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Test di fuga termica delle batterie agli ioni di litio - Parte 2

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Test di fuga termica delle batterie agli ioni di litio - Parte 2

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2 Esperimento sui rischi ambientali di un aereo reale

2.1 Esperimento di incendio della borsa elettronica di volo nella cabina di pilotaggio

Nell'esperimento di rischio di fuga termica delle batterie agli ioni di litio nella cabina di pilotaggio, è stato impostato un elevato tasso di ricambio dell'aria e una borsa elettronica di volo (EFB) è stata riscaldata da un riscaldatore. La batteria agli ioni di litio dell'EFB con una capacità di accumulo di 7,2Ah (SOC del 100%) ha attivato immediatamente il sistema di estinzione per controllare l'incendio quando si è verificata una fiamma libera. I risultati mostrano che i livelli di CO, CO2 e O2 nella cabina variano leggermente, ma la temperatura massima può raggiungere i 600 ℃. L'opacità del fumo è del 10% e dura 5 minuti. Un forte impulso di pressione può spingere ad aprire la porta della cabina non chiusa. Anche con un elevato tasso di sostituzione dell'aria (una volta al minuto), la fuga termica della batteria agli ioni di litio di un singolo dispositivo EFB compromette seriamente la sicurezza del volo e della guida, rappresentando un potenziale pericolo catastrofico.

2.2 Esperimento di incendio dell'E-tablet in cabina

I tablet sono dispositivi di lavoro e di intrattenimento portati con sé dai membri dell'equipaggio e dai passeggeri, con notevoli rischi potenziali. Nel 2013, la FAA ha collocato il tablet su un carrello da cucina e lo ha riscaldato con una stufa nell'esperimento di incendio del pannello della cabina. Nella fase iniziale, le fiamme emergono continuamente dalle fessure, poi bruciano ferocemente, con un improvviso aumento della pressione e l'apertura precipitosa della porta di spinta. Anche se il sistema di ventilazione è in funzione normalmente, la cabina è ancora piena di fumo denso. Quando il gas premiscelato viene acceso, la fiamma sprigionata e una grande quantità di fumo sono sufficienti a rendere inefficace il sistema di ventilazione della cabina.

In un altro esperimento di incendio della tavoletta in cabina, la tavoletta è stata collocata nel box di stoccaggio della cucina del 727. I risultati sperimentali hanno mostrato che si è verificato un forte shock di pressione prima che la fuga termica si realizzasse completamente, e la temperatura massima all'esterno della scatola ha raggiunto gli 81 ℃. Ma se più compresse prendono fuoco, il rischio è maggiore.

2.3 Esperimento di batteria al litio su larga scala nella stiva di carico

Conduzione e aggiornamento continui di esperimenti di incendio di batterie al litio su larga scala in ambienti reali, da quelli all'aperto alle stive di classe E e C, per studiare i pericoli e le caratteristiche di fuga termica degli incendi di batterie al litio su larga scala. È stato condotto un esperimento su larga scala con batterie al litio nella stiva. 5000 batterie agli ioni di litio 18650 e 4800 batterie al litio-metallo SF123A sono state raggruppate e collocate al centro della stiva di classe C dell'aereo cargo 737. È stata impostata la ventilazione e, dopo un certo periodo di tempo, è stato attivato il sistema di estinzione ad acqua per controllare adeguatamente l'incendio. Un misuratore di flusso di calore è stato posizionato di fronte e direttamente sopra la batteria, mentre una termocoppia (con altezze rispettivamente di 15, 92 e 152 cm) e un rilevatore di gas sono stati disposti verticalmente accanto ad essa per registrare la composizione del gas ambientale e le variazioni di temperatura all'interno del carico e della cabina di pilotaggio.

L'esperimento ha rilevato che la fuga termica delle batterie al litio-metallo espelle il litio metallico e l'elettrolito, causando una grave combustione che può penetrare nella piastra inferiore in ferro. La temperatura nella parte superiore della cabina può raggiungere i 1000 ℃, una temperatura molto più pericolosa di quella delle batterie agli ioni di litio. Quando solo una parte delle batterie è coinvolta nella reazione e l'incendio è adeguatamente controllato, la frazione volumetrica di ossigeno nella stiva può raggiungere un minimo del 3% e la temperatura superiore della cabina può raggiungere i 927 ℃. Allo stesso tempo, il gas viene rilasciato e si infiltra nell'abitacolo, causando un aumento della frazione volumetrica di gas tossico e della temperatura, che compromette la normale guida del pilota. Se tutte le batterie partecipano alla reazione, si verificano danni catastrofici

Ricerca sulla fuga termica delle batterie al litio in ambienti variabili

3.1 Contenuto sperimentale

La ricerca sulla fuga termica delle batterie al litio si basa per lo più sull'ambiente statico a terra, mentre manca la ricerca sull'ambiente dinamico in volo. Utilizzando un metodo di ricerca che combina esperimenti di osservazione su piccola scala, esperimenti di somiglianza su larga scala, analisi teorica e simulazione numerica, questo studio analizza i fattori che influenzano l'insorgere del fenomeno del thermal runaway nelle batterie al litio nelle normali condizioni di trasporto aereo. Inoltre, analizza le caratteristiche della propagazione della fuga termica, del campo di temperatura e del rilascio di gas in ambienti mutevoli, nonché il controllo della concentrazione di gas, della temperatura e della soppressione dell'esplosione della fuga termica nelle batterie al litio.

(1) Simulazione.

Analizzare i fattori che influenzano le caratteristiche di temperatura della fuga termica della batteria al litio, l'imballaggio della batteria al litio e la capacità di estinzione dei sistemi antincendio di bordo. Utilizzare un software di simulazione per simulare i cambiamenti dinamici della pressione, dell'ambiente dell'ossigeno e del campo di flusso durante i voli normali e di emergenza, stabilire un modello di generazione e dissipazione del calore di fuga termica di una singola batteria al litio e analizzare la distribuzione del campo di temperatura, il rilascio di energia, il processo di combustione e di esplosione, nonché la capacità di estinzione necessaria a causa della fuga termica. Stabilire un modello di propagazione del calore di fuga termica per più batterie agli ioni di litio, analizzare la direzione e la resistenza termica della propagazione del calore tra le batterie

(2) Esperimenti su piccola scala.

Utilizzando il compartimento a bassa pressione già costruito in scala ridotta, controllando la pressione e la temperatura all'interno del compartimento, una piccola quantità di batterie al litio viene collocata in un oscillatore a una certa frequenza per simulare le condizioni di variazione di pressione, temperatura e vibrazioni del normale trasporto aereo. Sono stati studiati i fattori e le condizioni chiave che influenzano la fuga termica delle batterie al litio, nonché il campo di temperatura e le caratteristiche di rilascio di gas delle batterie al litio.

(3) Esperimento di validazione su larga scala.

Utilizzando apparecchiature sperimentali, si simulano le variazioni di pressione di un aereo civile durante il processo di sollevamento e abbassamento, si riproduce l'ambiente a bassa pressione, a basso contenuto di ossigeno e a pressione dinamica nella stiva di carico e si misurano parametri quali la composizione del fumo, la densità, la temperatura, il flusso di radiazioni termiche e l'altezza dell'esplosione durante il processo di fuga termica delle batterie al litio.

4 Sintesi

Con l'aumento del SOC, la temperatura massima, il tasso massimo di rilascio di calore, la perdita totale di massa e il rilascio totale di gas combustibile durante il processo di fuga termica delle batterie al litio aumentano gradualmente; quando il SOC è intorno al 50%, è più probabile che si verifichi una propagazione della fuga termica tra le batterie, che rappresenta il rischio maggiore; quando il SOC è inferiore al 30%, la possibilità di propagazione della fuga termica si arresta. Quando si trasportano batterie agli ioni di litio, controllare che il livello della batteria sia inferiore al 30% ridurrà la gravità degli incendi; il pericolo e la difficoltà di estinzione degli incendi di batterie agli ioni di litio sono molto più elevati rispetto agli incendi di merci generiche.

Gli incendi delle batterie agli ioni di litio, sia che si verifichino nel carico, nella cabina o nell'abitacolo, causeranno incidenti gravi o addirittura catastrofici. Pertanto, i sistemi di estinzione degli incendi e i sistemi di ventilazione degli aerei devono prestare attenzione alla prevenzione e al controllo degli incendi delle batterie al litio. Le ricerche sulle caratteristiche antincendio delle batterie al litio e gli esperimenti sui rischi del trasporto aereo si basano per lo più su condizioni ambientali statiche a terra, mentre mancano ricerche sperimentali pertinenti sulla simulazione delle condizioni di volo. Il normale ambiente di volo di un aereo è diverso dalle condizioni stazionarie a terra e le variazioni di pressione, temperatura e frequenza delle vibrazioni nelle normali condizioni di trasporto aereo hanno tutte un impatto significativo sugli incendi delle batterie al litio. La ricerca sperimentale in materia deve essere verificata e ulteriormente integrata.