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Test d'emballement thermique des batteries lithium-ion - Partie 2

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Test d'emballement thermique des batteries lithium-ion - Partie 2

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2 Expérience sur les risques environnementaux des avions réels

2.1 Expérience d'incendie de sac de vol électronique dans le cockpit

Dans l'expérience de risque d'emballement thermique des batteries lithium-ion dans le cockpit, un taux élevé de renouvellement de l'air a été fixé et un sac de vol électronique (EFB) a été chauffé à l'aide d'un radiateur. La batterie lithium-ion de l'EFB, d'une capacité de stockage de 7,2 Ah (SOC de 100 %), a immédiatement activé le système d'extinction d'incendie pour contrôler le feu lorsqu'une flamme nue est apparue. Les résultats montrent que les niveaux de CO, CO2 et O2 dans la cabine varient légèrement, mais que la température maximale peut atteindre 600 ℃. L'opacité de la fumée est de 10 % et dure 5 minutes. Une énorme impulsion de pression peut pousser la porte de la cabine non verrouillée. Même avec un taux élevé de renouvellement de l'air (une fois par minute), l'emballement thermique de la batterie lithium-ion d'un seul dispositif EFB affectera sérieusement la sécurité du vol et de la conduite, posant un risque potentiel de catastrophe.

2.2 Expérience d'incendie de tablette électronique dans la cabine

Les tablettes sont des appareils de travail et de divertissement transportés par les membres d'équipage et les passagers, qui présentent des risques potentiels importants. En 2013, la FAA a placé la tablette électronique sur un chariot de cuisine et l'a chauffée à l'aide d'un radiateur dans le cadre de l'expérience d'incendie du panneau de cabine. Au stade initial, des flammes sortent continuellement des interstices, puis brûlent férocement, avec une augmentation soudaine de la pression et l'ouverture précipitée de la porte de poussée. Bien que le système de ventilation fonctionne normalement, la cabine est toujours remplie d'une épaisse fumée. Lorsque le gaz prémélangé s'enflamme, la flamme qui se dégage et une grande quantité de fumée suffisent à rendre inefficace le système de ventilation de la cabine.

Lors d'une autre expérience d'incendie de tablette dans la cabine, la tablette a été placée dans la boîte de rangement de la cuisine 727. Les résultats de l'expérience ont montré qu'un énorme choc de pression s'est produit avant que l'emballement thermique ne soit complètement terminé, et que la température maximale à l'extérieur de la boîte a atteint 81 ℃. Mais si plusieurs comprimés prennent feu, le risque est plus élevé.

2.3 Expérience à grande échelle sur les piles au lithium en soute

Mener et actualiser en permanence des expériences d'incendie de piles au lithium à grande échelle dans des environnements réels, de l'extérieur aux cales de classe E et C, afin d'étudier les risques et les caractéristiques d'emballement thermique des incendies de piles au lithium à grande échelle. Une expérience à grande échelle sur les batteries au lithium a été menée dans la soute. 5000 batteries lithium-ion 18650 et 4800 batteries lithium-métal SF123A ont été regroupées et placées au milieu de la soute de classe C de l'avion cargo 737. La ventilation a été mise en place et, après un certain temps, le système d'extinction à eau a été activé pour contrôler l'incendie de manière appropriée. Un compteur de flux thermique est placé devant et directement au-dessus de la batterie, et un thermocouple (d'une hauteur de 15, 92 et 152 cm respectivement) ainsi qu'un détecteur de gaz sont placés verticalement à côté pour enregistrer la composition des gaz et les changements de température à l'intérieur de la soute et du cockpit.

L'expérience a montré que l'emballement thermique des batteries lithium-métal éjecte du lithium métallique et de l'électrolyte, provoquant une combustion importante qui peut pénétrer la plaque de fond en fer. La température au sommet de la cabine peut atteindre 1000 ℃, ce qui est beaucoup plus dangereux que les batteries lithium-ion. Lorsque seule une partie des batteries est impliquée dans la réaction et que l'incendie est correctement maîtrisé, la fraction volumique d'oxygène dans la soute peut atteindre un minimum de 3 %, et la température au sommet de la cabine peut atteindre jusqu'à 927 ℃. Dans le même temps, du gaz est libéré et s'infiltre dans le cockpit, provoquant une augmentation de la fraction volumique des gaz toxiques et de la température, ce qui affecte la conduite normale du pilote. Si toutes les batteries participent à la réaction, les dommages seront catastrophiques

Recherche sur l'emballement thermique des piles au lithium dans des environnements changeants

3.1 Contenu expérimental

Les recherches sur l'emballement thermique des piles au lithium sont principalement basées sur l'environnement statique au sol et manquent de recherches sur l'environnement dynamique en vol. En utilisant une méthode de recherche combinant des expériences d'observation à petite échelle, des expériences de similarité à grande échelle, une analyse théorique et une simulation numérique, cette étude examine les facteurs qui affectent l'apparition de l'emballement thermique dans les piles au lithium dans des conditions normales de transport aérien. Elle étudie également les caractéristiques de la propagation de l'emballement thermique, du champ de température et de la libération de gaz dans des environnements changeants, ainsi que le contrôle de la concentration de gaz, de la température et de la suppression de l'explosion de l'emballement thermique dans les piles au lithium.

(1) Simulation.

Analyser les facteurs influençant les caractéristiques de température de l'emballement thermique de la batterie au lithium, l'emballage de la batterie au lithium et la capacité d'extinction des systèmes d'extinction d'incendie à bord. Utiliser un logiciel de simulation pour simuler les changements dynamiques de la pression, de l'environnement d'oxygène et du champ d'écoulement pendant les vols normaux et les vols d'urgence, établir un modèle de génération et de dissipation de chaleur pour l'emballement thermique d'une seule batterie au lithium, et analyser la distribution du champ de température, la libération d'énergie, le processus de combustion et d'explosion, ainsi que la capacité d'extinction d'incendie requise causée par l'emballement thermique. Établir un modèle de propagation de la chaleur par emballement thermique pour plusieurs batteries lithium-ion, analyser la direction et la résistance thermique de la propagation de la chaleur entre les batteries

(2) Expériences à petite échelle.

En utilisant le compartiment basse pression à petite échelle déjà construit, en contrôlant la pression et la température à l'intérieur du compartiment, une petite quantité de piles au lithium est placée dans un certain oscillateur de fréquence pour simuler les conditions changeantes de pression, de température et de vibration d'un transport aérien normal. Les facteurs et les conditions clés qui affectent l'emballement thermique des piles au lithium, ainsi que le champ de température et les caractéristiques de libération de gaz des piles au lithium, sont étudiés.

(3) Expérience de validation à grande échelle.

À l'aide d'équipements expérimentaux, simulez les variations de pression d'un avion civil pendant le processus de levage et d'abaissement, reproduisez l'environnement à basse pression, à faible teneur en oxygène et à pression dynamique dans la soute, et mesurez des paramètres tels que la composition des fumées, la densité, la température, le flux de rayonnement thermique et la hauteur de l'explosion pendant le processus d'emballement thermique des piles au lithium.

4 Résumé

Avec l'augmentation du SOC, la température maximale, le taux de dégagement de chaleur maximal, la perte de masse totale et le dégagement total de gaz combustible pendant le processus d'emballement thermique des batteries au lithium augmentent progressivement ; lorsque le SOC est d'environ 50 %, il est plus probable de provoquer une propagation de l'emballement thermique entre les batteries, ce qui pose le plus grand risque ; lorsque le SOC est inférieur à 30 %, la possibilité de propagation de l'emballement thermique s'arrêtera. Lors du transport de batteries au lithium-ion, le fait de contrôler le niveau de la batterie pour qu'il soit inférieur à 30 % réduira la gravité des incendies ; le danger et la difficulté d'éteindre les incendies de batteries au lithium-ion sont beaucoup plus élevés que les incendies de marchandises générales.

Que les incendies de batteries au lithium-ion se produisent dans la soute, la cabine ou le cockpit, ils provoqueront des accidents graves, voire catastrophiques. C'est pourquoi les systèmes d'extinction des incendies et les systèmes de ventilation des avions doivent prêter attention à la prévention et au contrôle des incendies de batteries au lithium-ion. Les recherches sur les caractéristiques d'incendie des batteries au lithium et les expériences sur les risques du transport aérien sont principalement basées sur des conditions environnementales statiques au sol, et il y a un manque de recherche expérimentale pertinente sur la simulation des conditions de vol. L'environnement de vol normal d'un avion est différent des conditions stationnaires au sol, et les changements de pression, de température et de fréquence des vibrations dans les conditions normales de transport aérien ont tous un impact significatif sur les incendies de piles au lithium. Les recherches expérimentales pertinentes doivent être vérifiées et complétées.