Über die Sicherheit von EV-Lithiumbatterien - Thermisches Durchgehen

Über die Sicherheit von EV-Lithiumbatterien - Thermisches Durchgehen

Der Hauptgrund für Brände in Elektrofahrzeugen sind Batteriebrände, die hauptsächlich durch thermisches Durchgehen der Batterie verursacht werden. Das sogenannte thermische Durchgehen bezieht sich auf die Erwärmung von Strombatterien während des Betriebs. Wenn die Batterietemperatur zu hoch ist oder die Ladespannung zu hoch ist, kommt es zu einer Kette chemischer Reaktionen im Inneren der Batterie, die zu einem starken Anstieg des Innendrucks und der Temperatur führen, was wiederum zu einem thermischen Durchgehen und schließlich zur Verbrennung führt.

Es gibt verschiedene Gründe für ein thermisches Durchbrennen von Batterien, z. B. ungleichmäßige Temperatur des Batteriesatzes selbst, hohe Temperatur in lokalen Bereichen, externe Kurzschlüsse, interne Kurzschlüsse und andere Gründe, die eine Entzündung verursachen können. Die Konstruktion des Separators ist einer der wichtigsten Faktoren, die das Auftreten von internen Kurzschlüssen in Batterien beeinflussen. Ist die Konstruktionsspanne der Membran unzureichend oder ist die Konstruktionsrichtung falsch, wirkt sich dies auf die mechanische Dehnbarkeit und Flexibilität der Membran aus, was zu einer Schrumpfung während des Ladevorgangs führt, so dass die positiven und negativen Pole miteinander in Kontakt kommen und einen Kurzschluss verursachen.

Gleichzeitig wird der Produktionsprozess nicht streng kontrolliert, und es werden Metallpartikel in die Batteriezellen gemischt. Diese Verunreinigungen können während des Lade- und Entladevorgangs unterschiedliche Reaktionen auf der Elektrodenoberfläche hervorrufen, die sich ansammeln und das Diaphragma durchstoßen können, was zu Kurzschlüssen führt. Sobald in einer Batteriezelle ein Problem auftritt, wie z. B. ein Kurzschluss, ein offener Stromkreis usw., wirkt sich dies auf andere Zellen im Batteriesatz aus, was zu schwerwiegenden internen Problemen und letztlich zu Sicherheitsproblemen führt.

1 Batterie-Management-System

Elektrofahrzeuge enthalten eine große Anzahl von Lithiumbatterien, und wenn ein Glied nicht richtig funktioniert, kommt es zu einer Kettenreaktion. Abgesehen von den Bemühungen der Batteriehersteller und der Ladeunternehmen ist die Verantwortung, die die Fahrzeughersteller tatsächlich tragen müssen, nicht gering. Denn das Batteriemanagementsystem (BMS) ist ein wichtiges Element in der Gesamtarchitektur von Elektrofahrzeugen, und diese werden derzeit vom Fahrzeughersteller entworfen. Das BMS ist das Herzstück des Strombatteriesystems und eine zentrale Komponente für den Schutz und das Management der Batterie. Das BMS gewährleistet nicht nur die sichere und zuverlässige Nutzung der Batterie, sondern steuert auch das Laden und Entladen des Batteriesatzes und meldet die grundlegenden Parameter und Fehlerinformationen des Batteriesystems an das Fahrzeugsteuergerät. Man kann sagen, dass es eine Brücke zwischen der Batterie, dem Fahrzeugsteuergerät und dem Fahrer ist.

Das Wärmemanagementsystem ist ein wichtiger Bestandteil des BMS. Sein grundlegendes Arbeitsprinzip besteht darin, die Temperatur des Batteriepacks durch Kühlung oder Heizung innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs zu halten, um die Leistung und Lebensdauer der Batteriezellen zu gewährleisten. Das Wärmemanagementsystem wird hauptsächlich in drei Kategorien unterteilt: Heizsystem, luftgekühltes System und wassergekühltes System. Die verschiedenen Systeme haben unterschiedliche Funktionsprinzipien, aber es besteht die Möglichkeit eines thermischen Durchgehens des Akkupacks.

Beim wassergekühlten System handelt es sich um eine Wärmemanagementmethode, bei der die Temperatur der Batteriezellen durch Wärmeaustausch mittels Flüssigkeitskonvektion gesenkt wird. Die wassergekühlte Platte befindet sich jedoch in der Regel an der Unterseite des Batteriesatzes und ist auf dem Fahrgestell des Fahrzeugs angebracht. Ungewöhnliche Stöße, Kratzer an der Unterseite oder ein langfristiges Versagen der wassergekühlten Struktur während des Langzeitbetriebs können zum Austreten von Kühlflüssigkeit führen, was ein Versagen der Isolierung des Akkupacks und ein thermisches Durchgehen des gesamten Fahrzeugs zur Folge hat.

Zweitens ist das luftgekühlte System eine Wärmemanagementmethode, die Luft als Medium verwendet und die thermische Konvektion nutzt, um die Temperatur der Batteriezellen zu senken. Das luftgekühlte Design kann jedoch die Schwierigkeiten bei der Abdichtung des Batteriesystems erhöhen. Während des Langzeitbetriebs des Fahrzeugs versagt die Dichtungsstruktur, was das Risiko eines thermischen Durchgehens aufgrund von Wassereintritt und eines Versagens der Isolierung während der Fahrt an bewölkten und regnerischen Tagen mit sich bringt. Bei Elektrofahrzeugen, die hauptsächlich in kalten Regionen eingesetzt werden, wird schließlich ein Heizsystem verwendet, das mit Hilfe einer Heizfolie den Batteriesatz erwärmt und ihn in einem angemessenen Betriebstemperaturbereich hält, um die Leistung der Batteriezellen zu gewährleisten. Die unangemessene Auslegung der Heizleistung oder des Montageplans der Heizfolie oder deren langfristige Unzuverlässigkeit kann auch zu einem Isolationsversagen des Batteriepacks führen, was zu einem thermischen Durchgehen führen kann.

2 Batteriematerialien

Gegenwärtig gibt es technische Lösungen für diese Probleme des Wärmemanagements, und ob diese Probleme wirksam gelöst werden können, ist ein Indikator für die technologische Fortschrittlichkeit der einzelnen Hersteller. Um das Problem der Reichweite von Elektrofahrzeugen zu lösen, ist die Verbesserung des Energieverhältnisses von Leistungsbatterien ein notwendiger Entwicklungspfad. Zur Verbesserung des Energieverhältnisses ist es notwendig, den Anteil der Materialien in Lithiumbatterien anzupassen.

Derzeit verwenden die meisten Strombatterien für Pkw ein ternäres System, d. h. das Material der positiven Elektrode ist Lithium-Nickel-Kobalt-Manganoxid oder Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid. Je nach den unterschiedlichen Verhältnissen von Nickel, Kobalt und Mangan lassen sie sich in die Typen 111, 532, 622 und 811 unterteilen. Je höher der Nickelanteil ist, desto höher ist auch der Energiegehalt der Power-Batterie und desto größer ist die Reichweite des Autos. Bei Lithiumbatterien stehen Sicherheit, Lebensdauer, Kosten und Energiedichte in einem dynamischen Gleichgewicht. Wenn die Energiedichte steigt, werden die anderen drei unweigerlich Probleme bekommen.

Je höher der Nickelanteil ist, desto schlechter ist die thermische Stabilität des gesamten positiven Elektrodenmaterials. Batterien mit hohem Nickelanteil können ein Sicherheitsrisiko darstellen, wenn sie hohen Temperaturen, Stößen von außen und anderen Faktoren ausgesetzt sind. Die Gasentwicklung während des Ladens von Batterien mit hohem Nickelanteil kann auch zum Aufquellen der Batterie führen, was ein großes Problem darstellt. Wenn die 811er-Batterie thermisch durchdreht, sind die Folgen ebenfalls schwerwiegend.

In der Vergangenheit führte das thermische Durchgehen von Lithium-Eisenphosphat-Batterien nur zu Rauchentwicklung; bei der ternären Lithiumbatterie des Typs 532 kann es aufgrund des thermischen Durchgehens zur Verbrennung kommen. Sobald die ternäre Batterie des Typs 811 ihre thermische Kontrolle verliert, kann es zu einer Detonation kommen. Das Streben nach einer hohen Energiedichte ist für die Entwicklung unumgänglich. Aber bei der Entwicklung von Batterien mit hoher spezifischer Energie für Elektrofahrzeuge wird die Sicherheit immer an erster Stelle stehen.

3 Sicherheit von Batterien für Elektrofahrzeuge

Bei der Sicherheit von Elektrofahrzeugen handelt es sich nicht um etwas, das ein oder zwei Unternehmen oder ein oder zwei Verbindungsunternehmen tun müssen. Es handelt sich um einen Strang, den jedes Unternehmen, von der Regulierungsebene bis zur gesamten Industriekette, fest anziehen muss. Die Priorität liegt darin, dass das Produkt die Normen erfüllen muss. Bei früheren Unfällen gab es bei Produkten für Elektrofahrzeuge mehr oder weniger Probleme. Unzureichende Tests und Überprüfungen von Batterieprodukten, Verschlechterung der Zuverlässigkeit während der Nutzung des Fahrzeugs und geringes Niveau der Ladesicherheitsmanagementtechnologie.

Der bemerkenswerteste Aspekt ist, dass das Konzept der Entweichzeit erstmals in einschlägigen verbindlichen nationalen Normen vorgeschlagen wurde. Gemäß den Vorschriften sollte die Batterie oder das Batteriesystem ein Alarmsignal für ein thermisches Ereignis abgeben (das als Alarm für ein thermisches Ereignis im Fahrzeug dient, um die Fahrgäste an das Verlassen des Fahrzeugs zu erinnern), und zwar 5 Minuten bevor ein einzelner thermischer Durchbruch der Batterie zu einer thermischen Diffusion führt und eine Gefahr für den Fahrgastraum darstellt.

Sobald ein Alarmsignal ertönt, haben die Fahrzeuginsassen genügend Zeit, um zu fliehen, wodurch das persönliche Sicherheitsrisiko minimiert wird. Am hilflosesten ist es, eine Gefahr zu melden, und die beste Strategie ist, die Gefahr im Keim zu ersticken. Unter komplexen Arbeitsbedingungen treten bei Batterien von Elektrofahrzeugen mit der Zeit unweigerlich Probleme auf. Daher ist es dringend erforderlich, die Sicherheit von Elektrofahrzeugen proaktiv zu überwachen.

Gegenwärtig verwenden Elektrofahrzeuge und Fahrzeuge mit Kraftstoffantrieb dasselbe Prüfsystem, aber es gibt weltweit keine vollständige Lebenszyklusprüfung für Elektrofahrzeuge. Dies erschwert die rechtzeitige Erkennung kleinerer Probleme bei Elektrofahrzeugen nach längerem Gebrauch. Der Thousand Mile Embankment wurde von einer Ameisenkolonie zerstört, und im Laufe der Zeit werden Sicherheitsprobleme auftauchen.

Mehrere Lithium-Kraftwerke haben die Einführung eines standardisierten Prüfsystems für Fahrzeuge mit neuer Energie gefordert, bei dem diese einer professionellen, standardisierten Prüfung unterzogen werden. Im Gegensatz zu Benzinfahrzeugen sollte bei der jährlichen Inspektion von Fahrzeugen mit neuer Energie ein entsprechendes Sicherheitsprüfsystem eingeführt werden, das auf den Eigenschaften von Hochspannungs-Elektro- und Leistungsbatterien basiert. Die Einrichtung eines jährlichen Inspektionssystems für neue Energiefahrzeuge kann die Sicherheit bei der Nutzung von neuen Energiefahrzeugen gewährleisten und bis zu einem gewissen Grad das Auftreten von Sicherheitsunfällen vermeiden.

Viele der derzeit auf dem Markt befindlichen Fahrzeuge sind noch über ihre vorgesehene Lebensdauer hinaus in Betrieb, was in späteren Phasen Sicherheitsrisiken mit sich bringt. Daher wird empfohlen, verbindliche Verschrottungsnormen für Fahrzeuge festzulegen, die die Anforderungen der Produktauslegung in Bezug auf die Betriebsdauer oder die Kilometerleistung überschreiten. Da die Fahrzeughersteller die Batterieeigenschaften nur unzureichend kennen und die Backend-Überwachungsdaten nicht effektiv analysieren, hätten viele Fehler durch die Analyse historischer Daten frühzeitig erkannt werden können. Daher wird empfohlen, dass Fahrzeughersteller Daten mit Batterieunternehmen austauschen, um eine Frühwarnung zu erreichen und Marktrisiken zu verringern.

Zusätzlich zu den oben genannten Maßnahmen ist Nissan der Ansicht, dass unabhängig vom verwendeten Antriebssystem jedes Fahrzeug, das auf der Straße fährt, einer angemessenen Wartung und Instandhaltung unterzogen werden muss, was sehr wichtig ist. Durch rechtzeitige Wartung, regelmäßige Verschrottung oder Batterieaustausch können die durch die Fahrzeugalterung verursachten Sicherheitsrisiken vollständig beseitigt werden.