Miks aku paisub?

Lühikokkuvõte

Liitiumipõhiste akude paisumine lennundusrobotites (UAV) on kriitiline vananemisnähtus, mis mõjutab otseselt töökindlust ja ohutust. Artiklis pakutakse laienenud ja süstemaatilist ülevaadet füüsikokeemilistest mehhanismidest, mis põhjustavad paisumist, eristatakse kasutamise ja ladustamisega seotud paisumise käitumist, hinnatakse seotud ohtusid ning pakutakse ette põhjendatud ennetusstrateegiaid. Elektrokeemilise teooria integreerimisel lennundusrobotite spetsiifiliste kasutusmustritega püüab uuring toetada ohutumat droonide kasutamist ja aidata tulevikus täiustada akude juhtimissüsteeme (BMS).

1. Sissejuhatus

Liitiumioon- (Li-ioon) ja liitumpolümeerakud (LiPo) on kõrgel energiatihedusel, kergel konstruktsioonil ja stabiilsetel laadimisomadustel tõttu saanud domineerivaks toiteallikaks UAV-i jaoks. Kui UAV-i rakendused laienevad sellistesse valdkondadesse nagu õhukaardistamine, täpsepulmadus, ootekorraldus ja tööstuslik kontroll, siis pardal oleva toitesüsteemi usaldusväärsus muutub aina olulisemaks.
Eeliseid arvestamata on liitumispõhised akud degradatsioonile vastuvõtlikud, kui neid mõjutavad termiline koormus, mehaaniline löök, ebaõige laadimine või sobimatud ladustamistingimused. Erinevate degradatsiooniviiside hulgas on akupuhituse – mis ilmneb kui tavapärase korpuse või kaane abnormaalne paisumine – tekkenud suur ohutusprobleem. Puhitus vähendab mitte ainult aku jõudlust, vaid suurendab ka tuleohtu, purunemist ja mürgiste gaaside vabanemist.
See artikkel laiendab olemasolevat teadustööd, pakkudes üksikasjaliku analüüsi paisumismehhanismide, kaasnevate tegurite ja UAV-d kasutuskeskkonnale kohandatud ennetusmeetmete kohta.

2. Akupaisumise nähtuste klassifitseerimine

2.1 Ajutine paisumine suure koormusega töötamise ajal

Nõudlikel lendu missioonidel võivad UAV-de akud kogeda kiiret temperatuuri tõusu tõttu suurele väljalülitusvoolule. Tegevused, nagu kiire kiirendus, tugevas tuules hõljumine või raske koormuse vedamine, suurendavad oluliselt sisemist takistust soojenemisel.
Kui elemendi temperatuur ületab soovitatud tööpiiri (tavaliselt üle 40–45 °C), algavad parasiitsed reaktsioonid. Nende hulka kuuluvad elektrolüütlahustite osaline lagunemine ja tahke elektrolüüdi interfaasi (SEI) destabiliseerumine. Tulevased gaasilised kõrvalsaadused – tavaliselt CO₂, H₂ ja väikese molekulmassiga süsivesinikud – kogunevad suletud aku sees.

See tursevorm on tavaliselt pöörduv. Kui aku jahtub, väheneb sisemine rõhk ja karp võib naasta algsele kujule. Siiski kiirendab korduv kuumakraadi seadme SEI lagunemist, suurendab sisemist takistust ja soodustab pikaajalist degradatsiooni. Aja jooksul võib ajutine tursumine muutuda pöördumatuks, kui soojuskoormus püsib.

2.2 Pöördumatu tursumine ladustamise ajal

Ladustamise ajal toimuv tursumine on tavaliselt tugevam ja viitab alaliselt sisemisele kahjustusele. Teisiti kui kasutamise käigus toimuv tursumine, mis on sageli temperatuuriga seotud, on ladustamisega seotud tursumine peamiselt seotud elektrokeemilise ebastabiilsuse ja pikaajalise degradatsiooniga.

2.2.1 Tsükli tekitatud vananemine

Liitiumipõhised akud läbivad struktuurilisi ja keemilisi muutusi igal laadimis- ja tühjenemistsükli korral. Sadade tsüklite jooksul pakseneb SEI kiht, aktiivne materjal isoleerub ja elektroodi poorsus väheneb. Need muutused suurendavad sisemist takistust ja soodustavad gaasi teket põhjustavaid reaktsioone.
Kui aku läheneb oma kasuliku eluea lõppu, võivad isegi väikesed koormused – nagu kerge ülelaadimine või mõõdukad temperatuurikõikumised – põhjustada paisumise.

2.2.2 Ebapiisavad ladustamistingimused

Mitmed ladustamisega seotud tegurid suurendavad paisumisohtu märkimisväärselt:
● Sügavtühjenemine (<3,0 V rakus) võib põhjustada vase lahustumise anoodi toitejuhist, mis viib sisemiste lühisde juurde.
● Mekaaniline kahjustus võib rikkuda separatori, võimaldades otsese elektroodide kokkupuute.
● Niiskuse sisenemine reageerib elektrolüüdi komponentidega, tekitades soojust ja gaasi.
● Ekstreemsel laetuse tasemel hoidmine kiirendab elektrolüüdi oksüdatsiooni ja SEI ebastabiilsust.
● Kõrge temperatuuril (30°C) hoiustamine suurendab reaktsioonikiirusi ja gaaside teket.
Need tegurid aitavad koguks kaasa pöördumatule paisumisele, mida kaasneb sageli mahutasu kadumine ja pinge ebastabiilsus.

3. Paisumise füüsikokeemilised mehhanismid

3.1 Elektrolüüdi lagunemine

Orgaaniliste karbonaatide baasil elektrolüüdid on termiliselt tundlikud. Kui neid eksponeeritakse kõrgetele temperatuuridele või ülepingele, lagunevad nad gaasifäässeteks kõrvalsaadusteks. See lagunemine on üks peamisi paisumise põhjustajaid.

3.2 Liitiumi plaatimine ja habrameha tekkimine

Laadimine madalatel temperatuuridel või kõrgetel pingetel võib põhjustada metallilise liitiumi sadestumise anoodi pinnale. Liitiumi plaadimine vähendab mahutasu ja suurendab sisemist takistust. Tähtsamalt on metalliline liitium äärmiselt reaktiivne ja võib käivitada gaasi tekitavaid reaktsioone elektrolüüdilahustitega.

3.3 SEI-kihilise ebastabiilsus

SEI kiht on oluline anoodi-elektrolüüdi liidese stabiilseks hoidmiseks. Kuid soojuskoormus, ülelaadimine või mehaaniline deformatsioon võivad põhjustada SEI pragunemist. Korduv SEI lagunemine tarbib elektrolüüti ja tekitab gaasi, mis aitab kaasa paisumisele.

3.4 Separatori degradatsioon

Separator on poorse polümeerse membraan, mis takistab elektroodide vahetut kokkupuudet. Mekaaniline impakt, ülekuumenemine või tootmisdefektid võivad separatorit nõrgestada. Kui see on kahjustatud, võivad tekkida sisemised lühisühendused, mis viivad kiirele soojuse tekkimisele ja gaasi moodustumisele.

4. Paisunud akude tuvastamine ja hindamine

Paisumise varajane tuvastamine on oluline õnnetuste ennetamiseks. Peamised näitajad on:
● Nähtav moonutus või laienemine akukorpuses
● Raskused akuga lennukisse paigaldamisel või eemaldamisel
● Magus või ärritav keemiline lõhn
● Vähendatud lendamisaeg või ebastabiilne pinge väljund
● Tõusnud temperatuur laadimise või tühjendamise ajal
Tursestatud akud tuleb viivitamatult kasutamisest kõrvaldada. Sisemise rõhu vähendamiseks akku läbistamise või kokku surumise katsetamine on äärmiselt ohtlik ja võib põhjustada süttimise.

5. Tursega seotud ohud

5.1 Tule- ja soojusläbikütmise oht
Sisemised lühisühendused või eksotermilised reaktsioonid võivad põhjustada soojusläbikütmise – eneskiireneva protsessi, mis võib viia tulekahjuni.

5.2 Mekaaniline purunemine
Liiga suur sisemine rõhk võib põhjustada akukerme purunemise, mille tagajärjel võivad eralduda kuumad gaasid ja süttiv elektrolüüt.

5.3 Mürgiste gaaside eraldumine
Elektrolüüdi lagunemisproduktide hulka võivad kuuluda ohtlikud orgaanilised aurud, mis kujutavad ohtu hingamissüsteemile.

5.4 UAV-i struktuurikahjustus
Tursestatud aku võib deformeerida UAV-i akuhoolduse, kahjustada ühendusi või segada jahutussüsteeme.

6. Ennetavate strateegiate

6.1 Laadimise haldus
● Kasutage tootja poolt heakskiidetud laadureid ja vältige kiirlaadimist, kui see pole eraldi toetatud.
● Ärge jätke akusid laadimisel järelvalveta.
● Lõpetage laadimine täislaetuse saavutamisel ning tehke perioodiliselt rakuvoolude tasakaalustamine.
● Vältige kohe laadimist pärast lendu; andke piisavalt aega jahtumiseks.

6.2 Soojuskontroll
● Hoidke akusid külmades ja kuivades kohtades.
● Vältige UAV-de pikemat kokkupuudet otsest päiksesvalgust.
● Kasutage transportimisel tulekindlaid või soojusisoleeritud konteinerid.

6.3 Talletamise optimeerimine
● Hoia pikemaajalisel talletamisel laetuse taseme 40–60% piires.
● Laadi kord 1–3 kuus, et vältida sügavat tühjenemist.
● Hoiusta akud eraldi, et takistada soojuslevitumist.

6.4 Mekaaniline kaitse
● Väldi aku kukutamist või kokkusurumist.
● Kaitse niiskuse ja vibratsiooni eest.
● Kontrolli regulaarselt kulumise või deformatsioonide märke.

6.5 Tööjälgimine
● Jälgi tsükliarvu ja jõudluse näitajaid lennukontrollisüsteemide kaudu.
● Asendage akud, millel ilmneb ebaühtlane pinge käitumine või mahulangus.
● Hoide tarkvara ajakohastatuna, et kasutada parandatud akuhalduse algoritme.

7. Järeldus

UAV-süsteemides on akupaisumine mitmeteguriline nähtus, mida põhjustavad soojuskoormus, elektrokeemiline degradatsioon, mehaaniline kahjustus ja ebapiisavad ladustamistavad. Kuigi paisumine töö käigus võib olla pöörduv, peegeldab ladustamise ajal ilmnev paisumine tavaliselt pöördumatut sisemist riket.
Teaduslikult põhjendatud laadimis-, ladustamis- ja jälgimistavade rakendamisel saavad kasutajad oluliselt vähendada paisumise esinemissagedust ning suurendada UAV ohutust. Kuigi edusammud akukeemias ja haldussüsteemides aitavad edaspidi usaldusväärsust parandada, jääb kasutaja teadlikkus kriitiliseks teguriks paisumisega seotud ohtude ennetamisel.