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Prueba de fuga térmica de la batería de iones de litio - Parte 2

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Prueba de fuga térmica de la batería de iones de litio - Parte 2

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2 Experimento sobre riesgos ambientales en aeronaves reales

2.1 Experimento de incendio de la bolsa de vuelo electrónica de la cabina de pilotaje

En el experimento de riesgo de fuga térmica de las baterías de iones de litio en la cabina de pilotaje, se estableció una alta tasa de sustitución de aire y se calentó una bolsa de vuelo electrónica (EFB) mediante un calefactor. La batería de iones de litio de la EFB con una capacidad de almacenamiento de 7,2 Ah (SOC del 100%) activó inmediatamente el sistema de extinción de incendios para controlar el fuego cuando se produjo una llama abierta. Los resultados muestran que los niveles de CO, CO2 y O2 en la cabina varían ligeramente, pero la temperatura máxima puede alcanzar los 600 ℃. La opacidad del humo es del 10% y dura 5 minutos. Un enorme pulso de presión puede empujar la puerta de la cabina desbloqueada. Incluso con una alta tasa de reposición de aire (una vez por minuto), el desbocamiento térmico de la batería de iones de litio de un solo dispositivo EFB afectará gravemente a la seguridad del vuelo y la conducción, lo que supone un peligro potencial catastrófico.

2.2 Experimento de incendio de una tableta electrónica en cabina

Las tabletas son dispositivos de trabajo y entretenimiento que llevan los miembros de la tripulación y los pasajeros, con importantes peligros potenciales. En 2013, la FAA colocó el ordenador tablet en un carrito de cocina y lo calentó mediante un calefactor en el experimento de incendio del panel de cabina. En la etapa inicial, las llamas emergen continuamente de los huecos, luego arden ferozmente, con un aumento repentino de la presión y se apresuran a abrir la puerta de empuje. Aunque el sistema de ventilación funciona con normalidad, la cabina sigue llena de humo espeso. Cuando se enciende el gas premezclado, la llama desprendida y una gran cantidad de humo son suficientes para inutilizar el sistema de ventilación de la cabina.

En otro experimento de incendio de pastillas en cabina, la pastilla se colocó en la caja de almacenamiento de la cocina del 727. Los resultados experimentales mostraron que se produjo un enorme choque de presión antes de que se produjera por completo el desbocamiento térmico, y la temperatura máxima fuera de la caja alcanzó los 81 ℃. Pero si se incendian varias tabletas, el riesgo será mayor.

2.3 Experimento a gran escala de baterías de litio en la bodega de carga

Realización y actualización continuas de experimentos de incendios de baterías de litio a gran escala en entornos reales, desde exteriores hasta bodegas de carga de clase E y clase C, estudiando los peligros y las características de fuga térmica de los incendios de baterías de litio a gran escala. Se realizó un experimento con baterías de litio a gran escala en la bodega de carga. se agruparon 5000 baterías de iones de litio 18650 y 4800 baterías de litio-metal SF123A y se colocaron en el centro de la bodega de carga de clase C del avión de carga 737. Se estableció la ventilación y, tras un periodo de tiempo, se activó el sistema de extinción por agua para controlar el fuego adecuadamente. Se dispuso un medidor de flujo de calor delante y directamente encima de la batería, y un termopar (con alturas de 15, 92 y 152 cm respectivamente) y un detector de gas dispuestos verticalmente junto a ella para registrar la composición del gas ambiental y los cambios de temperatura en el interior de la carga y la cabina.

El experimento descubrió que el desbocamiento térmico de las baterías de litio-metal expulsa el litio metálico y el electrolito, provocando una combustión severa que puede penetrar en la placa inferior de hierro. La temperatura en la parte superior de la cabina puede alcanzar hasta 1000 ℃, lo que es mucho más peligroso que las baterías de iones de litio. Cuando sólo una parte de las baterías participa en la reacción y el fuego se controla adecuadamente, la fracción volumétrica de oxígeno en la bodega de carga puede alcanzar un mínimo del 3%, y la temperatura superior de la cabina puede llegar hasta 927 ℃. Al mismo tiempo, se libera gas que se filtra a la cabina, provocando un aumento de la fracción volumétrica de gas tóxico y de la temperatura, lo que afecta a la conducción normal del piloto. Si todas las baterías participan en la reacción, causará daños catastróficos

Investigación sobre la fuga térmica de las baterías de litio en entornos cambiantes

3.1 Contenido experimental

La investigación sobre el desbordamiento térmico de las baterías de litio se basa principalmente en el entorno estático del suelo, y carece de investigación sobre el entorno dinámico del vuelo. Utilizando un método de investigación que combina experimentos de observación a pequeña escala, experimentos de similitud a gran escala, análisis teórico y simulación numérica, este estudio investiga los factores que afectan a la aparición del desbocamiento térmico en baterías de litio en condiciones normales de transporte aéreo. También investiga las características de la propagación del escape térmico, el campo de temperatura y la liberación de gas en entornos cambiantes, así como el control de la concentración de gas, la temperatura y la supresión de la explosión del escape térmico en baterías de litio.

(1) Simulación.

Realizar un análisis de los factores que influyen en las características de la temperatura de la batería de litio en caso de fuga térmica, el embalaje de la batería de litio y la capacidad de extinción de incendios de los sistemas de extinción de incendios de a bordo. Utilizar software de simulación para simular los cambios dinámicos en la presión, el entorno de oxígeno y el campo de flujo durante vuelos normales y de emergencia, establecer un modelo de generación y disipación de calor por fuga térmica de una sola batería de litio y analizar la distribución del campo de temperatura, la liberación de energía, el proceso de combustión y explosión, así como la capacidad de extinción de incendios necesaria causada por la fuga térmica. Establecer un modelo de propagación del calor de fuga térmica para múltiples baterías de iones de litio, analizar la dirección y la resistencia térmica de la propagación del calor entre las baterías

(2) Experimentos a pequeña escala.

Utilizando el compartimento de baja presión a pequeña escala ya construido, mediante el control de la presión y la temperatura dentro del compartimento, se coloca una pequeña cantidad de baterías de litio en un oscilador de cierta frecuencia para simular las condiciones cambiantes de presión, temperatura y vibración del transporte aéreo normal. Se estudian los factores y las condiciones clave que afectan al desbocamiento térmico de las baterías de litio, así como el campo de temperatura y las características de liberación de gases de las baterías de litio.

(3) Experimento de validación a gran escala.

Utilizando equipos experimentales, simular los cambios de presión de los aviones civiles durante el proceso de elevación y descenso, reproducir el entorno de baja presión, bajo oxígeno y presión dinámica en la bodega de carga, y medir parámetros como la composición del humo, la densidad, la temperatura, el flujo de radiación térmica y la altura de explosión durante el proceso de embalamiento térmico de las baterías de litio.

4 Resumen

Con el aumento del SOC, la temperatura máxima, la tasa máxima de liberación de calor, la pérdida total de masa y la liberación total de gas combustible durante el proceso de desbocamiento térmico de las baterías de litio aumentan gradualmente; cuando el SOC se sitúa en torno al 50%, lo más probable es que se produzca una propagación de desbocamiento térmico entre las baterías, lo que supone el mayor riesgo; cuando el SOC es inferior al 30%, la posibilidad de propagación de desbocamiento térmico cesará. Cuando se transportan baterías de iones de litio, controlar el nivel de la batería para que sea inferior al 30% reducirá la gravedad de los incidentes de incendio; El peligro y la dificultad de extinguir los incendios de baterías de iones de litio son mucho mayores que los incendios de carga general.

Tanto si los incendios de baterías de iones de litio se producen en la carga, en la cabina o en la cabina de pilotaje, causarán accidentes graves o incluso catastróficos. Por lo tanto, los sistemas de extinción de incendios y los sistemas de ventilación de los aviones deben prestar atención a la prevención y el control de los incendios de baterías de iones de litio. La investigación sobre las características del fuego de las baterías de litio y los experimentos de riesgo del transporte aéreo se basan principalmente en condiciones ambientales estáticas en tierra, y faltan investigaciones experimentales relevantes sobre la simulación de las condiciones de vuelo. El entorno normal de vuelo de un avión es diferente de las condiciones estáticas en tierra, y los cambios de presión, temperatura y frecuencia de vibración en condiciones normales de transporte aéreo tienen un impacto significativo en los incendios de baterías de litio. Es necesario verificar y complementar las investigaciones experimentales pertinentes.