Thử nghiệm thoát nhiệt pin Lithium-ion – Phần 2
2 Thí nghiệm về mối nguy hiểm thực sự đối với môi trường của máy bay
2.1 Thí nghiệm cháy túi bay điện tử trong buồng lái
Trong thí nghiệm rủi ro về sự mất kiểm soát nhiệt của pin lithium-ion trong buồng lái, một tỷ lệ thay thế không khí cao đã được thiết lập và một túi bay điện tử (EFB) được làm nóng bằng một máy sưởi. Pin lithium-ion EFB có dung lượng lưu trữ 7,2Ah (SOC là 100%) đã ngay lập tức kích hoạt hệ thống chữa cháy để kiểm soát đám cháy khi ngọn lửa trần xảy ra. Kết quả cho thấy mức CO, CO2 và O2 trong cabin thay đổi đôi chút, nhưng nhiệt độ tối đa có thể đạt tới 600 ℃. Độ mờ của khói là 10% và kéo dài trong 5 phút. Một xung áp suất lớn có thể đẩy mở cửa cabin không khóa. Ngay cả ở tỷ lệ thay thế không khí cao (một lần mỗi phút), sự mất kiểm soát nhiệt của pin lithium-ion của một thiết bị EFB duy nhất sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến sự an toàn của chuyến bay và việc lái xe, gây ra mối nguy hiểm thảm khốc tiềm tàng.
2.2 Thí nghiệm cháy máy tính bảng điện tử trong cabin
Máy tính bảng là thiết bị làm việc và giải trí được các thành viên phi hành đoàn và hành khách mang theo, có nguy cơ tiềm ẩn đáng kể. Năm 2013, FAA đã đặt máy tính bảng lên xe đẩy nhà bếp và làm nóng nó bằng máy sưởi trong thí nghiệm cháy bảng điều khiển cabin. Ở giai đoạn đầu, ngọn lửa liên tục bùng lên từ các khe hở, sau đó cháy dữ dội, với áp suất tăng đột ngột và làm cửa đẩy mở nhanh. Mặc dù hệ thống thông gió đang hoạt động bình thường, cabin vẫn đầy khói dày. Khi khí trộn sẵn được đốt cháy, ngọn lửa thoát ra và một lượng khói lớn đủ để khiến hệ thống thông gió trong cabin không hiệu quả.
Trong một thí nghiệm cháy máy tính bảng cabin khác, máy tính bảng được đặt trong hộp lưu trữ nhà bếp 727. Kết quả thí nghiệm cho thấy một cú sốc áp suất lớn đã xảy ra trước khi quá trình chạy trốn nhiệt được thực hiện hoàn toàn và nhiệt độ tối đa bên ngoài hộp đạt 81 ℃. Nhưng nếu nhiều máy tính bảng bắt lửa, nó sẽ dẫn đến rủi ro cao hơn.
2.3 Thí nghiệm pin lithium quy mô lớn trong khoang hàng hóa
Tiến hành liên tục và cập nhật các thí nghiệm cháy pin lithium quy mô lớn trong môi trường thực tế từ ngoài trời đến các khoang hàng loại E và loại C, nghiên cứu các mối nguy hiểm và đặc điểm mất kiểm soát nhiệt của các vụ cháy pin lithium quy mô lớn. Một thí nghiệm pin lithium quy mô lớn đã được tiến hành trong khoang hàng. 5000 pin lithium-ion 18650 và 4800 pin lithium-metal SF123A đã được nhóm lại và đặt ở giữa khoang hàng loại C của máy bay chở hàng 737. Hệ thống thông gió đã được thiết lập và sau một thời gian, hệ thống chữa cháy bằng nước đã được kích hoạt để kiểm soát đám cháy một cách thích hợp. Một đồng hồ đo lưu lượng nhiệt được bố trí ở phía trước và ngay phía trên pin, và một cặp nhiệt điện (có chiều cao lần lượt là 15, 92 và 152cm) và máy dò khí được bố trí theo chiều dọc bên cạnh để ghi lại thành phần khí môi trường và những thay đổi nhiệt độ bên trong khoang hàng hóa và buồng lái.
Thí nghiệm phát hiện ra rằng sự mất kiểm soát nhiệt của pin lithium-kim loại đẩy lithium kim loại và chất điện phân ra ngoài, gây ra sự cháy nghiêm trọng có thể xuyên qua tấm đáy bằng sắt. Nhiệt độ ở phía trên cabin có thể lên tới 1000 ℃, nguy hiểm hơn nhiều so với pin lithium-ion. Khi chỉ có một phần pin tham gia vào phản ứng và đám cháy được kiểm soát đúng cách, tỷ lệ thể tích oxy trong khoang hàng có thể đạt tối thiểu 3% và nhiệt độ trên cùng của cabin có thể lên tới 927 ℃. Đồng thời, khí được giải phóng và thấm vào buồng lái, khiến tỷ lệ thể tích khí độc và nhiệt độ tăng lên, ảnh hưởng đến việc lái xe bình thường của phi công. Nếu tất cả các pin tham gia vào phản ứng, nó sẽ gây ra thiệt hại thảm khốc
Nghiên cứu về sự mất kiểm soát nhiệt của pin lithium trong điều kiện môi trường thay đổi
3.1 Nội dung thử nghiệm
Nghiên cứu về hiện tượng mất kiểm soát nhiệt của pin lithium chủ yếu dựa trên môi trường tĩnh trên mặt đất, thiếu nghiên cứu về môi trường động lực học của chuyến bay. Sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp các thí nghiệm quan sát quy mô nhỏ, các thí nghiệm tương đồng quy mô lớn, phân tích lý thuyết và mô phỏng số, nghiên cứu này điều tra các yếu tố ảnh hưởng đến sự xuất hiện của hiện tượng mất kiểm soát nhiệt trong pin lithium trong điều kiện vận chuyển hàng không thông thường. Nghiên cứu cũng điều tra các đặc điểm của sự lan truyền mất kiểm soát nhiệt, trường nhiệt độ và giải phóng khí trong môi trường thay đổi, cũng như kiểm soát nồng độ khí, nhiệt độ và ngăn chặn nổ của hiện tượng mất kiểm soát nhiệt trong pin lithium.
(1) Mô phỏng.
Tiến hành phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến đặc điểm nhiệt độ của pin lithium nhiệt độ chạy trốn, bao bì pin lithium và khả năng chữa cháy của các hệ thống chữa cháy trên máy bay. Sử dụng phần mềm mô phỏng để mô phỏng các thay đổi động về áp suất, môi trường oxy và trường dòng chảy trong các chuyến bay bình thường và khẩn cấp, thiết lập một mô hình sinh và tiêu tán nhiệt độ chạy trốn của pin lithium duy nhất và phân tích sự phân bố trường nhiệt độ, giải phóng năng lượng, quá trình cháy và nổ, cũng như khả năng chữa cháy cần thiết do chạy trốn nhiệt độ gây ra. Thiết lập mô hình truyền nhiệt chạy trốn nhiệt độ cho nhiều pin lithium-ion, phân tích hướng và điện trở nhiệt của quá trình truyền nhiệt giữa các pin
(2) Thí nghiệm quy mô nhỏ.
Sử dụng khoang áp suất thấp quy mô nhỏ đã được xây dựng, bằng cách kiểm soát áp suất và nhiệt độ bên trong khoang, một lượng nhỏ pin lithium được đặt trong một bộ dao động tần số nhất định để mô phỏng các điều kiện áp suất, nhiệt độ và rung động thay đổi của vận tải hàng không thông thường. Các yếu tố và điều kiện chính ảnh hưởng đến sự mất kiểm soát nhiệt của pin lithium, cũng như trường nhiệt độ và đặc điểm giải phóng khí của pin lithium, được nghiên cứu.
(3) Thí nghiệm xác nhận quy mô lớn.
Sử dụng thiết bị thực nghiệm, mô phỏng sự thay đổi áp suất của máy bay dân dụng trong quá trình nâng và hạ, tái tạo môi trường áp suất thấp, oxy thấp và áp suất động trong khoang hàng và đo các thông số như thành phần khói, mật độ, nhiệt độ, thông lượng bức xạ nhiệt và chiều cao nổ trong quá trình mất kiểm soát nhiệt của pin lithium.
4 Tóm tắt
Khi SOC tăng, nhiệt độ tối đa, tốc độ giải phóng nhiệt tối đa, tổng khối lượng mất đi và tổng lượng khí cháy thoát ra trong quá trình mất kiểm soát nhiệt của pin lithium tăng dần; Khi SOC ở mức khoảng 50%, rất có thể gây ra sự lan truyền mất kiểm soát nhiệt giữa các pin, gây ra rủi ro lớn nhất; Khi SOC thấp hơn 30%, khả năng lan truyền mất kiểm soát nhiệt sẽ dừng lại. Khi vận chuyển pin lithium-ion, việc kiểm soát mức pin thấp hơn 30% sẽ làm giảm mức độ nghiêm trọng của các sự cố hỏa hoạn; Nguy cơ và khó khăn trong việc dập tắt các đám cháy pin lithium-ion cao hơn nhiều so với các đám cháy hàng hóa thông thường.
Cho dù cháy pin lithium-ion xảy ra trong khoang hàng hóa, cabin hay buồng lái, chúng đều sẽ gây ra những tai nạn lớn hoặc thậm chí là thảm khốc. Do đó, hệ thống chữa cháy máy bay và hệ thống thông gió nên chú ý đến việc phòng ngừa và kiểm soát cháy pin lithium-ion. Nghiên cứu về đặc điểm cháy của pin lithium và các thí nghiệm rủi ro của vận tải hàng không chủ yếu dựa trên các điều kiện môi trường mặt đất tĩnh và thiếu các nghiên cứu thực nghiệm có liên quan về mô phỏng các điều kiện bay. Môi trường bay bình thường của máy bay khác với các điều kiện tĩnh trên mặt đất và những thay đổi về áp suất, nhiệt độ và tần số rung động trong điều kiện vận tải hàng không bình thường đều có tác động đáng kể đến cháy pin lithium. Nghiên cứu thực nghiệm có liên quan cần được xác minh và bổ sung thêm.
