مفهوم فرار حرارتی (Thermal Runaway) در باتری های یو پی اس چیست؟
فرار حرارتی چیست؟
فرار حرارتی یک واکنش زنجیره‌ای در سلول باتری است که می‌تواند هم باتری‌های VRLA و هم باتری‌های لیتیوم یون را تحت تأثیر قرار دهد. این فرآیند زمانی شروع می شود که گرمای تولید شده در باتری از مقدار گرمایی که می تواند به محیط اطراف پخش کند بیشتر شود. در این مرحله، یک واکنش شیمیایی در باتری شروع می‌شود که منجر به تولید گرمای بیشتر شده و دمای باتری را بالاتر می‌برد. اگر این پدیده به نحوی کنترل نشود، افزایش دما همچنان ادامه پیدا می کند و بروز آن در یک باتری می‌تواند بر روی باتری‌های دیگر که در مجاورت آن قرار دارند نیز تأثیر بگذارد و از این رو اصطلاح «فرار حرارتی» در این مورد بکار برده می شود. در موقعیت‌های فرار حرارتی، دمای سلول باتری در میلی‌ثانیه افزایش می‌یابد و باعث متورم شدن، ذوب یا ترک خوردن بدنه باتری می‌شود و یا تمام انرژی ذخیره شده در باتری را به سرعت آزاد می‌کند. این واکنش شیمیایی می تواند به دمای بسیار بالا تا 400 درجه سانتیگراد برسد که خطر آسیب یا از بین رفتن تجهیزات، آسیب به افراد، آتش سوزی یا انفجار را به همراه خواهد داشت.
چه چیزی باعث فرار حرارتی در باتری یو پی اس می شود؟
1 ) دمای زیاد محیط
باتری‌های لیتیوم یونی معمولاً نسبت به باتری‌های سرب اسید نوع VRLA نسبت به نوسانات دما حساسیت کمتری دارند با این حال هر دو باتری در دماهای بسیار بالا بسیار زودتر خراب می‌شوند. عمر باتری در دمای بیش از 25 درجه سانتیگراد کاهش می یابد چرا که گرمای محیط اطراف توانایی باتری را برای دفع گرمای داخلی خود کاهش می دهد و همانطور که پیش تر گفته شد منجر به افزایش واکنش شیمیایی داخلی، کاهش امپدانس، افزایش جریان شارژ شناور و در نهایت افزایش بیشتر دمای باتری می شود.
2 ) عمر زیاد باتری
تمام باتری‌ها اعم از لیتیوم یون یا VRLA، عمر طراحی مشخصی دارند. در شرایط ایده آل یک باتری با طول عمر مشخص احتمالا به همان اندازه دوام می آورد اما به دلیل پیچیدگی و ساختار هر سلول باتری قطعا راندمان آن در طول زمان کمتر می شود.
عواملی چون دمای نگهداری، رطوبت، تعداد دفعات شارژ و دشارژ و نیز میزان عمق دشارژ از این جمله هستند. تمامی باتری ها زمانی که به 80 درصد ظرفیت نامی (یا عمر طراحی) خود می رسند در پایان عمر مفید خود در نظر گرفته می شوند.
باتری‌هایی که به پایان عمر خود نزدیک می‌شوند به مرور زمان رو به خرابی رفته و ممکن است در معرض عبور جریان‌های بالا و تولید گرمای داخلی قرار بگیرند و بدین ترتیب شرایطی در سلول‌های باتری ایجاد شود که باعث بروز فرار حرارتی شود.
3 ) ولتاژ شارژ زیاد
ولتاژ شارژ بیش از حد به متریال داخلی باتری آسیب می رساند و طول عمر کلی آن را کوتاه می کند. این پدیده موجب افزایش ولتاژ سلول، افزایش دمای باتری و در نتیجه تجمع گرما و گازها در سلول ها می گردد.
خوشبختانه یو پی اس های امروزی دارای شارژرهای هوشمند و پیشرفته ای هستند که باعث می شود باتری ها در بهترین وضعیت شارژ قرار بگیرند و طول عمر آنها افزایش یابد.
4 ) آسیب فیزیکی به باتری
فرار حرارتی می تواند به دلیل اتصال کوتاه داخلی ناشی از یک ضربه یا آسیب فیزیکی به باتری و یا به دلیل نگهداری ضعیف باتری رخ دهد. حتی ایجاد یک اتصال کوتاه خارجی بین قطب های باتری می تواند زنجیره رویدادهای فرار حرارتی را آغاز کند.
روش های جلوگیری از بروز فرار حرارتی در باتری های یو پی اس
1 ) نگهداری باتری در دمای مناسب
مهمترین و ساده ترین روش برای جلوگیری از فرار حرارتی در باتری های یو پی اس نگهداری باتری ها در دمای مناسب است. در حالت ایده آل، این دما باید در محدوده ای بین 5 تا 20 درجه سانتیگراد باشد.
برای رسیدن به این هدف وجود خنک کننده و تهویه مناسب در محلی که یو پی اس در آن قرار دارد ضروری به نظر می رسد. به این ترتیب دمای محیط همواره در محدوده ایده آل حفظ می شود.
2 ) تعویض باتری های با عمر زیاد
باتری هایی که به 80 درصد عمر طراحی خود رسیده اند و در نتیجه عمر مفید آنها به پایان رسیده است باید در اسرع وقت تعویض شوند تا از خراب شدن بیشتر سلول های باتری محافظت شود.
هر چند توصیه می گردد باتری های یو پی اس همگی با هم تعویض شوند و تاریخ تولید باتری های نصب شده در یو پی اس با هم متفاوت نباشد.
3 ) جلوگیری بالا رفتن ولتاژ شارژ باتری
همیشه دستورالعمل‌های شرکت سازنده باتری خود را در مورد الزامات شارژ مناسب باتری ها در نظر بگیرید.
4 ) بکارگیری سیستم مدیریت باتری (Battery Management System-BMS)
BMS یک سیستم الکترونیکی است که با توجه به نوع باتری قادر به مدیریت یک سلول یا کل مجموعه ی باتری است. از جمله مواردی که BMS قادر به ارائه آن است عبارتتند از:
- کنترل سلامت کلی باتری
- بررسی ولتاژ هر سلول باتری را
- کنترل مقدار جریان
- گزارش نمودن دمای باتری
- متعادل کردن شارژر و کنترل فرآیند شارژ
5 ) بازدید شرایط فیزیکی، تست میزان بکاپ و تست امپدانس باتری
بازرسی فیزیکی، تست مقدار بکاپ دهی باتری ها و تست‌های امپدانس داخلی باتری ها با استفاده از دستگاه سنجش امپدانس باتری به شناسایی هرگونه نشانه‌ای از ضعف، فرسودگی باتری کمک می‌کند.
تشخیص زودهنگام امکان نصب باتری های جایگزین را فراهم می کند و به جلوگیری از بروز مشکلات بعدی کمک می کند. اکثریت قریب به اتفاق موارد فرار حرارتی با اعمال چند روش ساده قابل پیشگیری هستند. شرایط فاجعه باری که می تواند در نتیجه عدم انجام این کار ایجاد شود، می تواند عواقب جدی بهداشتی و ایمنی، مالی و قانونی داشته باشد. با پیروی از روش‌های ساده، همانطور که در بالا ذکر شد، می‌توان تا حد زیادی خطر وقوع یک حادثه ناخواسته را به حداقل رساند.
اولین دیدگاه را ثبت کنید