Kategoriarkiv: Energi

Kortslutning i utvecklingen (uppdaterad)

Ingen som inte är det minsta intresserad av flyg har kunnat undgå Boeings problem med sin nyutvecklade modell 787 Dreamliner. Ett kortslutet batteri har lett till att flygplanstypen groundats i avvaktan på utredningsresultaten. Som vanligt så går pressens drev och som vanligt så kritiserar man allt som är nytt. Frågan är bara om det är ett övergående problem vid användning av ny teknik, eller om vi ser slutet för Litium Jon batterier i flygplan framför oss?

Boeing hävdar att det inte är batterierna i sig själv som är problemet, utan det är vad som orsakar kortslutningen och att kunna hantera konsekvenserna av en kortslutning som måste lösas. När väl ett Litium Jon batteri börjar brinna så är det mer eller mindre omöjligt att släcka. Boeing är inte ensamma om att ha problem. T.ex. råkade en Cessna 525C Citation Jet CJ4 ut för en brand som fick FAA att gå ut med en ”Emergency Airworthiness Directive”. Airbus använder sig också av Lithium Jon batterier i sin A350/A380. De är kanske inte lika stora och används inte till lika många kritiska system, men en brand i dessa batterier får samma konsekvens som i en Dreamliner.

Litium Jon batterier har också historiskt haft en del problem i t.ex. bärbara datorer.

Lithium-ion batteries have many advantages over traditional batteries. They are lighter, can be recharged faster and more often, and provide substantially more power than other batteries of the same size.

For that reason, lithium-ion cells have become the norm in rechargeable consumer electronics. But in 2006, manufacturing defects in some batteries that caused them to catch fire led computer makers to recall nearly 10 million laptops.

Safety regulators, however, were more worried about the instances when the batteries caught fire in the cargo hold of an aircraft, or while being carried by passengers. Federal authorities in 2004 prohibited nonrechargeable lithium-ion batteries from being transported aboard passenger planes as cargo. That ruling was reinforced in August 2007, just two months before the Boeing request was approved.

There were 132 safety problems involving batteries carried by passengers or in cargo holds from March 1991 to October 2012, according to the F.A.A.

Professor Whitacre of Carnegie Mellon said that even though laptop battery packs were banned as loose cargo, that did not mean that lithium-ion batteries could not be used safely when integrated into the plane’s electrical system with computerized controls and other measures.

Man får dock komma ihåg att bärbara datorer ofta har mycket usla system för att hantera laddningen av batterier. Använder du en bärbar dator med strömsladden kontinuerligt inkopplad så kommer batteriet att förr eller senare (oftast förr) att laddas sönder. Mer avancerade laddningssystem känner av batteriets laddningsnivå och kan dessutom underhållsladda batteriet. Ett batteri mår normalt bra av att laddas ur med jämna mellanrum.

Själv så tycker jag, trots de inträffade bränderna, att Litium Jon batterier har mycket intressanta egenskaper för tillämpning inom flygindustrin.

Utmaningen för en flygplansdesigner är att skapa ett batteri som ger tillräcklig kraft, men som har en vikt och storlek som är hanterbar. Generatorerna som drivs av flygplansmotorerna ger massor av ström. Vilket kan behövas då moderna flygplan också förbrukar massor av ström. Batteriet ska kunna hantera detta när generatorerna av någon anledning inte finns tillgängliga. Den här sidan visar på skillnaderna mellan olika batterityper och en vanlig flygmotor på hur mycket energi de kan producera.

Den tekniska utvecklingen har inneburit att fler och fler elektriskt drivna system integreras i flygplanen. Glascockpit, GPS, ACAS/TCAS m.m. Alla dessa system har höjt flygsäkerheten då de underlättar pilotens arbete. Multimediasystem byggs in i passagerarna stolar för att roa dem under långa flygfärder. Allt detta kräver el!

I äldre flygplan var det mesta mekaniskt. De första gyrokompasserna drevs av vakuum som skapades i venturirör. I senare generationer driver motorn en luftpump som skapar undertrycket som gyrosystemen använder. I de allra senaste generationerna är det mesta elektriskt. Antingen elektrisk drivna pumpar till gyrosystemen eller lasergyron som direkt drivs av elmotorer. Presentationen i kabinerna är också numer mer eller mindre till 100% elektriskt driven. För att nå tillräcklig hög systemsäkkerhetsnivå så finns det flera redundansnivåer. Ordinarie huvudgeneratorer som drivs av motorerna, reservgeneratorer som drivs av en APU – Auxiliary Power Unit (en liten jetmotor) och i slutändan batterier.

Batterierna används för att starta upp flygplanet innan generatorerna kommit igång. De används också som nödsystem utifall flygplanets ordinarie och reservgeneratorer av någon anledning slutar fungera. Batterierna har dock inte obegränsad kapacitet. Ett par misslyckade starter eller att någon tekniker glömmer slå av huvudströmmen under natten innebär att batteriet är tomt. I luften räcker oftast batteriet i ca 30 minuter innan det tomt. Lite beroende på flygplanstyp och hur många system det ska driva. I vanliga fall så brukar piloten kunna stänga av delsystem han inte anser behövs för att spara på batterierna och förlänga drifttiden. T.ex. behövs inte värmen till nospitotröret om det inte är risk för isbildning. Man kan också stänga av en radioapparat, transponder m.m. om de inte behövs för att hålla kontakt med flygtrafikledningen.

Att man nu försöker nyttja Litium Jon batterier är inte förvånande. De har en hel del fördelar jämfört med de traditionella alternativen.

– Vanliga flygplansbatterier är dels tunga, men de kräver också mycket underhåll. Med jämna mellanrum ska de plockas ur och testas. Laddas ur och sedan laddas upp. Detta kräver stora underhållsresurser och är heller inte helt ofarligt då ett flygplansbatteri som kortsluts ger upphov till en ordentlig ljusbåge. Jag har själv sett en skruvmejsel med ett fyrkantsstålskaft på ca 1 cm i diameter som helt sprängts av när teknikern i fråga råkade komma åt batteriet i flygplanet.

– Nödbatterier som t.ex. termobatterier är underhållsfria, men de är också en engångsprodukt. När de väl aktiverats så går inte förloppet att stoppa och de räcker bara en viss begränsad tidsperiod. De är heller inte helt riskfria då den termoelektriska processen kan ses som en kontrollerad explosion. Ett termobatteri som aktiveras blir mycket varmt. Ett Litium Jon batteri blir också varmt när det belastas, men den stora fördelen är att skulle man få igång reserv eller huvudgenerator så kan man åter ladda upp batteriet för att det ska finnas tillgängligt om problemet återuppstår.

Det som idag driver på utvecklingen av batterier är framför allt bilindustrin och vindkraftsindustrin. Biltillverkarna vill bli mer miljövvänliga och vindkraftsverken behöver lagra energi för att jämna ut topparna mellan dagar med mycket vind och de tillfällen då det är vindstilla. Flygplanstillverkarna tittar på helt eldrivna flygplan. Kanske inte i första hand för stridsflyg eller passagerarflyg, men för förarlösa flygplan. Det är också en hel del intressanta tekniker under utveckling. Man tittar bl.a. på nya material för att förkorta laddningstiden till en 60-del av dagens tider. Genom att tillsätta svavel så kan man öka kapaciteten upp till 3 ggr dagens batterier. För länder, t.ex. Bolivia, som har god tillgång till Litium så ser framtiden ljus ut.

I ett flygplan, särskilt ett passagerarflygplan, så bör man inte ta onödiga risker. Dock så anser jag att man mycket väl kan använda Litium Jon batterier förutsatt att man dels har ett bra system för att kontrollera laddningsprocessen samt att batterierna försluts på ett sådant sätt att en eventuell mindre brand inte når batteriet i första taget. Vid en stor okontrollerbar brand, tex. vid ett haveri, så är bränslet ombord ett betydligt större problem än batteriet.

Cessna, som är en av pionjärerna för användning av Litium Jon batterier i flygplan, hävdar att de har kontroll på tekniken.

The Cessna Citation CJ4, certified on March 12, 2010, is believed to be the first civil aircraft with a Lithium Ion main battery. The 26.4VDC, 44Ah Lithium Ion main battery weighs 54 lbs, a 35% weight saving over a Nickel-Cadmium battery. Using phosphate-based Lithium Ion cells, which have no positive feedback thermal runaway failure mode, system integration of the battery and aircraft architecture design is simpler. Electronics and software are needed to optimize life only, not to ensure safety. Emergency discharge with failed electronics is enabled with the selection of a less volatile chemistry, the use of an analog Module Management System for cell balancing and protection, and the use of a microcontroller-based digital Central Monitoring System that reports health. System safety failure hazard assessment is considered Major, and the battery software is certified to the requirements of RTCA DO-178B, Design Assurance Level C. New Battery Fault and Battery Fail annunciations supersede the conventional Battery Overtemperature messages to accommodate other non-temperature related failure modes. Heaters enable performance at cold temperatures while its aircraft-in-the-loop circuit ensures safety. The Lithium Ion battery and the Cessna Citation CJ4 electrical bus and avionics suite designs were integrated to optimize performance, safety, protection, and maintenance frequency.

Jag är dock en smula tveksam till detta uttalande. RTCA DO-178B Level C innebär att man har en kontrollerad utvecklingsmiljö där slutresultatet ska bli som designen är tänkt. Det ska dessutom vara en jämn kvalitet i utvecklingen där ett exemplar inte ska vara sämre än ett annat. Men det säger inget om att designen i sig själv kan vara felaktig. Men givetvis så är det ett steg på vägen. Det viktigaste är dock att man har en sund utvecklingsmetodik där man ger möjlighet att skapa en bra design samt att det finns möjligheter till snabb återmatning för att förbättra sin produkt om man upptäcker problem i driften.

Men, i slutändan så är detta dock inte bara en teknikfråga utan en fråga om vilka risker som luftfartsmyndigheterna är beredda att ta. Det är också en förtroendefråga. Om passagerarna tvivlar så tvivlar också flygplansköparna, d.v.s. flygbolagen. Det har hänt förr. T.ex. fick de uppmärksammade haverierna med ATR 42/72 under 90-talet att bolagen slutade köpa turbopropflygplan, vilket slog hårt mot andra tillverkare av turbopropflygplan som t.ex. Saab och slutändan innebar att produktionen av Saab 340/2000 lades ned då det inte längre var lönsamt. Det ironiska i sammanhanget var att det aldrig var turboproptekniken som var problemet, utan att ATR-planen hade problem med nedisning av vingarna och stabilisatorn! SAS hade ett antal tillbud med ställen på sina Dash 8-Q400, vilket resulterade i att man slutade operera typen och sedan sålde av flygplanen. Det var i detta fall inte något egentligt fel på landställskonstruktionen utan på underhållet av vissa kritiska delar.

Både Saab 340/2000 och Dash 8-Q400 används nu av många operatörer med mycket gott resultat. Men tidningsartiklarna hann göra skada. Det tog många år innan ryktena försvann. Tyvärr så är det nog så att kortslutningen i Dreamlinerns batterier kan tyvärr skapa en kortslutning i utvecklingen av bra batterier för flygplan. Men vad bryr sig en reporter på en dagstidning om detta?

Visst så är det bra att flygplanstillverkarna pressas av köparna och granskas av pressen. Men tyvärr så kan det leda till att utvecklingen pressas i fel riktning. Antingen så att man för snabbt skickar ut outvecklad teknik, eller att man stoppar utvecklingen mot det som skulle kunna vara bättre alternativ.

SvD1, SvD2, DN1, DN2, DN3

Uppdaterad 13-02-15, 20:40
FAA börjar dra åt sig öronen när det gäller deras godkännande av Boeings Litium Jon batterier.

Hersman noted that FAA employed nine “special conditions” to certify the use of lithium ion batteries on the 787 since such high-powered batteries were “novel” in a commercial aircraft. Boeing conducted testing on the batteries in 2006 and 2007 to gain FAA certification for the technology, including tests to determine what would happen if a lithium ion battery failed. According to Hersman, Boeing said its tests determined the likelihood of a “smoke emission event” resulting from a battery failure was “once in every 10 million flight hours.”
Hersman pointed out the 787 fire in Boston and the Jan. 16All Nippon Airways battery event occurred with the 787 fleet in service for fewer than 100,000 flight hours. “Yet there have now been two battery events resulting in smoke less than two weeks apart in two aircraft,” she said. “So we know that some of the assumptions that were made [about] not having a smoke event, let alone a fire event, have not been seen in fleet performance.”
In a joint statement issued following Hersman’s comments, US transportation secretary Ray LaHood and FAA administrator Michael Huerta said FAA has been conducting a “comprehensive review of the 787’s critical systems including the aircraft’s design, manufacture and assembly … As part of this effort, the FAA is looking at both the certification process and specifically at the required tests and design of the aircraft’s lithium ion battery. The FAA invited the NTSB to observe this FAA-led process.”
Regarding the specifics of the JAL 787 fire, Hersman said investigators have determined that short-circuiting occurred in cell number six of the eight-cell, 32-volt lithium ion battery used to start the aircraft’s auxiliary power unit. The short circuit led to thermal runaway—uncontrolled chemical reactions resulting from overheating—in cell number six, which “cascaded to the other cells and that resulted in the fire,” Hersman explained.
Så vi får vänta ett tag till innan det kommer en första rapport på vad som orsakade kortslutningen i batteriet och vilka åtgärder som kan vidtagas för att förhindra att det inträffar igen.
Men trots att Boeing har problem så har deras kunder inte förlorat tron på att Dreamliner kan komma att bli ett bra flygplan. American Airlines beställer i dagarna 143 flygplan, varav 42 Dreamliner. Helt klart pågår det just nu en generationsväxling av passagerarflygplanen hos de stora operatörerna.