Informazioni sulla sicurezza delle batterie al litio per veicoli elettrici - Runaway termico

Informazioni sulla sicurezza delle batterie al litio per veicoli elettrici - Runaway termico

Il motivo principale degli incendi dei veicoli elettrici è dovuto agli incendi delle batterie, che sono principalmente causati da un'esplosione termica della batteria. La cosiddetta fuga termica si riferisce al riscaldamento delle batterie durante il funzionamento. Quando la temperatura della batteria è troppo elevata o la tensione di carica è troppo alta, all'interno della batteria si verifica una catena di reazioni chimiche che causano un forte aumento della pressione interna e della temperatura, con conseguente fuga termica e infine combustione.

Le cause della fuga termica delle batterie sono diverse e possono essere dovute a temperature non uniformi del pacco batteria stesso, a temperature elevate in aree locali, a cortocircuiti esterni, a cortocircuiti interni e ad altri motivi che possono causare l'accensione. Il design del separatore è uno dei fattori importanti che influenzano il verificarsi di cortocircuiti interni nelle batterie. Se il margine di progettazione del diaframma è insufficiente o la direzione di progettazione non è corretta, la duttilità meccanica e la flessibilità del diaframma ne risentiranno, provocando un restringimento durante il processo di carica e quindi i poli positivo e negativo entreranno in contatto tra loro, causando un cortocircuito.

Allo stesso tempo, il processo di produzione non è strettamente controllato e le particelle metalliche si mescolano alle celle della batteria. Queste impurità possono causare reazioni differenziali sulla superficie dell'elettrodo durante il processo di carica e scarica, che possono accumularsi e perforare il diaframma, causando cortocircuiti. Una volta che una cella della batteria incontra un problema, come un cortocircuito, un circuito aperto e così via, si ripercuoterà sulle altre celle del pacco batteria, causando gravi problemi interni e, in ultima analisi, problemi di sicurezza.

1 Sistema di gestione della batteria

I veicoli elettrici contengono una grande quantità di batterie al litio e se un anello non è ben fatto, si verifica una reazione a catena. A parte gli sforzi dei produttori di batterie e delle società di ricarica, la responsabilità che i produttori di veicoli devono effettivamente assumersi non è leggera. Il sistema di gestione delle batterie (BMS) è infatti un elemento importante dell'architettura complessiva dei veicoli elettrici, che attualmente sono progettati dal costruttore del veicolo. Il BMS si trova al centro del sistema della batteria di alimentazione ed è un componente fondamentale per la protezione e la gestione della batteria. Il BMS non solo garantisce l'uso sicuro e affidabile della batteria, ma controlla anche la carica e la scarica del pacco batterie e riporta i parametri di base e le informazioni sui guasti del sistema della batteria di alimentazione al controllore del veicolo. Si può dire che è un ponte tra la batteria, il controller del veicolo e il conducente.

Il sistema di gestione termica è importante nel BMS e il suo principio di funzionamento di base consiste nel mantenere la temperatura del pacco batteria entro un certo intervallo di temperatura attraverso il raffreddamento o il riscaldamento per garantire le prestazioni e la durata delle celle della batteria. Il sistema di gestione termica si divide principalmente in tre categorie: sistema di riscaldamento, sistema raffreddato ad aria e sistema raffreddato ad acqua. I diversi schemi di progettazione hanno principi di funzionamento diversi, ma c'è la possibilità di provocare una fuga termica del pacco batteria.

In primo luogo, il sistema raffreddato ad acqua è un metodo di gestione termica che riduce la temperatura delle celle della batteria attraverso lo scambio di calore per convezione del liquido. Tuttavia, la piastra di raffreddamento ad acqua si trova solitamente nella parte inferiore del pacco batteria ed è collocata sul telaio del veicolo. Urti anomali, graffi sul fondo o guasti all'affidabilità a lungo termine della struttura del progetto di raffreddamento ad acqua durante il funzionamento a lungo termine possono causare perdite di liquido refrigerante, con conseguente cedimento dell'isolamento del pacco batteria e fuga termica dell'intero veicolo.

In secondo luogo, il sistema raffreddato ad aria è un metodo di gestione termica che utilizza l'aria come mezzo e sfrutta la convezione termica per ridurre la temperatura delle celle della batteria. Tuttavia, il raffreddamento ad aria può aumentare la difficoltà di sigillare il sistema della batteria. Durante il funzionamento a lungo termine del veicolo, la struttura di tenuta si guasta, con il rischio di fuga termica dovuta all'ingresso di acqua e di guasti all'isolamento durante la guida in giornate nuvolose e piovose. Infine, per i veicoli elettrici utilizzati principalmente nelle regioni fredde, viene utilizzato un sistema di riscaldamento che utilizza una pellicola riscaldante per riscaldare il pacco batterie e mantenerlo entro un intervallo di temperatura di esercizio ragionevole, garantendo le prestazioni delle celle della batteria. Una progettazione irragionevole della potenza di riscaldamento o dello schema di assemblaggio della pellicola riscaldante, o la sua mancata affidabilità a lungo termine, possono anche portare a un cedimento dell'isolamento del pacco batteria, con conseguenti eventi di runaway termico.

2 Materiali della batteria

Attualmente esistono soluzioni tecniche per questi problemi di gestione termica e la possibilità di risolverli efficacemente è un indicatore che riflette il progresso tecnologico di ciascun produttore. Per risolvere il problema dell'autonomia dei veicoli elettrici, il miglioramento del rapporto energetico delle batterie di potenza è un percorso di sviluppo necessario. Per migliorare il rapporto energetico, è necessario regolare la proporzione dei materiali relativi alle batterie al litio.

Attualmente, la maggior parte delle batterie per autovetture utilizza un sistema ternario, il che significa che il materiale dell'elettrodo positivo è costituito da batterie al litio, all'ossido di manganese e al nichel cobalto o all'ossido di alluminio e nichel cobalto. In base ai diversi rapporti di nichel, cobalto e manganese, possono essere ulteriormente suddivise in 111, 532, 622 e 811 tipi. Con l'aumento della percentuale di nichel, aumenterà anche il rapporto energetico della batteria di potenza, il che significa che l'autonomia dell'auto aumenterà di conseguenza. Per le batterie al litio, sicurezza, durata, costo e densità energetica sono in equilibrio dinamico. Se la densità di energia aumenta, gli altri tre aspetti incontreranno inevitabilmente dei problemi.

Più alto è il rapporto di nichel, più scarsa è la stabilità termica dell'intero materiale dell'elettrodo positivo. Le batterie ad alto tenore di nichel possono presentare rischi per la sicurezza se esposte a temperature elevate, urti esterni e altri fattori. La generazione di gas durante la carica delle batterie ad alto tenore di nichel può inoltre causare il rigonfiamento della batteria, che rappresenta un problema importante. Allo stesso tempo, se la batteria 811 subisce una fuga termica, le conseguenze sono molto gravi.

In passato, la fuga termica delle batterie al litio-ferro-fosfato provocava solo fumo; la batteria al litio ternaria di tipo 532 può subire una combustione a causa della fuga termica. Una volta che la batteria ternaria di tipo 811 perde il controllo termico, è probabile che si verifichi una detonazione. La ricerca di un'elevata densità energetica è inevitabile per lo sviluppo. Ma per lo sviluppo di batterie ad alta energia specifica per veicoli elettrici, la sicurezza sarà sempre la priorità assoluta.

3 Sicurezza delle batterie per veicoli elettrici

Per quanto riguarda la sicurezza dei veicoli elettrici, non si tratta di qualcosa che devono fare una o due aziende, o una o due società di collegamento. È una corda che ogni impresa, dal livello normativo all'intera catena industriale, deve stringere con forza. La priorità è che il prodotto superi gli standard. Negli incidenti precedenti, i prodotti dei veicoli elettrici hanno avuto più o meno problemi. Test e verifiche insufficienti dei prodotti a batteria, deterioramento dell'affidabilità durante l'uso del veicolo e basso livello della tecnologia di gestione della sicurezza della ricarica.

L'aspetto più degno di nota è che il concetto di tempo di fuga è stato proposto per la prima volta negli standard nazionali obbligatori. Secondo le normative, il pacco batteria o il sistema deve fornire un segnale di allarme di evento termico (che funge da allarme di evento termico del veicolo per ricordare ai passeggeri di evacuare) 5 minuti prima che una singola fuga termica della batteria provochi una diffusione termica e costituisca un pericolo per l'abitacolo.

Una volta emesso il segnale di allarme, gli occupanti del veicolo hanno tempo sufficiente per fuggire, riducendo così al minimo i rischi per la sicurezza personale. L'opzione più impotente è quella di segnalare un pericolo, mentre la strategia migliore è quella di bloccare il pericolo sul nascere. In condizioni di lavoro complesse, le batterie dei veicoli elettrici incontrano inevitabilmente problemi nel corso del tempo. È quindi urgente monitorare in modo proattivo la sicurezza dei veicoli elettrici.

Attualmente, i veicoli elettrici e quelli a combustibile utilizzano lo stesso sistema di test, ma in tutto il mondo mancano test sull'intero ciclo di vita dei veicoli elettrici. Ciò rende difficile per i veicoli elettrici individuare tempestivamente i problemi minori dopo un uso prolungato. Il Thousand Mile Embankment è stato distrutto da una colonia di formiche e, col tempo, i problemi di sicurezza finiranno per emergere.

Diverse centrali al litio hanno chiesto l'istituzione di un sistema di test standardizzato per i veicoli a nuova energia, imponendo loro di sottoporsi a test professionali standardizzati. A differenza dei veicoli a benzina, l'ispezione annuale dei veicoli a nuova energia dovrebbe stabilire un sistema di ispezione di sicurezza corrispondente, basato sulle caratteristiche delle batterie elettriche e di potenza ad alta tensione. L'istituzione di un sistema di ispezione annuale dei veicoli a energia nuova può garantire la sicurezza dell'uso dei veicoli a energia nuova ed evitare in qualche modo il verificarsi di incidenti di sicurezza.

Molti veicoli presenti sul mercato attuale sono ancora in uso oltre la durata di vita prevista, con conseguenti rischi per la sicurezza nelle fasi successive. Pertanto, si raccomanda di stabilire norme obbligatorie di rottamazione per i veicoli che superano i requisiti di progettazione del prodotto in termini di tempo di funzionamento o di chilometraggio. Inoltre, a causa della mancanza di una profonda comprensione delle caratteristiche delle batterie da parte dei produttori di veicoli e della mancanza di un'analisi efficace dei dati di monitoraggio di back-end, molti guasti avrebbero potuto essere avvertiti precocemente attraverso l'analisi dei dati storici. Pertanto, si raccomanda ai produttori di veicoli di condividere i dati con le aziende produttrici di batterie per ottenere un allarme tempestivo e ridurre i rischi di mercato.

Oltre alle misure di cui sopra, Nissan ritiene che, a prescindere dal sistema di guida utilizzato, qualsiasi veicolo che circola su strada debba essere sottoposto a un'adeguata manutenzione e cura, che è molto importante. Una manutenzione tempestiva, una rottamazione regolare o la sostituzione della batteria possono eliminare completamente i rischi per la sicurezza causati dall'invecchiamento del veicolo.