Standard di test di sicurezza per le batterie agli ioni di litio di potenza - Parte 1

Standard di test di sicurezza per le batterie agli ioni di litio di potenza - Parte 1

Negli ultimi anni, i Paesi di tutto il mondo hanno aumentato costantemente il sostegno politico ai veicoli a nuova energia e anche le case automobilistiche come Tesla hanno lanciato nuovi modelli. Ciò ha portato a una rapida crescita del mercato globale dei veicoli elettrici. Tuttavia, gli incidenti di incendio ed esplosione dei veicoli elettrici si sono verificati più volte, rendendo il problema della sicurezza al centro dell'attenzione dei consumatori. In questo contesto, i Paesi e le organizzazioni internazionali competenti hanno emanato standard per i test di sicurezza delle batterie elettriche, al fine di standardizzarne l'uso sicuro.

Attualmente, gli standard tecnici/specifiche internazionali relativi alla sicurezza delle batterie sono riportati nella figura. Tra questi, gli standard emessi da ISO (International Organization for Standardization), IEC (International Electrotechnical Commission) e SAE International (Society of Automotive Engineers) sono standard internazionali, che hanno un forte significato di riferimento per gli standard nazionali. Come specificato in JIS C8715-2-2012 Secondary lithium batteries for industrial applications - Part 2: Test and safety requirements del Giappone, gli standard della serie IEC 62660 sono preferiti per le batterie dei veicoli stradali.

UL 2580 è uno standard per le batterie al litio di potenza emesso dagli Underwriters Laboratories (UL) degli Stati Uniti. Copre un'ampia gamma di contenuti, tra cui le prestazioni elettriche, l'idoneità ambientale e i requisiti di sicurezza di singole batterie, moduli di batterie, pile di batterie e sistemi di batterie, nonché i test di sicurezza di base per i componenti delle batterie sulla linea di produzione. Allo stesso tempo, rafforza i requisiti di revisione della sicurezza nella progettazione del sistema di gestione della batteria, del sistema di raffreddamento e del circuito di protezione. ECE R100 è la normativa sui veicoli della Commissione Economica per l'Europa delle Nazioni Unite. Lo standard è diviso in due parti. La parte 2 dello standard specifica in dettaglio la sicurezza del sistema di accumulo di energia ricaricabile (REESS) per i veicoli. Oltre agli standard sopra citati, FreedomCAR del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti prevede di lanciare nel 2005 un manuale di test di sicurezza per le batterie di potenza per veicoli elettrici, che fornisce disposizioni complete per il test di sicurezza delle batterie di potenza.

In base alle caratteristiche degli elementi in esame, i test di sicurezza possono essere generalmente suddivisi in test di sicurezza meccanica (vibrazioni, urti, cadute, perforazioni, ecc.), test di sicurezza ambientale (shock termico, stabilità termica, incendio, ecc.) e test di sicurezza elettrica (cortocircuito, sovraccarico, sovra-scarico, ecc.). Tra questi, il ciclo di shock termico, il cortocircuito, il sovraccarico, il sovraccarico, la vibrazione, lo shock meccanico, l'estrusione e altri progetti ampiamente utilizzati saranno descritti in dettaglio di seguito.

1.Sicurezza meccanica

1.1 Vibrazioni

Le vibrazioni sono inevitabili nel processo di guida dei veicoli elettrici. Per questo motivo, quasi tutti gli standard/specifiche di questo documento la elencano tra i test di sicurezza. La frequenza, la densità spettrale di potenza e altri parametri del test delle vibrazioni variano notevolmente nei diversi standard. Il test di scansione sinusoidale viene solitamente utilizzato per identificare la risonanza del prodotto, mentre le vibrazioni casuali simulano solitamente la scena di vita quotidiana che il campione vivrà.

I parametri di vibrazione della norma ISO 12405-1 (2.3) e della norma IEC 62660-2 (3) si riferiscono alla norma IEC 60068-2-64. La prima è l'unica norma (serie) che si riferisce al test di vibrazione. Il primo è l'unico standard (serie) elencato nella Tabella 3 che richiede test di vibrazione a diverse temperature (- 40 ℃, +25 ℃, +75 ℃). Il test di vibrazione originale di GB/T 31467.3-2015 fa riferimento agli standard della serie ISO 12405 e i parametri di vibrazione sono gli stessi. Nel 2017, lo standard ha modificato il test di vibrazione in vibrazione sinusoidale e i parametri di prova specifici sono gli stessi di ECE R100-02. Il test sinusoidale di SAE J2929 2013 fa riferimento a UN 38.3-2015, mentre la vibrazione casuale fa riferimento a SAEJ2380. Lo sweep sinusoidale specifica che i diversi parametri di prova sono selezionati in base alla qualità del campione. La vibrazione di una singola batteria nella norma UL 2580-2013 [16] si riferisce indirettamente alle norme IEC 60068-2-64 e IEC 62660-2.

Le vibrazioni del modulo e dello stack di batterie fanno riferimento alla norma SAE J2380. Sebbene la vibrazione casuale di FreedomCAR non faccia esplicitamente riferimento alla norma SAE J2380, i suoi parametri di vibrazione sono gli stessi di quest'ultima. Dal punto di vista della durata del test di vibrazione, il più lungo è di 92,6 ore e il più breve di 3 ore. Si può notare che il test di vibrazione è più rappresentativo dell'abuso a breve termine della batteria che della durata meccanica a lungo termine. La norma IEC63660-2 (3) non menziona la direzione delle vibrazioni. ECE R100-02-2013 e GB/T 31487.3-2015 [11] vibrano solo in direzione verticale. Gli altri standard vibrano da tre direzioni reciprocamente perpendicolari, in grado di valutare in modo completo le vibrazioni che la batteria può subire durante l'uso. Per quanto riguarda lo stato di carica (SOC) dei campioni di prova, le disposizioni dei vari standard variano dal 20% al 100%.

1.2 Shock meccanico

Lo shock meccanico mira a valutare l'impatto di un'accelerazione/decelerazione improvvisa dei veicoli elettrici sulle batterie. Dall'accelerazione e decelerazione nel normale processo di guida, alla pressione sul marciapiede quando si guida ad alta velocità, fino all'incidente stradale, questi scenari possono essere simulati o parzialmente simulati attraverso l'impatto meccanico. Le disposizioni dei vari standard/specifiche sulle condizioni di prova (accelerazione di picco, durata, ecc.) dell'impatto meccanico sono molto diverse. Inoltre, la norma ISO 12405-3-2014 fa riferimento anche alla norma ECE R100-02 per quanto riguarda l'impatto meccanico, ma la prova di impatto meccanico di quest'ultima è una prova di impatto.

Sia SAE J2464 2009 che SAE J2929 2013 fanno riferimento a UN 38.3-2015. I parametri di prova sono selezionati in base alla massa del campione. L'accelerazione di picco con massa ridotta è elevata e la durata è breve. Questi due standard adottano un'accelerazione di picco molto più elevata rispetto ad altri standard per le batterie singole e i moduli/sistemi di batterie con massa ridotta. Sebbene il campo di applicazione sia diverso, le prove d'urto meccanico di sei norme, come ISO 12405-1 (2.3), IEC 62660-2 (3) e UL 2580-2013, fanno indirettamente riferimento alla IEC 60068-2-27 attraverso la ISO 16750-3. FreedomCAR divide il test d'impatto in due livelli: livello basso (il campione non può essere danneggiato dopo il test) e livello medio (il campione non può funzionare normalmente dopo il test). Inoltre, FreedomCAR consente l'uso di altre forme d'onda d'impulso oltre all'onda semisinusoidale, mentre altri standard richiedono l'uso dell'onda semisinusoidale. La durata specificata da FreedomCAR è maggiore rispetto ad altri standard e l'accelerazione di picco è inferiore rispetto ad altri standard.

1.3 Crash

Lo scopo della giornata di crash test è quello di verificare le prestazioni di sicurezza del campione sotto il carico inerziale portato dall'urto del veicolo, per cui nella norma ISO 12405-32014 viene chiamato anche carico inerziale all'urto del veicolo. Questa prova presenta alcune analogie con l'impatto meccanico. La norma ECE R100-02-2013, pur essendo chiamata urto meccanico, è in realtà un crash test. Inoltre, anche le due norme ISO 12405-3: 2014 e GB/T 31467.3-2015 specificano gli elementi di prova. Vale la pena ricordare che i parametri del test d'impatto dei tre standard sono identici. Il valore di accelerazione del test d'impatto è molto più basso di quello del test d'impatto meccanico e la durata dell'impulso è più lunga di quella del test d'impatto meccanico.

1.4 Schiacciamento

Il test di schiacciamento viene utilizzato per valutare l'impatto della forza continua sulla forma della batteria e sulle prestazioni di sicurezza quando il veicolo incontra un incidente o un'altra forza esterna. Questo test è chiamato forza di contatto in caso di incidente del veicolo nella norma ISO 12405-3:2014 e integrità dell'involucro della batteria nella norma SAE J2929 2013. Il test di estrusione di solito applica una forza alla batteria attraverso una piastra di acciaio con una forma specifica fino a quando non viene raggiunto il valore di pressione specificato o si verifica una certa deformazione o un improvviso calo di tensione.