Bezpieczeństwo akumulatorów EV i zarządzanie awariami

Akumulator trakcyjny EV musi zachować izolację elektryczną, ochronę mechaniczną i stabilność termiczną, a jednocześnie magazynować energię wystarczającą do poruszania pojazdu. Bezpieczeństwo zależy więc od nakładających się barier: od materiałów ogniw i konstrukcji pakietu po monitorowanie, odłączniki zderzeniowe i procedury awaryjne.

Jak rozwijają się awarie akumulatora?

Sprawny akumulator zwykle nie przechodzi bezpośrednio od normalnej pracy do pożaru. Poważne zdarzenie zazwyczaj zaczyna się od usterki elektrycznej, mechanicznej, termicznej lub produkcyjnej, która powoduje lokalne nagrzewanie albo niezamierzoną drogę przepływu prądu.

Możliwe zdarzenia inicjujące obejmują:

Wewnętrzne zwarcie spowodowane zanieczyszczeniem, uszkodzeniem separatora lub wadą ogniwa
Zewnętrzne zwarcie w okablowaniu, szynach zbiorczych lub elektronice mocy
Przeładowanie lub głębokie nadmierne rozładowanie po awarii sterowania albo pomiaru
Zgniecenie, wygięcie, przebicie lub uszkodzenie wskutek drgań
Zewnętrzne nagrzewanie lub pożar
Wodę lub przewodzące zanieczyszczenie docierające do uszkodzonych komponentów wysokonapięciowych
Luźne, skorodowane lub wysokooporowe połączenie, które nagrzewa się pod obciążeniem
Ładowanie poza dozwolonym zakresem napięcia lub temperatury

Usterka inicjująca i jej późniejsze konsekwencje to różne części zdarzenia. Bezpiecznik może na przykład przerwać duży prąd zewnętrzny, lecz nie usunie energii zmagazynowanej chemicznie wewnątrz uszkodzonego ogniwa.

Zwarcia wewnętrzne

Zwarcie wewnętrzne łączy części ogniwa, które powinny pozostać elektrycznie rozdzielone. Dotknięty obszar może być niezwykle mały, co utrudnia wykrycie usterki, zanim wytworzy ona dość ciepła, by uszkodzić otaczający materiał.

Niektóre zwarcia wewnętrzne stabilizują się lub powodują utratę pojemności ogniwa bez dalszego rozwoju. Inne generują coraz więcej miejscowego ciepła. Wynik zależy od rezystancji zwarcia, chemii ogniwa, stanu naładowania, konstrukcji ogniwa, temperatury i możliwości odprowadzania ciepła od miejsca usterki.

System zarządzania akumulatorem może wykryć nietypowe napięcie, prąd lub temperaturę, gdy skutek stanie się mierzalny przez jego czujniki. Nie może bezpośrednio obserwować każdej mikroskopijnej wady wewnątrz każdej warstwy elektrod.

Ucieczka termiczna

Ucieczka termiczna to samoprzyspieszająca sekwencja reakcji wewnętrznych. Ciepło wytwarzane w ogniwie podnosi jego temperaturę, co przyspiesza kolejne reakcje i powoduje wydzielanie jeszcze większej ilości ciepła.

Ogniwo w stanie ucieczki termicznej może uwalniać gorące i palne gazy, dym, opary elektrolitu oraz materiał stały. Ilość, kierunek i temperatura uwalnianych substancji zależą od formatu ogniwa, chemii, stanu naładowania, konstrukcji i sposobu wywołania awarii. Badania zestawione przez National Laboratory of the Rockies pokazują, że geometria ogniwa i metoda nadużycia mogą istotnie zmienić wydzielanie ciepła, dynamikę wewnętrzną i wyrzucany materiał. (National Laboratory of the Rockies â€” Transportation Energy Storage Publications)

Ucieczka termiczna w jednym ogniwie nie oznacza automatycznie, że spłonie cały pakiet. Propagacja następuje, gdy ciepło, płomień, gorący gaz lub wyrzucany materiał powodują awarię sąsiednich ogniw. Projektanci pakietów pracują więc zarówno nad opanowaniem pierwszej awarii ogniwa, jak i nad ograniczeniem przekazywania energii do ogniw sąsiednich.

Zdarzenia opóźnione

Uszkodzenie może stworzyć zagrożenie z opóźnieniem. Zgniecione ogniwo, naruszone uszczelnienie, zanieczyszczone złącze lub uszkodzony obieg chłodzenia mogą początkowo wydawać się stabilne, a dopiero później spowodować zwarcie.

Dlatego pojazd, który doznał poważnego uderzenia w podwozie, zalania albo uszkodzenia akumulatora, może wymagać odizolowania, monitorowania i specjalnych procedur przechowywania, nawet jeśli nie widać dymu ani ciepła. Brak natychmiastowego pożaru nie dowodzi, że pakiet jest nieuszkodzony.

Ochrona od ogniwa po pojazd

Żaden pojedynczy komponent nie czyni akumulatora EV bezpiecznym. Koncepcja bezpieczeństwa wykorzystuje wiele warstw, aby jedna usterka nie usuwała natychmiast wszystkich form ochrony.

Ochrona na poziomie ogniwa

Konstrukcja ogniwa może obejmować separatory zamykające przepływ, zawory ciśnieniowe, urządzenia przerywające prąd, elementy o dodatnim współczynniku temperaturowym i wewnętrzne bezpieczniki. Dostępne rozwiązania zależą od formatu ogniwa i nie są identyczne w ogniwach cylindrycznych, pryzmatycznych i woreczkowych.

Chemia ogniwa wpływa na napięcie, wydzielanie ciepła i stabilność termiczną, ale sam skrót chemii katody nie określa bezpieczeństwa pojazdu. Na wynik wpływają również jakość produkcji, konstrukcja separatora, ilość elektrolitu, stan naładowania, geometria ogniwa i integracja pakietu.

Szczególnie ważne jest kontrolowane odprowadzanie gazów. Obudowa ogniwa musi wytrzymywać normalne ciśnienie wewnętrzne, a jednocześnie zapewniać określoną drogę jego uwolnienia przed niekontrolowanym rozerwaniem. Pakiet musi następnie skierować uwolniony gaz z dala od pasażerów i wrażliwych komponentów elektrycznych.

Ochrona na poziomie pakietu

Pakiet akumulatorowy dodaje wokół ogniw bariery strukturalne, termiczne i elektryczne. Zależnie od konstrukcji mogą one obejmować:

Odstępy między ogniwami i bariery termiczne
Płyty chłodzące i materiały termoprzewodzące
Struktury dociskowe dla ogniw woreczkowych lub pryzmatycznych
Ognioodporną izolację
Ukierunkowane drogi odprowadzania gazu i rozprężania ciśnienia
Szczelną obudowę z kontrolowanym odpowietrzaniem
Osłony podwozia i struktury chroniące przed uderzeniem bocznym
Wzmocnione drogi przenoszenia obciążeń wokół kabiny pasażerskiej
Segmentację ograniczającą propagację lub ułatwiającą izolowanie usterek

Obudowa musi chronić ogniwa, nie zatrzymując przy tym ciśnienia w niekontrolowany sposób. Musi też równoważyć ochronę zderzeniową, chłodzenie, masę, efektywność wykorzystania przestrzeni, produkcję i dostęp serwisowy.

Integracja strukturalna może zwiększyć sztywność i ograniczyć zużycie materiału, ale po uderzeniu może też utrudnić kontrolę i naprawę. Pakiet współtworzący podłogę pojazdu nadal musi zapobiegać wtargnięciu elementów, utrzymywać izolację elektryczną i zapewniać bezpieczną drogę dla uwalnianych gazów.

Ochrona wysokonapięciowa

Układ wysokonapięciowy wykorzystuje styczniki do łączenia pakietu z resztą pojazdu lub jego odłączania. Bezpieczniki chronią przed nadmiernym prądem, a odłącznik pirotechniczny może podczas poważnego zderzenia błyskawicznie przerwać przewodnik.

Inne typowe zabezpieczenia obejmują:

Obwody blokady wysokonapięciowej wykrywające otwarcie złączy lub pokryw
Monitorowanie izolacji między obwodem wysokonapięciowym a nadwoziem pojazdu
Obwody ładowania wstępnego zapobiegające dużemu prądowi udarowemu
Odłączniki serwisowe dla przeszkolonych techników
Złącza zabezpieczone przed dotykiem i ekranowanie
Pomarańczowe oznaczenie przewodów i etykiety ostrzegawcze wysokiego napięcia

Otwarcie styczników odłącza zaciski pakietu od zewnętrznych urządzeń wysokonapięciowych. Nie pozbawia napięcia ogniw ani wewnętrznych szyn zbiorczych. Odłączony pakiet może nadal zawierać setki woltów i znaczną ilość zgromadzonej energii.

Monitorowanie i sterowanie

BMS mierzy napięcie grup ogniw, prąd pakietu i temperatury w wybranych punktach. Szacuje stan naładowania i może ograniczyć moc ładowania lub napędu, gdy warunki zbliżają się do granic dozwolonego okna pracy.

BMS może zażądać chłodzenia, ogrzewania, zmniejszenia prądu, otwarcia styczników lub wyświetlenia ostrzeżenia kierowcy. Logika diagnostyczna może również porównywać zachowanie czujników, rozrzut napięć ogniw, rezystancję izolacji i trendy samorozładowania.

Monitorowanie jest warstwą zapobiegania i wykrywania, a nie fizycznym systemem ograniczania skutków. Gdy wewnątrz ogniwa rozpoczną się samopodtrzymujące reakcje, zwykłe zarządzanie termiczne może nie odprowadzać ciepła wystarczająco szybko, aby je zatrzymać.

Bezpieczeństwo po zderzeniu, zalaniu i incydencie

Bezpieczeństwo zderzeniowe zaczyna się od zapobiegania wtargnięciu kabiny pasażerskiej lub odłamków z drogi do pakietu. Następnie pojazd musi zarządzać wysokim napięciem i wykrywać warunki mogące wywołać opóźnione zdarzenie termiczne.

Euro NCAP informuje, że podczas oceny zderzeniowej EV monitoruje wyjście akumulatora wysokonapięciowego, sprawdza nadwozie pod kątem niebezpiecznego napięcia oraz bada pakiet pod kątem wtargnięcia, wycieku, pożaru lub nietypowego ciepła. (Euro NCAP â€” Electric-Vehicle Safety Testing)

Układ sterowania zderzeniowego może otworzyć główne styczniki lub uruchomić odłącznik pirotechniczny po osiągnięciu progów uderzenia. Zmniejsza to ryzyko, że uszkodzone przewody zewnętrzne pozostaną pod napięciem, ale nie pozwala stwierdzić, że każde wewnętrzne ogniwo jest nieuszkodzone.

Zalanie i kontakt z wodą

Nienaruszony pakiet jest uszczelniony przed zwykłymi rozbryzgami z drogi i warunkami atmosferycznymi. Woda powodziowa stwarza inne warunki, ponieważ pojazd może zostać zanurzony, uderzony przez odłamki lub wystawiony na przewodzące i korozyjne zanieczyszczenia.

Kontakt z wodą nie oznacza, że każdy akumulator ulegnie awarii. Bezpieczna reakcja nadal wymaga profesjonalnej oceny, ponieważ uszkodzona izolacja, złącza, odpowietrzniki lub uszczelnienia mogą powodować ryzyko porażenia prądem i opóźnionego pożaru. NHTSA zaleca właścicielom pojazdów zalanych i podejrzewanych o uszkodzenie akumulatora, aby skontaktowali się z producentem, dealerem lub służbami ratunkowymi, zamiast samodzielnie dotykać układu wysokonapięciowego. (NHTSA â€” Electric and Hybrid Vehicles: Battery, Charging and Safety)

Ratownictwo, holowanie i przechowywanie

Karty ratownicze właściwe dla danego pojazdu wskazują komponenty wysokonapięciowe, strefy cięcia, położenie akumulatora i punkty izolacji. Przewodniki reagowania awaryjnego dodają instrukcje dotyczące pożaru, zanurzenia, wycieku, holowania i przechowywania. NHTSA prowadzi bazę przewodników przekazanych przez producentów dla służb ratunkowych. (NHTSA â€” Emergency Response Guides and Rescue Sheets)

Prawidłowa procedura może różnić się w zależności od modelu i konstrukcji akumulatora. Ratownicy i operatorzy pomocy drogowej powinni korzystać z przewodnika dla konkretnego pojazdu, zamiast zakładać, że punkt izolacji, miejsce podnoszenia lub instrukcja przechowywania są takie same we wszystkich markach.

Uszkodzony EV może wymagać oddzielenia od budynków i innych pojazdów, monitorowania temperatury lub wyznaczonego miejsca przechowywania. Przepisy transportowe rozróżniają również akumulatory nieuszkodzone od uszkodzonych, wadliwych lub objętych akcją przywoławczą, ponieważ te ostatnie wiążą się z większym ryzykiem zwarcia i pożaru. (PHMSA â€” Transporting Lithium Batteries)

Jak testuje się bezpieczeństwo akumulatorów?

Bezpieczeństwo akumulatora ocenia się na poziomie ogniwa, pakietu i całego pojazdu. Laboratoryjne testy nadużycia i testy zderzeniowe odpowiadają na różne pytania, dlatego zaliczenie jednego testu nie zastępuje pozostałych.

Globalny Regulamin Techniczny ONZ nr 20 adresuje bezpieczeństwo pojazdów elektrycznych i ich ładowalnych systemów magazynowania energii elektrycznej. Jego zakres obejmuje bezpieczeństwo elektryczne, pracę podczas użytkowania, warunki po zderzeniu i ochronę przed zagrożeniami pożarowymi związanymi z akumulatorem. (UNECE â€” UN Global Technical Regulation No. 20: Electric Vehicle Safety)

Regionalne przepisy homologacyjne wykorzystują kombinacje testów i wymagań dla pojazdów, obejmujące takie zagadnienia jak:

Drgania i wstrząsy mechaniczne
Integralność mechaniczna i wtargnięcie
Szok termiczny i cykle temperaturowe
Zewnętrzne zwarcie
Ochrona przed przeładowaniem i nadmiernym rozładowaniem
Ochrona przed przegrzaniem
Odporność ogniowa
Izolacja elektryczna i ochrona przed dotykiem bezpośrednim
Wyciek elektrolitu i zarządzanie gazami
Bezpieczeństwo wysokonapięciowe po zderzeniu

Dokładna procedura, kryteria akceptacji i zakres stosowania zależą od przepisów, kategorii pojazdu i rynku. Battery Safety Initiative NHTSA bada również incydenty eksploatacyjne, diagnostykę, tryby awarii ładowania, ucieczkę termiczną, zanurzenie w wodzie i drgania, podczas gdy normy nadal się rozwijają. (NHTSA â€” Battery Safety Initiative)

Konsumenckie programy testów zderzeniowych dodają kolejną warstwę. Oceniają cały pojazd i mogą sprawdzić, czy akumulator zostaje odłączony, czy nadwozie staje się niebezpieczne elektrycznie i czy występują oznaki uszkodzenia pakietu. Nie publikują wszystkich zastrzeżonych testów kwalifikacyjnych na poziomie ogniw i pakietu wykonywanych przez producenta.

Testy transportowe służą innemu celowi. Ogniwa i akumulatory litowe oferowane do transportu muszą zwykle spełniać odpowiednie wymagania sekcji 38.3 Podręcznika badań i kryteriów ONZ. Wykazuje to odporność na określone warunki transportu; nie jest pełną certyfikacją bezpieczeństwa zderzeniowego pojazdu ani odporności na propagację.

Co powinni rozumieć właściciele i nabywcy?

Poważne awarie akumulatorów zdarzają się rzadko, ale ich konsekwencje wymagają zdyscyplinowanego projektowania i postępowania. Pojedynczy raport o pożarze nie pozwala określić bezpieczeństwa wszystkich akumulatorów danej marki, a oznaczenie chemii nie dowodzi, że jeden pojazd jest bezpieczniejszy od innego.

Właściciele powinni reagować na ostrzeżenia akumulatora, usterki ładowania, nietypowe ciepło, dym, syczenie, silny zapach lub widoczne uszkodzenie podwozia. Po poważnym zderzeniu, zalaniu lub podejrzeniu uderzenia w pakiet pojazd należy ocenić zgodnie z wytycznymi producenta. Naprawy wysokonapięciowe należą do przeszkolonych techników używających właściwych środków ochronnych i sprzętu diagnostycznego.

Przydatne pytania podczas porównywania pojazdów obejmują:

Czy producent publikuje kartę ratowniczą właściwą dla danego pojazdu?
Czy uszkodzone moduły lub sekcje pakietu można diagnozować i wymieniać?
Jak pojazd ostrzega o usterkach izolacji, chłodzenia lub akumulatora?
Czy gwarancja wyjaśnia sposób traktowania uszkodzeń zderzeniowych i zewnętrznych?
Czy łatwo znaleźć informacje o akcjach przywoławczych akumulatora i działaniach naprawczych?
Czy konstrukcja pakietu zapewnia określone odprowadzanie gazów i ochronę przed propagacją?

Bezpieczeństwo zależy także od oprogramowania i utrzymania przez cały okres eksploatacji pojazdu. Dobrze zaprojektowany pakiet łączy zapobieganie, wczesne wykrywanie, izolację elektryczną, ochronę mechaniczną, ograniczanie skutków termicznych i jasne procedury dotyczące przypadków, których warstwy zapobiegawcze nie są w stanie zatrzymać.

Diagnostykę, naprawę, ponowne wykorzystanie i recykling po zakończeniu eksploatacji w pojeździe opisuje artykuł Cykl życia, naprawa, drugie życie i recykling akumulatorów EV.