Многие покупатели автомобилей предпочитают выбирать автомобили с двигателями внутреннего сгорания (ДВЗ), вместо электромобилей. Главная причина такого выбора — беспокойство о дальности поездки, по-прежнему актуальное для электрокаров. В частности, они беспокоятся о длительных поездках, длительных периодах зарядки и нехватке зарядных станций. Чтобы снять беспокойство, автопроизводители усердно работают над созданием более мощных литий-ионных аккумуляторов, которые могут «двигать» автомобили дальше и быстрее заряжаться.
Ходят слухи, что один производитель автомобилей (Nissan), в следующем году выведет на рынок версию своего популярного автомобиля Leaf с большим диапазоном движения, и ключом к расширению ассортимента станет активное управление температурой. Эти два последних слова могут иметь решающее значение для успеха электромобилей в целом. Хотя дальность передвижения без подзарядки важна для использования, управление температурой аккумуляторной батарей имеет жизненно важное значение для фактической безопасности ее и транспортного средства и, что наиболее важно, его пассажиров и владельцев. Это связано с тепловым разгоном, опасной реакцией, связанной с литий-ионными батареями.
Тепловой разгон аккумулятора?
Увеличение дальности пробега электрокара может быть сделано несколькими способами. Это включает в себя все: от более крупных батарейных блоков с большим количеством модулей и элементов до использования более энергоемких элементов с большей емкостью. Тем не менее, все эти подходы по-прежнему оставляют аккумуляторные батареи подверженными тепловому разгону — некоторые в большей степени, чем другие.
Каждый элемент литий-ионного аккумулятора содержит легковоспламеняющийся жидкий электролит. Если в ячейке аккумулятора произойдет короткое замыкание, электролит может воспламениться. После чего давление в ячейке быстро повышается, пока ячейка не лопнет и не выпустит воспламенившийся электролит.
Температура разорванной ячейки может увеличиться до более чем 1832 ° F (1000 ° C). Быстрое и экстремальное повышение температуры (тепловой разгон) может легко распространиться на близлежащие ячейки и может произойти эффект домино, которое было названо тепловым разгоном.
Тепловой разгон приводит к задымлению, воспламенению и даже взрывам. Пассажирам нужно довольно много времени, чтобы покинуть автомобиль, если это произойдет.
С 2015 года, когда рынок электромобилей стал более распространенным, было зарегистрировано много несчастных случаев, связанных с аккумуляторами. Это включает в себя электрический автобус, который загорелся после сильного дождя в Нанкине, Китай, и в качестве возможной причины короткого замыкания указывается попадание в воду аккумуляторов.
Хотя термический разгон явно опасен для жизни, до сих пор не существует глобального стандарта регулирования. В то время как Китай внедрил стандарт GB / T 31485 (Требования безопасности и методы испытаний для аккумуляторов тяговых электродвигателей электромобилей), ООН только предложила законодательство. Это оставляет автопроизводителям выбор, разрабатывать ли аккумуляторы для своих автомобилей, способные справиться с тепловым разгоном. Это их собственные программы оценки риска, чтобы определить, насколько вероятны «тепловые аварии».
Добавление какой-либо защиты может уменьшить радиус передвижения транспортного средства, поскольку любые защитные материалы означают меньше места для аккумуляторных ячеек.
Похоже, что между дальностью передвижения и безопасностью нет никакого среднего уровня. Тем не менее, производителям аккумуляторных батарей не нужно ставить под угрозу безопасность пассажиров для увеличение дальности поездки или наоборот.
Методы защиты
Такие компании, как Morgan Advanced Materials, в течение многих лет занимались исследованием и разработкой ряда материалов и методов для защиты от теплового разгона. Они предоставляют пассажирам больше времени для выхода из транспортного средства и рассеивания тепла, что снижает вероятность неконтролируемого распространения теплового удара. Тем не менее, не существует подхода «один размер подходит всем». Каждая конструкция батареи отличается, и методы защиты должны быть адаптированы под каждый вариант исполнения.
Существует три уровня защиты, которые инженеры могут спроектировать в аккумуляторах, чтобы уменьшить влияние теплового разгона в электрокарах. А именно, это уровень от ячейки к ячейке, от модуля к модулю и уровень всей аккумуляторной ячейки.
Защита от ячейки к ячейке
Защита от ячейки к ячейке помещает защитный материал между отдельными ячейками. Это самый высокий уровень защиты, но также и самый сложный из-за нехватки места. Если ячейка выходит из-под контроля, поглощение тепла и отражение огня от защитных материалов сводят к минимуму тепловое воздействие на соседние ячейки.
Одним из наиболее эффективных материалов для этого типа защиты являются материалы с фазовым переходом (PCM), такие как блок из изоляционного материала Моргана с теплоизоляцией Energy Storage Technology (EST), который можно использовать для определенных форматов ячеек. Материалы с фазовым переходом поглощают тепло от «разорванных» ячеек, превращая его из твердого вещества в жидкость или из жидкости в газ.
Во время изменения состояний элементов тепло рассеивается по всему материалу. Если изменение происходит с фазы твердого состояния на газ, это обеспечивает дополнительную защиту — газ из изоляционного материала выходит наружу через вентиляционные отверстия модуля, быстрее понижая температуру.
При определении типа защиты важно учитывать форму ячейки, поскольку разные ячейки имеют разные потребности в изоляции. Существует три основных формы ячеек: цилиндрическая, призматическая и мешочная. С цилиндрическими батареями изоляция может быть прочной, но с мешочками, которые расширяются и сжимаются, жесткая изоляция не может быть использована. Призматические ячейки могут использовать твердые или гибкие изоляционные материалы.
Защита от модуля к модулю
Защита от модуля к модулю обеспечивает изоляцию между модулями, чтобы предотвратить распространение теплового разгона на соседние модули. Тип используемой изоляции зависит от размера и конструкции модуля, и можно использовать бумагу. Примечательно, что защита от модуля к модулю обеспечивает значительную экономию веса по сравнению с защитой от ячейки к ячейке. Более легкие аккумуляторы, в свою очередь, увеличивают дальность поездки электрокара и позволяют более легко вписаться в дизайн автомобиля.
Защита на уровне пакетов — самый простой и доступный тип. Он направлен на то, чтобы дать пассажирам больше времени для выхода из автомобиля. Это обеспечивает небольшую защиту для самого аккумулятора. Тем не менее, это гораздо лучший вариант, чем вообще никакой защиты. Стандартная изоляционная бумага является распространенной формой защиты на уровне упаковки, например, Superwool Plus Paper.
Автопроизводители имеют два варианта тепловой защиты: активное или пассивное управление.
Активное управление температурным режимом основано на технологиях охлаждения для добавления или удаления энергии с использованием вещества, которое увеличивает теплопередачу. В электромобилях это включает охлаждение воздухом, жидкостью и хладагентом. Это также связано с внешним устройством, которое помогает рассеивать тепло. Активные методы обычно более дороги и сложны, чем пассивные.
Пассивные методы основаны на термодинамике теплопередачи (проводимости, конвекции и излучения). Пассивное охлаждение батареи включает в себя металлические радиаторы, PCM и специальные теплозащитные экраны. Как правило, они дешевле, чем активные технологии, и их легче внедрить.
Испытания материалов
Инженеры Morgan недавно протестировали множество защитных материалов, в том числе:
- Пена: поддерживает постоянное давление в ячейках и используется в модулях
- Изоляция: термоизоляция при воздействии тепла.
- Вспучивающиеся материалы: увеличиваются в объеме при воздействии тепла.
- Эндотермические материалы: поглощают энергию при воздействии тепла, как материалы с фазовым переходом.
Чтобы проиллюстрировать, как работает каждый материал, для теста были взяты следующие величины:
- Аккумуляторный модуль с 24 призматическими литий-никель-марганцево-кобальтовыми (NMC) ячейками.
- Пары ячеек сгруппированы так, чтобы сформировать элементы, и каждый элемент разделен листами защитного материала.
- Один элемент внутри модуля перегружен до начала теплового разгона
- 100% состояние заряда (SoC) для всех ячеек в модуле
- Все присущие функции безопасности отключены
Ниже приведены результаты тестирования:
Затем испытание повторили, но с активным управлением охлаждением от холодной пластины для пены и эндотермических материалов. Вот результаты:
Исходя из результатов испытаний, эндотермические материалы являются наиболее эффективными из протестированных, независимо от того, с активным управлением охлаждением или без него. С другой стороны, вспененные материалы плохо работают в условиях теплового разгона. Однако следует отметить, что пена в этом модуле не была разработана для предотвращения теплового разгона, и есть другие пены, которые могут лучше работать при тепловых разгонах.
Рынок электромобилей, вероятно, увеличится, поскольку стоимость традиционного нефтехимического топлива станет дороже. Имея богатый выбор в области управления температурным режимом, очевидно, что автопроизводители должны работать с инженерами по защитным материалам. Только так можно разработать коммерчески жизнеспособные методы и улучшить рынок электромобилей.
Оставьте комментарий