Förhindrar termisk runaway i batterier

Det största hotet mot batterier är termisk runaway, där den genererade värmen överstiger spridningshastigheten, vilket utlöser en serie exoterma reaktioner. Detta kan leda till bränder och totalt batteriavbrott, vilket påverkar andra fordonskomponenter. För att förhindra och begränsa termisk flykt har batteridesignen kompressionsdynor, modulkapslingar och batterihöljen. Kompressionsdynor placeras mellan cellerna för att förhindra värmeutbredning, medan modulkapslingar gruppceller för att innehålla termisk runaway inom moduler. Slutligen är dessa moduler inrymda i ett batterihölje för att skydda fordonets övriga delar från värmeeffekter.

Design av batterihölje

Batterihöljen för elfordon varierar avsevärt i design, form och storlek, beroende på batterityp, kylningskrav, modulfördelning och tillämpning. I allmänhet består ett modulhölje av:

1. Ett bashus,

2. Ett yttre hölje,

3. En anslutningsplatta som förbinder interna och externa komponenter,

4. En avgasventil för tryckbalans eller gasutsläpp under termisk flykt.

Materialval för batteriskåp

Material som används för batterihöljen måste ha hög termisk prestanda, goda mekaniska egenskaper och vara lätta. Traditionellt har aluminium och stål föredragits för sin värmebeständighet och lämplighet för massproduktion. Metallmaterialens massa kan dock inte kontrolleras väl, särskilt för hybrid- och elfordon, där lägre fordonsmassa innebär högre energitäthet och längre räckvidd. För närvarande kan batterier stå för upp till 50 % av ett fordons totala massa.

Kompositmaterial

Kompositmaterial erbjuder ett lättviktigt alternativ och kan potentiellt överträffa metaller i många aspekter, även om de är mer komplexa och kostsamma. Ett kolfiberförstärkt polymerhölje utvecklat för motorsportkunder ersatte till exempel ett aluminiumhölje som vägde 6,7 kg (14,8 lbs) med ett komposithölje som bara vägde 616 gram (1,35 lbs), vilket uppnådde en viktminskning på 91 %. Kolfiber härdplast prepregs användes för deras höga termiska och mekaniska prestanda. Kolfiber ger styrka och styvhet, medan högkvalitativa hartssystem, såsom epoxi, är förimpregnerade. Manuella uppläggningsprocesser, långa härdningstider och beroende av autoklaver begränsar dock produktionen av prepreg-batterihöljen.

En annan fördel med kompositmaterial är möjligheten att optimera fiberorienteringen för att möta specifika belastningskrav för varje batterihölje. Finita elementanalys (FEA) används flitigt i designprocessen för att bestämma fiberriktningen och det erforderliga antalet lager, vilket säkerställer hög styvhet och styrka med bibehållen låg vikt. Metallens isotropiska egenskaper ger fortfarande fördelar, ofta används runt bultförband för att ge extra styrka och styvhet. Programvara som Hypermesh och Optistruct simulerar de anisotropa kompositmaterialen i batterihöljen.

Elektrisk isolering

Elektrisk isolering är ett annat övervägande när man utvecklar batterihöljen. Eftersom kolfiber är ledande, integreras glasfiberskikt i laminatet för att isolera specifika elektroniska komponenter.

Certifiering

För att säkerställa den termiska prestandan hos batterier och kapslingar måste de klara olika säkerhetstester och standarder för certifiering. Den första standarden är UN38.8, som garanterar litiumbatteriers säkerhet under transport genom åtta tester, inklusive höjdsimulering, termisk testning, vibrationer, stötar, extern kortslutning, slag och krossning, överladdning och tvångsurladdning. Batterier behöver också certifieras enligt ECE R100 REV2, som beskriver nödvändiga tester för litiumbatterier installerade i fyrhjuliga elfordon för transport av människor eller gods. Inom flyget måste andra standarder som DO311A och DO160G beaktas.

Batteri termisk simulering

För batterikapslingar måste kompositmaterial uppfylla UL94 brandfarlighetssäkerhetsstandarder, vilket inbegriper flera yt-, vertikala och horisontella bränntester. Kontrollerade lågor appliceras på materialet flera gånger under en specifik period, och materialets fortsatta brinntid, såväl som tecken på genombränning eller flammande droppar, avgör om det uppfyller UL94:s V0-, V1- eller V2-klassificeringar. Ju snabbare lågan slocknar, desto starkare är materialets motståndskraft, med V0 som högsta betyg, släcks inom 10 sekunder utan flammande droppar.