Niekontrolowany wzrost temperatury baterii

Czym jest thermal runaway?

Termin ten odnosi się do sytuacji, w której ogniwo osiąga temperaturę powodującą reakcję łańcuchową chemii akumulatora. Gdy nastąpi tego typu reakcja, substancje chemiczne w akumulatorze reagują, generując gwałtowny wzrost temperatury w ciągu kilku milisekund. Wytworzone w ten sposób temperatury mogą sięgać nawet 400° Celsjusza. Komórki stają się tak gorące, że substancje chemiczne zmieniają postać w gazową. W tym momencie gazy mogą nie mieć możliwości ujścia z ogniwa, co powoduje uszkodzenie akumulatora, jego eksplozję, stopienie lub zapalenie.

Co powoduje łańcuchową reakcję termiczną?

Czynniki, które mogą powodować niekontrolowaną reakcję termiczną, są różne w zależności od składu chemicznego komórki. Jednak najczęstszą przyczyną, wspólną dla wszystkich rodzajów ogniw, są szybkie cykle ładowania/rozładowania, powodujące przepływ nadmiernego prądu, zwarcia, przeładowanie ogniwa powyżej maksymalnego napięcia, jak również niewłaściwe obchodzenie się z baterią, powodujące uszkodzenie ogniwa.

Zwarcia w ogniwach litowo-jonowych zwykle występują w przypadku odkształcenia ogniwa. Zwarcie może nastąpić wewnętrznie lub zewnętrznie w wyniku uszkodzenia fizycznego (np. upadku elektronarzędzia z rusztowania na twardy chodnik itp.).

Kiedy już rozpocznie się niekontrolowany wzrost temperatury, jego zatrzymanie jest niezwykle trudne i niebezpieczne. Większość zalecanych procedur obejmuje jedynie zachowanie bezpiecznej odległości i zapobieganie rozprzestrzenianiu się potencjalnego pożaru. Obecnie większość z nas  wie już, że niestabilność termiczna może mieć wpływ na akumulatory litowo-jonowe, jednak de facto zjawisko ta dotyczy wszystkich rodzajów ogniw, łącznie z akumulatorami kwasowo-ołowiowymi.

Niestabilność termiczna ogniwa akumulatora

Jeśli temperatura ogniwa akumulatora osiągnie określony punkt, ulegnie dalszemu, niekontrolowanemu wzrostowi. Istnieje kilka metod zapobiegania wystąpienia temu zjawisku, których implementacja musi zacząć się już w momencie projektowania baterii i trwa przez cały okres użytkowania produktu. Ochronę zapewniają odpowiednia konstrukcja pakietu bateryjnego, układ ogniw, system zarządzania akumulatorem (BMS) i wentylacja.

Układ ogniw

Liczba ogniw potrzebnych w zestawie akumulatorowym oraz ich rozmieszczenie odgrywają kluczową rolę w zapobieganiu niekontrolowanej utracie ciepła. Najważniejszą rzeczą, jaka warto zapamiętać jest to, że zestaw akumulatorów powinien stale dążyć do redukcji ilości ciepła gromadzącego się wzdłuż ogniw. Jeśli ogniw jest wiele - na przykład 24 - i wszystkie są skupione razem, tworzy się układ niezdolny do rozpraszania ciepła.

Jeśli to możliwe, ułożenie komórek w rzędzie pozwala na bardziej równomierny rozkład temperatury. Jeśli ogniwa zostaną ułożone w równe rzędy i kolumny, utworzone w ten sposób ‘radiatory’ będą w stanie obsłużyć wyższe temperatury.

Akcesoria wentylacyjne i chłodzące

W regulacji i chłodzeniu ogniw mogą pomóc wbudowane w układ systemy wentylacyjne i chłodzące. W zależności od wielkości i konstrukcji pakietu bateryjnego, można zaprojektować kombinację wentylatorów i układów chłodzenia cieczą, czy też płyt przewodzących ciepło: w przypadku niektórych ogniw akumulatorowych, np. zespołów litowo-jonowych stosowanych w pojazdach elektrycznych, producent może zaprojektować płyty przewodzące ciepło, aby pomóc w rozpraszaniu ciepła. Płyty pobierają ciepło, a następnie odprowadzają je z ogniw.

Wzdłuż ogniw może też znajdować się folia przewodząca ciepło, pomagająca zredukować ciepło wzdłuż gorących punktów. Folia działa również jako izolacja termiczna w przypadku rozpoczęcia się niekontrolowanej reakcji w jednym z ogniw, zapobiegając przedostawaniu się ciepła do innych ogniw.

System zarządzania baterią BMS

Inną kwestią projektową jest monitorowanie ogniwa akumulatora pod kątem ewentualnego przeładowania lub nadmiernego rozładowania. BMS zarządza i monitoruje szeroki zakres funkcji ogniwa, w tym napięcie, prąd, proces ładowania, równoważenie ładunku i temperaturę ogniwa. BMS służy również jako wyłącznik bezpieczeństwa w przypadku wewnętrznego zwarcia.

Zwykle BMS służy do monitorowania wszystkich ogniw pakietu akumulatorów pod kątem ich stanu zdrowia (SoH) i stanu naładowania (SoC). Jeśli temperatura zacznie rosnąć, BMS może włączyć opcje chłodzenia, może także równoważyć poszczególne ogniwa. Jeśli wykryje niekontrolowany wzrost temperatury, którego nie będą w stanie powstrzymać mechanizmy chłodzenia, BMS może wyłączyć inne ogniwa, aby zapobiec niekontrolowanemu wzrostowi temperatury.

BMS jest projektowany jako mechanizm bezpieczeństwa, minimalizujący możliwość i ryzyko wystąpienia zjawiska thermal runaway w zespołach ogniw akumulatorowych na bazie litu. Należy jednak pamiętać, że mogą wystąpić okoliczności, gdy pomimo obecności BMS, dalej może występować niekontrolowany wzrost temperatury. BMS nie zapobiega całkowicie wystąpieniu reakcji łańcuchowej, może jednak zminimalizować jej występowanie i zapewnić funkcje bezpieczeństwa, zmniejszające prawdopodobieństwo niekontrolowanego wzrostu temperatury kolejnych ogniw.

Wentylacja

Ponieważ ogniwo akumulatora znajduje się w obudowie, innym sposobem na ułatwienie rozproszenie ciepła jest zastosowanie otworów wentylacyjnych. Otwory wentylacyjne umożliwiają odprowadzanie ciepła z obudowy i zasysanie chłodniejszego powietrza z zewnętrznego otoczenia. Otwory wentylacyjne mogą również zapewniać wentylację elektroniki, znajdującej się obok ogniwa akumulatora i odprowadzać ciepło z PCB. Ponadto, akumulatory kwasowo-ołowiowe wymagają wentylacji ze względu na wydzielanie się wodoru podczas procesu ładowania.

Jeśli chodzi o ogniwa litowe, nie wytwarzają one żadnych gazów. Często klienci uważają, że ogniwa tego typu powinny być wentylowane, jednak wentylacja może pomóc zmniejszyć ryzyko niekontrolowanego wzrostu ciepła poprzez obniżenie temperatury wzdłuż ogniw.

Źródło: Opracowano na podstawie informacji zamieszczonych na stronie firmy EPEC

Zapraszamy na TEK.day Gdańsk, 26 września 2024. Zapisz się już dziś!