Jak dochází k poruchám baterií: Vysvětlení typů poruch baterií

Baterie se staly zásadně důležitou součástí naší infrastruktury. Zajišťují nepřerušitelné napájení datových center a usnadňují integraci obnovitelné energie do energetické rozvodné sítě. Když tedy dnes více než kdy předtím spoléháme na baterie, není porozumění poruchám baterií jen akademické cvičení, ale zásadně důležitá znalost pro každého, kdo zodpovídá za bateriové systémy.

Finanční dopady poruch baterií jsou významné. Pokud bateriový systém selže, čelí organizace nejen přímým nákladům na výměnu, ale i nepřímým nákladům souvisejícím s prostoji systému, potenciálním poškozením připojeného vybavení a v některých případech i se ztrátou kritických služeb. Jedna  hodina prostoje v datovém centru může stát až 1 milion dolarů.

S ohledem na výše uvedené skutečnosti teď prozkoumejme hlavní způsoby, jimiž může dojít k poruše baterií.

Typy poruch olověné baterie

Olověné baterie jsou jedním z nejběžnějších typů stacionárních baterií. I když jsou spolehlivé a jejich funkce dobře pochopená, může u nich porucha nastat několika způsoby. 

Koroze kladné mřížky

Koroze kladné mřížky je chemický proces, při kterém se slitina olova tvořící kladnou mřížku baterie postupně mění na oxid olova. Tento proces urychlují vysoké teploty, přebíjení a nadměrné cykly. I když je určitý stupeň koroze mřížky normální a při konstrukci  baterie se s ním počítá, nadměrná koroze může významně zkrátit životnost baterie a vést k následujícím jevům:

• Fyzické roztažení desek
• Zvýšení vnitřního odporu
• Snížení schopnosti dodávat proud
• Konečné poruše baterie

Sulfatace

Během normálního vybíjení olověné baterie v ní reagují aktivní materiály (olovo a oxid olovičitý) s kyselinou sírovou za vzniku síranu olovnatého. Tento proces je přirozený a nezbytný. Existuje ale zásadní rozdíl mezi měkkým, normálním síranem olovnatým, který vzniká při standardním vybíjení, a problematickým krystalickým, který může vznikat za určitých podmínek. Sulfataci lze do značné míry zabránit a normálně je vratná, ale může se proměnit na permanentní v případě, že baterie zůstane ve vybitém stavu, její nabíjení je nedostatečné nebo je zanedbána pravidelná údržba. Výsledkem je:

• Nižší kapacita 
• Zvýšení vnitřního odporu
• Fyzické poškození desek

Vnitřní zkraty

Vnitřní zkraty se často rozvíjejí postupně a jejich detekce může být obtížná, dokud nedojde k významnému poškození. Na rozdíl od vnějších zkratů, které jsou obvykle zřejmé, vnitřní zkraty vznikají nepozorovaně uvnitř baterie a potenciálně vytvářejí nebezpečné podmínky.

Vnitřní zkraty v olověné baterii lze obecně rozčlenit do dvou kategorií: tvrdé a měkké zkraty. Tvrdé zkraty jsou obvykle způsobeny chuchvalci pasty vzniklými chybou ve výrobě. Měkké zkraty jsou následek nadměrně hlubokého vybití, kdy je hustota tak nízká, že se olovo začíná rozpouštět v elektrolytu. Olovo se pak zachytává v separátorech a způsobuje zkraty. Tvrdé i měkké zkraty způsobují tyto jevy:

• Okamžitá ztráta kapacity
• Nadměrný vývin tepla
• Potenciální tepelný lavinový jev
• V závažných případech nebezpečí požáru
• Uvolňování nebezpečných plynů

Vyschnutí (specifické pro baterie VRLA)

I když byly ventilem regulované olověné baterie (VRLA) vyvinuty tak, aby byly bezúdržbové, čelí jedinečnému problému: vyschnutí. Pokud dojde v baterii VRLA ke ztrátě elektrolytu, neexistuje na rozdíl od jejích protějšků se zaplavenými elektrodami žádný způsob, jak jej doplnit. Vyschnutí je tak jedním z jejich nejzáludnějších režimů poruchy.

K ztrátě elektrolytu může u baterie VRLA dojít vlivem nadměrného tepla, přebíjení, nekvalitní ventilace nebo nesprávného nabíjecího napětí. Ztráta elektrolytu vede k těmto jevům:

• Zvýšení vnitřní impedance
• Nižší kapacita
• Vyšší provozní teplota
• Snížení účinnosti
• Ztráta styku desky s elektrolytem
• Rychlejší stárnutí
• Potenciální tepelný lavinový jev
• Kratší doba zálohování
• Nespolehlivý výkon
• Zvýšení provozních nákladů
• Předčasná porucha

Tepelný lavinový jev (specifický pro baterie VRLA)

Tepelný lavinový jev je dramatický a nebezpečný režim poruchy, který může nastat i u baterií s libovolným chemickým složením. U olověných baterií je běžnější u typů VRLA než VLA.  Na rozdíl od jiných režimů poruchy, které se vyvíjejí postupně, může tepelný lavinový jev rychle eskalovat a potenciálně vést ke katastrofické poruše během několika hodin. Tepelný lavinový jev je exotermický proces, při kterém na sebe vzájemně působí teplo a proud v nebezpečné spirále, kdy se baterie zahřívá a předává vyšší proud, který následně generuje další teplo, jehož vlivem baterie předává ještě vyšší proud. Cyklus tak pokračuje až do vzniku poruchy.

Pro prevenci katastrofických poruch je velmi důležitá včasná detekce založená na následujících kritériích:

• Vysoká teplota
• Snížený odpor 
• Zvýšený proud 
• Vývin plynu překračující rychlost rekombinace
• Nárůst tlaku vyvolávající ventilaci
• Ztráta elektrolytu 

Typy poruch lithium-iontové baterie

Lithium-iontové baterie přinesly revoluci do ukládání energie, ale mají svůj vlastní soubor režimů poruchy.

Vznik vrstvy SEI

Vrstva pevného rozhraní mezi elektrolytem a elektrodou (SEI) je pro provoz lithium-iontové baterie zásadně důležitá. Během životnosti baterie se ale časem zvětšuje její tloušťka rychlostí, kterou ovlivňuje více faktorů. Růst vrstvy SEI má přímý dopad na impedanci baterie:

• Postupné zvýšení impedance
• Vyšší pokles napětí pod zátěží
• Nižší maximální proud
• Zvýšené zahřívání za provozu

Pokovení lithiem

Pokovení lithiem je v lithium-iontových bateriích jeden z nejzávažnějších režimů poruchy, který potenciálně vede ke katastrofickým poruchám. Na rozdíl od mechanizmů postupné degradace může pokovení lithiem vytvořit okamžité bezpečnostní riziko a pro jeho prevenci je nutné pečlivé řízení. Pokud baterie pracuje normálně, ionty lithia během nabíjení interkalují (vnořují se) do grafitové struktury anody. Za určitých podmínek se ale ionty akumulují na povrchu anody a vznikají usazeniny kovového lithia. Následně dochází k růstu dendritů a struktura se stává nestabilní.

Pokovení lithiem vytváří závažná bezpečnostní rizika:

• Vnitřní zkraty
• Potenciál tepelného lavinového jevu
• Možnost prasknutí článku
• Degradace kapacity
• Zvýšení vnitřního odporu
• Rychlejší stárnutí
• Nevyváženost článku
• Potenciál nebezpečí požáru

Nerovnoměrné stárnutí

U mnohých procesů stárnutí baterie se obvykle předpokládá, že v celém článku probíhají rovnoměrně, ale realita je často složitější. Nerovnoměrné stárnutí nastává v případě, kdy různé části článku stárnou různou rychlostí, a vznikají tak lokalizovaná slabá místa, která mohou mít významný dopad na výkon a bezpečnost. Výsledkem může být:

• Snížená celková kapacita
• Zvýšení vnitřního odporu
• Nerovnoměrné rozložení proudu
• Proměnlivá reakce na napětí

Poruchy systému BMS

Řídicí systém baterie (systém BMS) je kritická inteligence, která udržuje trvale bezpečný a účinný provoz lithium-iontové baterie. V případě poruchy systému BMS může dojít k znehodnocení výkonu i bezpečnosti baterie, proto je porozumění těmto poruchám velmi důležité. Poruchy systému BMS se mohou projevovat různými způsoby, například jako problémy s hardwarem, softwarem nebo kalibrací.

Poruchy systému BMS mohou mít závažné důsledky pro bezpečnost:

• Riziko přebití
• Potenciál nadměrného vybití
• Porucha řízení teploty
• Poruchy limitu proudu
• Absence kritických varování
• Opožděná reakce na vypnutí
• Porucha nouzového odpojení
• Nedostatečné řízení teploty
• Nevyváženost článku
• Tepelný lavinový jev 
• Nadměrné namáhání článků
• Rychlejší stárnutí

Problémy bloku baterie

Kromě poruch jednotlivých baterií jsou bloky baterie náchylné k další důležitému režimu poruchy: degradaci spojů mezi články v případě, že nejsou správně udržované. Tato degradace je důsledek více faktorů, mimo jiné koroze, vibrací a opakovaných změn teploty. S degradací spojů se zvyšuje jejich odpor. Pokud blokem protéká jen malý udržovací proud, nemusí to být znatelné, ale jakmile vyvstane požadavek na dodávku vyššího proudu, může zvýšený odpor spojů vést k nadměrnému zahřátí, které v některých případech vytváří nebezpečí požáru. 

Spoje mezi články často představují nejslabší prvek v bloku baterie a jejich porucha může mít závažné následky:

• Vysoký odpor
• Zvýšené zahřívání
• Nižší kapacita
• Nevyváženost napětí

Testování a prevence: Nejlepší ochrana proti poruše baterie

Porozumění režimům poruchy je velmi důležité, ale prevence poruch správným testováním a údržbou je ještě důležitější. Řádná údržba a pravidelné testování správným vybavením nejsou jen osvědčené postupy, ale jsou zásadní při plnění následujících cílů:

• Zajištění spolehlivosti systému
• Ochrana investic
• Udržení bezpečnosti
• Plnění závazků
• Optimalizace výkonu

Přístupům k testování a údržbě se budeme podrobněji věnovat v budoucím příspěvku.

Závěr

Jak jsme viděli, k poruše baterie může dojít mnoha způsoby, od postupné degradace kladné mřížky v olověné baterii k potenciálně nebezpečnému pokovení lithiem v lithium-iontových systémech. Porozumění těmto režimům poruchy není jen akademická úvaha, cílem je ochrana kritické infrastruktury, zajištění nepřetržitého chodu podniku a udržení bezpečnosti.

Některé režimy poruchy, např. sulfatace nebo vznik vrstvy SEI, probíhají pomalu a stabilně a postupně znehodnocují výkon baterie. Jiné, například tepelný lavinový jev nebo vnitřní zkraty, mohou udeřit rychle a dramaticky. Společnou ale mají jednu velmi důležitou charakteristiku: předtím, než způsobí katastrofickou poruchu, vysílají varovné signály.

Právě proto je tak důležité pravidelné testování a údržba. Náklady na implementaci správných programů testování a údržby jsou v porovnání s potenciálními následky poruchy baterie minimální. Tyto následky mohou sahat od nákladných výměn a prostojů systému po závažné bezpečnostní incidenty.

V dalším příspěvku prozkoumáme, jak lze detekovat výstražná znamení správným testováním a údržbou. Vědět, jak nastávají poruchy baterií, je teprve první krok. Ještě důležitější je vědět, jak poruše zabránit.