Podstawy bezpieczeństwa pożarowego pojazdów elektrycznych
Basics of fire safety for electric vehicles
Auto elektryczne po teście zderzeniowym ze słupem przy prędkości 75 km/h – widoczne odkształcenia baterii nie spowodowały rozszczelnienia obudowy i zapłonu baterii, fot. Dekra
Baterie litowo-jonowe znajdują coraz więcej zastosowań – począwszy od osobistych urządzeń elektronicznych, takich jak smartfony i laptopy, do akumulatorów trakcyjnych w pojazdach elektrycznych i magazynów energii. Dzieje się tak ze względu na to, że technologia litowa zapewnia wysoką gęstość energii, dobrą stabilność, niski współczynnik samorozładowania oraz około dziesięcioletni cykl życia. Poszczególne rodzaje ogniw litowych różnią się konstrukcją elektrod i zastosowanym elektrolitem oraz parametrami eksploatacyjnymi. Szczegóły czytelnik znajdzie w publikacjach [1, 2].
W artykule:
|
StreszczenieW artykule omówione zostały podstawy bezpieczeństwa pożarowego pojazdów elektrycznych. |
AbstractThe article discusses the basics of fire safety of electric vehicles. |
W kontekście pojazdów elektrycznych coraz większe pojemności baterii akumulatorów zapewniają zasięg nawet 700 km. Dodatkowo coraz szybsze ładowarki i prądy ładowania powodują powstanie szeregu zagrożeń, takich jak np. przeładowanie i brak zapewnienia odpowiedniego chłodzenia. Inną przyczyną niekontrolowanych zapłonów pierwszych baterii były wypadki, powodujące rozszczelnienie się baterii i ich samozapłon [1]. Po tych doświadczeniach przeprowadzono wiele modyfikacji baterii, a ich skuteczność została potwierdzona w testach zderzeniowych.
Testy zderzeniowe
Na rynku europejskim crash testy samochodów przeprowadza niezależna organizacja EURO NCAP. Przebieg prób zderzeniowych jest identyczny dla pojazdów spalinowych i elektrycznych. Wnioski płynące z testów wskazują, że EV nie tylko nie ustępują poziomem bezpieczeństwa swoim konwencjonalnym odpowiednikom, ale często wypadają od nich lepiej, zdobywając wyższe noty za ochronę pasażerów. Wyniki wspólnego projektu badań wypadków, które przeprowadziły DEKRA (Niemieckie Stowarzyszenie Inspekcji Pojazdów Samochodowych) oraz Uniwersyteckie Centrum Medyczne w Getyndze, świadczą o wysokim poziomie bezpieczeństwa pojazdów elektrycznych. W ramach projektu zeroemisyjne auta – Renault Zoe oraz Nissana Leafa – poddano bocznym i czołowym testom zderzeniowym z prędkościami znacznie przekraczającymi te, które są powszechne w standardowych testach zderzeniowych. Wyniki testów pokazały, że schematy uszkodzeń samochodów typu BEV były porównywalne z pojazdami napędzanymi silnikami spalinowymi. Systemy wysokiego napięcia samochodów elektrycznych były niezawodnie wyłączane w razie wypadku, a pożary nie wystąpiły nawet w przypadkach silnych odkształceń obudowy akumulatora trakcyjnego [3].
Auto elektryczne po teście zderzeniowym ze słupem przy prędkości
75 km/h – widoczne odkształcenia baterii nie spowodowały rozszczelnienia obudowy i zapłonu baterii, fot. Dekra
Systemy zabezpieczeń
Bezpieczeństwo akumulatorów litowo-jonowych znacznie poprawiło się od czasu ich opracowania na początku lat 90. XX wieku, a każdy rok przynosi postępy na tym polu. Ograniczenie rozmiarów, przy rosnącej żywotności i pojemności, a także rygorystyczne badania i testy, mające na celu minimalizację ryzyka pożarów oraz wdrażanie nowych zabezpieczeń w tym zakresie, sprawiają, że akumulatory i ich eksploatacja są bezpieczne [4].
W celu zapewnienia bezpiecznego działania ogniwa litowo-jonowego stosowanych jest kilka systemów oraz rozwiązań, które można podzielić na [4]: fizyczne i chemiczne oraz wewnętrze i zewnętrzne.
Rozwiązania chemiczne polegają na dodaniu do elektrolitu substancji chemicznej w celu zmiany jego właściwości (np. palności) i są ściśle powiązane z rodzajem katody (tj. NMC – niklowo-manganowo-kobaltowa czy LFP – żelazowo-fosforanowa). Istnieje różnica w zachowaniu NMC (akumulator litowo-niklowo-kobaltowo-manganowy) w odniesieniu do LFP (akumulator litowo-żelazowo-fosforanowy) podczas termicznej niestabilności (ang. thermal runaway – TR). Na przykład temperatura egzotermicznego rozpadu struktur katody dla NMC wynosi 150°C, podczas gdy dla LFP – 310°C. Dlatego też LFP uważane były dotychczas za bardziej stabilne, a co za tym idzie bezpieczniejsze akumulatory: praktycznie nigdy nie wytwarzają mocnego i skoncentrowanego płomienia – jak to jest w przypadku NMC. Wyższa temperatura rozpadu nie skutkuje wytwarzaniem ognia, jednakże może przyspieszyć eksplozję akumulatora [4]. Z kolei systemy fizyczne są zaprojektowane tak, aby w przypadku awarii nastąpiło przerwanie obwodu elektrycznego. Inne fizyczne rozwiązania to rodzaj obudowy akumulatora (cylindryczny, pryzmatyczny czy kopertowy), gdzie budowa determinuje, jaki system można zastosować. Powyższe rozwiązania wchodzą w skład wewnętrznych systemów bezpieczeństwa akumulatora [4].
Systemy zewnętrzne są bardziej powiązane ze skalowaniem akumulatora, tzn. przechodząc z pojedynczej baterii na poziom modułu (czyli zespołu akumulatorów) czy z modułu na poziom paku bateryjnego (czyli zespołu modułów). W ich skład mogą wchodzić: system zarządzania bateriami (ang. Battery Management System – BMS), a także system zarządzania temperaturą (ang. Thermal Management System – TMS).
Warstwa SEI
Innym podstawowym systemem bezpieczeństwa jest warstwa SEI (ang. Solid Electrolyte Interface), czyli bariera, która zapobiega ciągłej reakcji elektrolitu z warstwami grafitu na anodzie. Gdyby nie ona, doszłoby bardzo szybko do zniszczenia anody. Bariera ta pozwala na swobodny przepływ jonów litu, dzięki czemu możliwe jest ładowanie i rozładowywanie akumulatora. SEI tworzy się podczas pierwszego ładowania i w czasie „życia” akumulatora może w pewnym stopniu zmieniać swoją grubość. Jednakże ogólną tendencją jest zwiększanie grubości z czasem, co w konsekwencji może doprowadzić do stworzenia tzw. dendrytów litu, i tym samym przebicia separatora i wywołania zwarcia prowadzącego do awarii/TR [4].
Chemiczne modyfikatory elektrolitu
Elektrolit w akumulatorze składa się głównie z soli litu rozpuszczonych w niewodnym rozpuszczalniku. Jedną z przyczyn, dla których akumulatory litowo-jonowe wytwarzają ogień, jest to, iż zastosowany elektrolit jest związkiem łatwopalnym. Aby podnieść stabilność termiczną tego układu, chronić akumulator przed przepięciem oraz obniżyć palność, stosuje się różnego rodzaju dodatki chemiczne. Modyfikatory te zazwyczaj stanowią ok. 5% elektrolitu i nie powinny obniżać sprawności całego systemu przetwarzania energii. Zastosowanie modyfikatorów ma na celu najczęściej: poprawę stabilności warstwy SEI, przeciwdziałanie wzrostowi napięcia do zbyt wysokich wartości, ułatwienie produkcji gazów podczas przepięć, aby wymusić działanie innych systemów, spolimeryzowanie elektrolitu, aby zablokować swobodny przepływ jonów, czy stworzenie warstwy izolacyjnej, aby zatrzymać proces spalania [4].
Inne rodzaje modyfikatorów mogą nie być bezpośrednio powiązane ze zwiększeniem bezpieczeństwa, ale są dodawane, aby np. przeciwdziałać powstawaniu dendrytów litu, wychwytywać śladowe ilości wilgoci, neutralizować powstające szkodliwe gazy, takie jak HF czy PF5, oraz poprawiać formowanie się warstwy SEI.
Budowa akumulatora
Najmniejszą jednostką operacyjną jest pojedynczy akumulator. Zespół akumulatorów połączonych szeregowo, równolegle lub w sposób mieszany tworzy moduł, natomiast zespół modułów to pak bateryjny. Zasadniczo wyróżnia się trzy typy budowy (obudowy) akumulatora: cylindryczny (paluszek), pryzmatyczny oraz kopertowy (ang. pouch). Istnieje jeszcze czwarty typ – guzikowy, ale w przypadku baterii litowo-jonowych ma on głównie zastosowanie naukowe. Obudowa oraz użyte materiały mają istotny wpływ na takie parametry akumulatora jak odporność mechaniczna, odprowadzanie ciepła czy możliwość zastosowania dodatkowych systemów bezpieczeństwa, np. otworów wentylacyjnych dla gazu czy urządzeń przerywających obwód elektryczny [4].
Systemy przerywające obwód elektryczny
Systemy przerywające obwód elektryczny (ang. Current Interrupt Device – CID) są zaprojektowane w taki sposób, aby wraz ze wzrostem ciśnienia lub temperatury wewnętrznej akumulatora powyżej określonej granicy nastąpiło przerwanie obwodu elektrycznego i przepływu prądu, aby nie dopuścić do niestabilności termicznej (TR). Aktywacja CID powoduje jednak, iż akumulator nie nadaje się do ponownego użytku. Ze względu na budowę możliwe jest zamontowanie tych systemów tylko w akumulatorach typu cylindrycznego [4].
System CID jest rodzajem zaworu, który otwiera się w przypadku krytycznego wzrostu ciśnienia (> 10 barów). Takie warunki mogą wystąpić, gdy mamy do czynienia z przepięciem, przeładowaniem czy rozpadem elektrolitu – a tym samym nadmiernym wytwarzaniem gazu w akumulatorze. Nadciśnienie powoduje zerwanie połączenia między elektrodami i dodatnim biegunem akumulatora, a tym samym – zatrzymanie przepływu prądu. Brak przepływu prądu powinien spowodować spadek produkcji gazu (a tym samym spadek ciśnienia), gdyż nie jest już dostarczana energia potrzebna do kontynuacji reakcji chemicznych. Taki typ CID nazywamy nadciśnieniowym. Inny typ CID to tzw. termoczuły, który jest termicznym bezpiecznikiem zainstalowanym na biegunach akumulatora. W przypadku zbyt wysokiej temperatury wewnętrznej CID się topi i tym samym powoduje przerwanie obwodu elektrycznego i przepływu prądu [4].
Termistor
Termistor PTC (ang. Positive Temperature Coefficient thermistor – PTC), czyli rezystor termiczny, którego rezystancja elektryczna zmienia się wraz ze zmianami temperatury, działa poprzez ograniczenie przepływu prądu w przypadku zwarcia (zewnętrznego). Gdy temperatura (lub ciśnienie) wzrasta do niebezpiecznego poziomu (>100°C), termistor jest podgrzewany, a tym samym wzrasta jego rezystancja, co w konsekwencji redukuje przepływ prądu. Gdy temperatura spada, spada także rezystancja termistora, co przywraca normalny przepływ prądu w akumulatorze. Dlatego też PTC, w odróżnieniu od CID, jest systemem wielokrotnego użytku. PTC jest montowany tylko w pokrywie górnej baterii cylindrycznej, niezależnie od jej wielkości. W przypadku akumulatorów pryzmatycznych istnieje możliwość zamontowania PTC na zewnątrz akumulatora, bez straty jego funkcjonalności [4].
Wentylacja/odpowietrzniki
Podczas TR wytwarzana jest ogromna ilość gazu, co powoduje szybki wzrost ciśnienia wewnętrznego w akumulatorze. W skrajnych przypadkach może to doprowadzić do rozerwania obudowy, jeśli nie uda się obniżyć ciśnienia. Po to właśnie stosuje się wentylację/odpowietrzniki bezpieczeństwa – aby nadmiar gazu mógł zostać usunięty w szybki i kontrolowany sposób poza baterię. Jako „odpowietrznik” stosuje się zwykle część obudowy o specjalnie obniżonej odporności mechanicznej, która pęka, tworząc otwór w razie wystąpienia niekorzystnych warunków. W przypadku paluszków odpowietrznik „otwiera się” przy ciśnieniu powyżej 27 barów, a dla akumulatorów pryzmatycznych już przy ciśnieniu powyżej 8–10 barów. Akumulatory kopertowe nie posiadają odpowietrzników – w przypadku przekroczenia ciśnienia granicznego po prostu pękają [4]. Wentylację najczęściej montuje się na pokrywie górnej akumulatora. Może mieć ona kilka ujść (otworów). Jednak zdarza się, że taki odpowietrznik może zostać zapchany (np. przez nanotlenki katody porwane wraz z gazem), co doprowadza do wzrostu ciśnienia i w konsekwencji do rozerwania obudowy. Aby temu zapobiec, niektórzy producenci wprowadzili dodatkowy zaworek na pokrywie dolnej – pozwala to zwiększyć szybkość odgazowania akumulatora i zmniejsza ryzyko zatkania otworów.
Podsumowanie
Artykuł przedstawia wybrane sposoby zabezpieczania akumulatorów przed powstaniem pożaru. Standardowo akumulatory w pojazdach elektrycznych są wyposażone w kompleksowy system zabezpieczeń przeciwpożarowych. Jest on aktywny zarówno podczas postoju samochodu, jak również w czasie jazdy i w trakcie jego ładowania. System zabezpieczeń obejmuje m.in. układ chłodzenia, chroniący przed przegrzaniem akumulatora, oraz wzmocnioną obudowę ochronną, zapobiegającą uszkodzeniom mechanicznym. Zapora ogniowa, która oddziela moduły akumulatora, ogranicza potencjalne szkody i zabezpiecza pozostałe podzespoły pojazdu przed zapłonem. Ryzyko pożaru minimalizują także: system awaryjnego wyłączania wysokiego napięcia oraz obwód, który w czasie postoju separuje napięcie akumulatora od reszty instalacji elektrycznej pojazdu [3].
Zaprezentowane systemy istotnie podnoszą bezpieczeństwo użytkowania akumulatorów litowo-jonowych i zwykle sprawują się poprawnie tam, gdzie wymagany jest jeden lub niewielka liczba akumulatorów. Niestety, w przypadku modułów czy paków bateryjnych takie systemy okazują się jednak niewystarczające. Ciepło wytworzone podczas TR przez jeden moduł bateryjny może podgrzewać moduły sąsiednie i tym samym prowadzić do ich niestabilności termicznej (TR). Takie oddziaływanie jedngo modułu na drugi nazywamy termiczną propagacją. Jako że w modułach akumulatory są łączone w sposób szeregowy, równoległy i mieszany – istnieje możliwość, że napięcie całego obwodu może przekroczyć limit PTC tylko na jednym akumulatorze, i tym samym opóźnić reakcję całego układu. W innym przypadku, gdy mamy do czynienia z przepięciem w module lub całym paku bateryjnym, pojedynczy CID może, poprzez łuk elektryczny, spowodować zapalenie się wydzielającego się gazu oraz łatwopalnego elektrolitu w środku modułu bateryjnego. Dlatego ważne jest wprowadzenie dodatkowych układów bezpieczeństwa, które reagują na poziomie modułów czy paku, np. systemu zarządzania bateriami (BMS), systemu zarządzania temperaturą (TMS) czy pomocniczych odpowietrzników w obudowie. Niezwykle istotne jest również zachowanie wysokiego reżimu czystości oraz kontroli jakości podczas całego procesu produkcji akumulatorów litowo-jonowych, aby wszystkie systemy bezpieczeństwa mogły zadziałać zgodnie z założeniami.
Literatura
- P.A. Christensen, P.A. Anderson, G.D.J. Harper, S.M. Lambert, W. Mrozik, M. Ali Rajaeifar, M.S. Wise, O. Heidrich, Risk management over the life cycle of lithium-ion batteries in electric vehicles, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 148, 2021, s. 111240, DOI:10.1016/j.rser.2021.111240.
- A. Czerwiński, Akumulatory, baterie, ogniwa, WKŁ, Warszawa 2012.
- J. Talmont, Bezpieczna eksploatacja pojazdów elektrycznych i infrastruktury ładowania – okiem eksperta, „elektro.info” 5/2021.
- Raport Bezpieczeństwo przeciwpożarowe pojazdów elektrycznych i systemów bateryjnych, Polskie Stowarzyszenie Paliw Alternatywnych, Warszawa 2022.
