Akkukennojen ja akkujen palotutkimus

Sähkö- ja hybridikäyttöiset autot ovat yleistymässä ja sähköauton akun käyttäytyminen ajoneuvopaloissa tulee huomioida. Energiavarastoina käytettävien akkujen oikosulku- ja paloriskeihin on myös syytä varautua.

Akkukennojen ja akkujen palotutkimus tehdään yhteistyössä Pelastusopiston, Työterveyslaitoksen, Suomen Palopäällystöliiton ja Suomen Pelastusalan Keskusjärjestön kanssa. Hankkeessa saadaan tietoja akkupalojen riskitekijöistä, jolloin voidaan arvioida tarvitaanko uusia henkilökohtaisia välineitä ja varusteita ja/tai uusia työskentelyn toimintaohjeita. Hankkeessa tuotetaan kuvamateriaalia, -aineistoa pelastajakoulutukseen ja alalla toimivien täydennyskoulutukseen.

Näytteitä savukaasuista ja tietoa sammutustekniikoista

Akkukennojen palotutkimusosuuden palokokeet tehdään Kuopiossa Pelastusopiston harjoitusalueen monipalosimulaattorissa. Kokeissa kerätään näytteitä savukaasuista niiden myöhempää analysointia varten. Lisäksi pyritään selvittämään erilaisten sammutustekniikoiden tehokkuutta ja vaikutuksia savukaasujen koostumukseen.

Savukaasujen koostumuksen selvittäminen on oleellista muun muassa pelastushenkilöstön työturvallisuuden kannalta ja arvioitaessa nykyisten henkilökohtaisten suojavälineiden riittävyyttä.

Akkukennopaloista on tarkoitus jatkaa akkupakettien palotutkimuksiin. Nämä tehdään Pelastusopiston harjoitusalueen kentällä. Tämän tutkimusosuuden tavoitteita ovat akkupaketin syttymismekanismin, palokäyttäytymisen ja palokuorman selvittäminen.

Metropolian tavoitteiden mukaisesti hanke on liitetty mukaan osaksi opintoja ja autosähkötekniikan opiskelijat tekevät hankkeen koejärjestelyistä ja ensimmäisistä palotutkimuksista innovaatioprojektin.

Tutkimusasetelmaa haettiin usealla ennakoivalla kennon koepoltolla, joista yksi on nähtävillä oheisella videolla.

Päärahoittaja on 50 % osuudella Palosuojelurahasto ja osarahoittajana Sähkötekniikan Edistämiskeskus ry.

Lisätietoja:

Lehtori, Projektipäällikkö Markku Haikonen
P. +358 50 344 4540
S-posti: etunimi.sukunimi@metropolia.fi


Hankkeen tulokset

Litiumioniakut yleistyvät - mitä meidän tulee tietää akkupalojen riskitekijöistä?

 Teksti: Markku Haikonen, Metropolia Ammattikorkeakoulu, Ajoneuvo- ja konetekniikka

 

Litiumioniakkukennojen ja -akkujen palotutkimus tehtiin Metropolian koordinoimassa hankkeessa yhteistyönä Pelastusopiston, Työterveyslaitoksen, Suomen Palopäällystöliiton ja Suomen Pelastusalan Keskusjärjestön kanssa.

Tutkimuksessa tutkittiin sekä sähkö- ja hybridiautojen litiumioniakkukennoja ja -akkuja että pienten kuluttajalaitteiden litiumioniakkuja, joita käytetään esimerkiksi tasapainoskoottereissa ja radio-ohjattavissa autossa. Tutkimuksessa selvitettiin akkukennojen ja akkujen syttymisherkkyyttä, paloissa syntyviä savukaasuja sekä sammutustekniikoita.

Säh­kö- ja hyb­ri­di­au­tos­sa on kor­ke­a­jän­nit­teel­li­sen li­tium­ioni­akun li­säk­si myös 12 V akku, joka on pe­rin­tei­nen lyi­jy­akku (Pb), siis sa­man­kal­tai­nen kuin on ta­val­li­ses­sa au­tos­sa pää­vir­ta­läh­tee­nä. Pi­dem­mäl­lä aika­jän­teel­lä tul­laan au­to­jen lyi­jy­ak­ku­ja kor­vaa­maan ma­ta­la­jän­nit­tei­sil­lä li­tium­ioni­a­kuil­la.

Akkukennojen ja akkujen palotutkimuksessa tuloksia arvioitiin pelastushenkilöstön näkökulmasta. Kuluttajalaitteiden kohdalla näkökulmana oli myös kuluttajan oikea toiminta akkujen latauksissa, jolloin voidaan välttää erityisesti virheellisiä lataustapoja.

 

Tutkimusmenetelmät

Litiumioniakkukennot sytytettiin palamaan alapuolisella lämmönlähteellä (nestekaasuliekki). Akkukennojen syttymisen jälkeen alapuolinen liekki sammutettiin ja suoritettiin savukaasujen mittaukset ja sammutuskokeet.

Sähkö- ja hybridiautojen korkeajännitteellisten akkumoduulien ja akkujen sekä 12 V litiumioni käynnistysakun paloja tutkittiin sytyttämällä akut alapuolisella kerosiiniliekillä. Liekin voimakkuutta säädeltiin tutkimuksen aikana. Havainnointi kohdennettiin muun muassa akun yksittäisten kennojen syttymiseen, akun kuoren muutoksiin, akun itsenäiseen palamiseen ja palon kestoon.

Kuluttajalaitteiden akuille sovellettiin rikkovan tutkimuksen menetelmää, jossa akkuja kytkettiin oikosulkuun tai ladattiin ylijännitteellä tai ylivirralla. Tutkimuksessa selvitettiin lisäksi latauspussin käytön vaikutusta paloriskin alentamiseen.

 

Keskeisiä tuloksia

Savukaasuja ja sammutustekniikkaa tutkittaessa käytettiin NMC (nikkelimangaanikobolttioksidi) akkukemian akkukennoja. Palotilanteissa epäpuhtauksista merkittävimpiä olivat fluori- ja kloorivetyhappojen päästöt. Lisäksi syntyi ärsyttäviä palokaasuja kuten formaldehydi ja akroleiini. Sammutusvaahto (ureaa noin 5 %) oli testissä tehokkaampi kuin vesi. Sammutustekniikka ja -aine muuttivat epäpuhtauksien ja savukaasujen koostumuksia.

Sähkö- ja hybridiautojen korkeajännitteellisissä akuissa ja kuluttajalaitteissa on myös muita akkukemian akkuja ja kukin kemia käyttäytyy eri tavalla palotilanteissa, samoin syntyvät savukaasut voivat olla erilaisia. Sammuttamiseen sovelletaan ajoneuvopalon sammutusohjeita:

NMC litiumioniakkukennopaloissa syntyy terveydelle haitallisia savukaasuja. Sammutettaessa paloa on käytettävä paloasua ja paineilmahengityslaitteita. Sammuttaminen tehdään sammutusvaahdolla tai vedellä tuulen yläpuolelta lähestyen.

Ajoneuvopalon litiumioniakkujen paloriskiä tutkittiin kolmen eri akkukemian akuilla; NMC (nikkelimangaanikobolttioksidi), NCA (nikkelikobolttialumiinioksidi) ja LFP (litiumrautafosfaatti).

Tehdyissä palokokeissa NMC akun pussikennot paloivat kokeen loppuvaiheessa voimakkaasti ja itsenäisesti. NCA akun sylinterikennot syttyivät yksi kerrallaan, voimakasta itsenäistä palotilannetta kokeessa ei syntynyt. LFP akkukemian akku oli paloturvallisin, sen akkukennot paloivat vain hyvin pienellä liekillä. Missään vaiheessa ei havaittu minkään akun kohdalla akun kuoren äkillistä repeytymistä eikä akkukennojen tai akkujen räjähdyksiä.

Palotutkimuksen tuloksena voidaan todeta, että sähkö- ja hybridiauton litiumioniakun syttyminen ajoneuvon palamisen seurauksena ei vaikuta tämän kokeen perusteella olevan kovin todennäköistä.

Arviota tukevat ajoneuvopalon melko lyhyt kesto, sähköauton akun sijoitus suojakoteloon auton alustaan ja palon lämpökuorman suuntautuminen ylöspäin.

Ajoneuvopalon sammuttaminen tehdään paloasua ja paineilmahengityslaitteita käyttäen sammutusvaahdolla tai vedellä tuulen yläpuolelta lähestyen.

 

Kuluttajalaitteiden akkujen rikkovassa testauksessa käytettiin kolmea eri litiumioniakkukemiaa: LiPo (litiumpolymeeri), LFP ja NMC. Oikosulkuriskiä testattiin täyteen ladatuilla akuilla. Väärää lataustekniikkaa kokeiltiin asteittain virtaa ja jännitettä nostamalla.

Tutkimushankkeessa suoritettujen mittaustulosten perusteella voidaan olettaa, että oikosulkuun joutuneella akulla on tulipalon vaara. Latausohjelmien lyhytaikainen väärinkäyttö ei osoittautunut tutkimuksessa palovaaralliseksi, mutta pitkäaikainen latausohjelmien väärinkäyttö voi lisätä paloriskiä. Väärällä latausohjelmalla pystyttiin saavuttamaan nelinkertaisen (4 C) virtamäärän ylilataus. Kuitenkin erittäin suuri ylilataus, esimerkiksi kymmenkertaisella virtamäärällä (10 C) lataaminen on jo selkeä paloturvallisuusriski.

Kuluttajan tulee säilyttää akut siten, että niiden navat on suojattu oikosululta.

Akkua tulee ladata oikealla latausohjelmalla, jotta pysytään akulle suositellussa latausjännitteessä ja latausvirrassa.

Akkujen lataukseen suunniteltu latauspussi parantaa paloturvallisuutta. Latauspussin tarkoitus on eristää lämmön siirtyminen ympäristöön, ja sen myötä estää tulipalon syntyminen. Jos akkupaketti saavuttaa tarpeeksi korkean lämpötilan, huonolaatuinen latauspussi saattaa edistää tulipalon laajenemista.

Kuluttajille suunnattujen laitteiden ja niiden akkujen käsittely ja lataus kannattaa tehdä valmistajien ohjeiden mukaisesti turvallisissa olosuhteissa.

Kuluttajan tulee ennen latausta tarkistaa akun kunto ja hylätä akku, jos siinä on havaittavissa muodonmuutos, esimerkiksi akun pullistuminen tai jos akku ladattaessa kuumenee liikaa.

 

Tutkimuksen raportointi

Tutkimuksen raportointi on Suomen Pelastusalan Keskusjärjestön www-sivuilla ja se koostuu seuraavista dokumenteista:

-  Akkukennojen ja akkujen palotutkimus 2016–2017,

§  kooste 17.1.2018, Markku Haikonen

§  tiivistelmä SMDno-2015–980, Markku Haikonen

-  Akkukennojen ja akkujen savukaasututkimus, Ville Hallikainen

-  Korkeajänniteakkukennojen ja -akkujen palot, niiden sammuttaminen ja riskinhallinta, Työterveyslaitos

- Kuluttajakäytön litiumioniakkujen rikkova testaus, Jesse Suosalmi ja Matias Niemelä

 

 

Katso video kennon koepoltosta

Ajoneuvo- ja konetekniikan osaamisalue