقد يطلب مصنعو المركبات أيضًا اختبارات إضافية للتصادم والاهتزاز والتعرض للماء وأعطال الشحن والعزل الكهربائي بعد التصادم.

IEC 62619 لبطاريات الليثيوم الصناعية

يتناول IEC 62619 متطلبات السلامة للخلايا والبطاريات الثانوية المصنوعة من الليثيوم والمستخدمة في التطبيقات الصناعية. وهو ذو صلة بأنظمة البطاريات الثابتة والمتحركة والروبوتية وغيرها من الأنظمة الصناعية، وفقًا للاستخدام المقصود للمنتج.

وينبغي تطبيقه إلى جانب اللوائح الإقليمية ومتطلبات التركيب. وقد تختلف متطلبات الانتشار والغلاف والوصول والاستجابة للحريق في الحزم الصناعية عن تلك الخاصة ببطاريات المركبات أو الطائرات.

UN 38.3 لاعتماد النقل

يُعد UN 38.3 متطلبًا لاختبارات النقل في المقام الأول. وهو يتناول المخاطر المرتبطة بشحن خلايا وبطاريات الليثيوم، بما في ذلك محاكاة الارتفاع والدورات الحرارية والاهتزاز والصدمات والقصر الخارجي والتأثير أو السحق والشحن الزائد عند الاقتضاء والتفريغ القسري عند الاقتضاء.

وهو مهم، لكنه لا يثبت أن الحزمة عالية الكثافة ستمنع انتشار الانفلات الحراري أثناء التشغيل. ولا يمكن أن يحل الامتثال لمتطلبات النقل محل اختبارات إساءة الاستخدام والانتشار على مستوى الحزمة.

الاختبارات الميكانيكية والكهربائية الخاصة بالتطبيق

قد تنطبق معايير إضافية بحسب المنتج. وتشمل الأمثلة متطلبات المركبات والطيران والتخزين الثابت والقطاع البحري والقطاع الطبي والإلكترونيات الاستهلاكية.

ينبغي أن تغطي خطة الاختبار القصر الخارجي، والشحن الزائد، والتفريغ الزائد، والتفريغ القسري، والسحق، واختراق المسمار أو محاكاة القصر الداخلي، والتأثير، والاهتزاز، والدورات الحرارية، وفشل التبريد، وفشل المستشعر، وأعطال الشاحن أو نظام إدارة البطارية عندما تكون ذات صلة بتقييم المخاطر.

كيفية إجراء اختبارات الانتشار

البدء بتوصيف الخلية

قبل اختبار الحزمة، يجب تحديد سلوك التعطل الحراري والكهربائي للخلية. ويمكن أن يساعد قياس السعرات الحرارية بمعدل تسارع وتحليل المسح التفاضلي في قياس التسخين الذاتي وانبعاث الحرارة وبدء التفاعل والتحولات الحرارية.

ينبغي أن تستخدم الاختبارات خلايا إنتاج ممثلة، لا عينات مختبرية مثالية فقط. إذ يمكن أن تؤثر الكيمياء وحالة الشحن والتقادم والتفاوت التصنيعي وممانعة الخلية تأثيرًا جوهريًا في النتيجة.

اختبار أسوأ موقع واقعي للخلية

ينبغي وضع محفز لخلية واحدة في المواقع الأكثر احتمالًا للتسبب في الانتشار. وقد تشمل هذه المواقع مركز وحدة مكتظة، أو خلية مجاورة لمسار تهوية، أو خلية قريبة من مواد قابلة للاحتراق، أو خلية ذات أقل تبريد فعالية.

قد يؤدي اختبار الخلية الأسهل تبريدًا أو الأكثر سهولة في الوصول إلى استنتاجات مضللة. وينبغي تبرير موقع المحفز المختار من خلال النمذجة الحرارية وتحليل المخاطر والفحص المادي للحزمة.

قياس ما هو أكثر من درجة الحرارة

درجة الحرارة ضرورية لكنها غير كافية. ينبغي أن يسجل الاختبار جهد الخلية، والتيار، ودرجات حرارة السطح والداخل حيثما كان ذلك عمليًا، والضغط، وانبعاث الغاز، واللهب، والدخان، واتجاه التهوية، والتشوه الهيكلي، والعزل الكهربائي.

وينبغي أن يحدد الاختبار ما إذا كانت الخلايا المجاورة تظل مستقرة، وما إذا كانت أجهزة الحماية تقطع تيار العطل، وما إذا كان الغلاف يحتوي الحادث أو يعيد توجيهه بأمان.

التحقق من تكوين النظام الكامل

تعتمد نتائج الانتشار على التجميعة الكاملة. وينبغي أن تتضمن عينة الاختبار خلايا مخصصة للإنتاج وقضبان التوصيل والمصهرات ونظام إدارة البطارية ونظام التبريد والغلاف والحواجز والمثبتات والأختام ومسارات التهوية وحالة شحن ممثلة.

قد يختلف أداء الحاجز الذي تم اختباره بشكل مستقل بعد تعرضه للضغط أو التقادم أو سائل التبريد أو الاهتزاز أو بعد دمجه في وحدة محدودة المساحة. ويُعد اختبار المكونات مفيدًا للتطوير، لكنه لا يمكن أن يحل محل اختبار حزمة ممثلة.

فهم المفاضلات

قد يقلل العزل الإضافي من أداء التبريد

يمكن للحواجز الحرارية إبطاء الانتشار، لكنها قد تحبس الحرارة أثناء التشغيل العادي أيضًا. وقد يؤدي التصميم المعزول بدرجة كبيرة إلى تكوين فروق أكبر في درجات الحرارة أو إلى الحاجة لقدرة تبريد أعلى.

وعادةً ما يكون الحل الصحيح هو العزل الانتقائي: توفير حماية قوية بين الخلايا أو الوحدات مع الحفاظ على مسار حراري مقصود أثناء التشغيل العادي نحو نظام التبريد.

قد يؤدي إحكام إغلاق الحزمة إلى زيادة مخاطر الضغط

قد يحسن الغلاف المحكم الحماية من تسرب السوائل والغبار واحتواء الحادث، لكنه قد يسمح أيضًا بتراكم الضغط بسرعة أثناء التهوية. ويجب تصميم تخفيف الضغط هندسيًا بدل تركه للتمزق العرضي عند فاصل أو غطاء.

ينبغي تقييم منافذ التهوية من حيث اللهب وسمية الغاز وإعادة الاشتعال واتجاه التفريغ، وليس من حيث قدرتها على تحمل الضغط فقط.

لا تلغي الكيمياء الأقل خطورة مخاطر الانتشار

تُظهر كيميائيات مثل LFP عمومًا استقرارًا حراريًا أكبر من بعض كيميائيات أكاسيد المعادن عالية الطاقة، لكن لا ينبغي افتراض أن أي كيمياء من كيميائيات الليثيوم-أيون محصنة ضد الانتشار.

فقد تؤدي كثافة الحزمة وحالة الشحن وبنية الخلية والضرر الميكانيكي وأعطال الشحن وتصميم الغلاف إلى وقوع حوادث خطرة.

حدود درجة الحرارة لا توفر حماية كافية

ينبغي التحكم بدرجات حرارة التشغيل العادية بحذر، لكن درجة الحرارة وحدها ليست طريقة أولية كافية للتحكم في الشحن أو اكتشاف الأعطال. فقد تتطور حالات القصر الداخلي والتسخين السريع بوتيرة أسرع من قدرة مستشعر موزع على اكتشافها.

وينبغي أن تجمع الحماية بين مراقبة الجهد وقياس التيار ومنطق التيار الزائد متعدد العتبات والاستشعار الحراري وأجهزة القطع المستقلة.

لا تعني اختبارات إساءة الاستخدام المختبرية اعتمادًا تلقائيًا

تُعد اختبارات السحق واختراق المسمار وARC وDSC والشحن الزائد أدوات هندسية قوية. فهي تساعد على تحديد عتبات التعطل ومقارنة التصميمات، لكن الاعتماد يظل معتمدًا على المعيار المعني وأسلوب الاختبار والمختبر المعتمد والتكوين والجهة صاحبة الاختصاص.

اختيار الحل المناسب لهدفك

ينبغي تحديد أساس التصميم والاختبار المطلوبين من خلال تحليل رسمي للمخاطر وربطهما بالسوق والتركيب المقصودين.

• إذا كان تركيزك الأساسي هو اعتماد الطيران: استخدم RTCA DO-311A مع أساس اعتماد الطائرة المعني، وأثبت فعالية التهوية المتحكم بها والعزل الحراري والحماية الكهربائية والسلوك الآمن بعد أعطال ممثلة على مستوى الخلية والحزمة.
• إذا كان تركيزك الأساسي هو المركبات الكهربائية: استخدم متطلبات بطاريات المركبات المعنية، والتي تشمل عادةً UL 2580 أو ما يعادلها إقليميًا، مع اختبارات التصادم والاهتزاز وإساءة الاستخدام الكهربائية وفشل التبريد والانتشار.
• إذا كان تركيزك الأساسي هو تخزين الطاقة الثابت: استخدم UL 9540A لتوصيف سلوك الانتشار والحريق، إلى جانب متطلبات اعتماد النظام والتركيب المعنية.
• إذا كان تركيزك الأساسي هو المعدات الصناعية: قيّم IEC 62619 والمتطلبات الإقليمية ذات الصلة، مع تكييف اختبارات الخواص الميكانيكية والبيئية والانتشار مع مخاطر تشغيل المعدات.
• إذا كان تركيزك الأساسي هو النقل: أكمل اختبارات UN 38.3، لكن لا تعتبر اعتماد النقل دليلًا على احتواء الانفلات الحراري أثناء التشغيل.
• إذا كان تركيزك الأساسي هو تطوير المنتج: اجمع بين قياس السعرات الحرارية للخلية واختبارات السحق والاختراق واختبارات الإساءة الكهربائية واختبارات الانتشار الممثلة على مستوى الوحدة أو الحزمة قبل وضع اللمسات النهائية على الحواجز ومسارات التهوية ووسائل حماية نظام إدارة البطارية.

يتمثل تصميم البطارية عالية الكثافة القابل للدفاع عنه في تصميم يتم فيه اكتشاف تعطل الخلية الأولى وعزلها كهربائيًا واحتواؤها حراريًا وتهويتها بأمان قبل أن تتحول إلى تعطل على مستوى الحزمة.

جدول الملخص:

هل تحتاج إلى ضمان توافق حزمة بطاريتك مع أعلى معايير السلامة؟

في KINTEK، نوفر معدات اختبار ومعالجة متقدمة لمساعدتك على التحقق من صحة تصميماتك في مواجهة انتشار الانفلات الحراري. بدءًا من أدوات تصنيع الخلايا الدقيقة ووصولًا إلى أنظمة الاختبار الشاملة، صُممت حلولنا لتلبية احتياجات البحث والتطوير في مجال البطاريات وعلوم المواد. تواصل مع خبرائنا اليوم لتحسين تصميم حزمتك والامتثال لمعايير RTCA DO-311A وUL 9540A وغيرها من المعايير الحيوية. تواصل معنا الآن!