Bezpečnost baterií elektromobilů: kompromis mezi hustotou a rychlým nabíjením

Vlna požárů elektromobilů v říjnu, včetně špičkových modelů jako Xiaomi SU7 Ultra, NIO ET7, Li Auto MEGA, Mercedes-Benz EQE a Porsche Taycan, opět postavila bezpečnost baterií do popředí. Data a důkazy ukazují, že závod o výkon – od vysoké hustoty energie k ultrarychlému nabíjení – jde na úkor tepelné stability a vyžaduje důslednější řízení rizik (přes 36kr.com).

Vysoká hustota energie: výhoda doletu, tlaková tepelná stabilita

Přechod z lithium-železité fosforečnany (LFP) na lithium-ternární (NCM/NCA) materiály s pozitivním nábojem zvýšil energetickou hustotu a rozšířil provozní rozsah. Ve srovnání s LFP, který má stabilní krystalovou strukturu a obtížně uvolňuje kyslík, však materiály s vysokým obsahem niklu snižují tepelnou stabilitu.

Tržní zkušenosti donutily průmysl k úpravám: po incidentech souvisejících s NCM 811 (GAC Aion S v roce 2020; General Motors svolala v roce 2021 téměř 70 000 vozidel kvůli vysokým rizikům niklových baterií, LG Chem zaplatila kompenzaci ve výši 1 miliardy dolarů) se populární poměr NCM změnil na 5-2-3/6-2-2, aby se vyvážil výkon a bezpečnost. LFP jsou stále široce zastoupeny v segmentu do 200 000 juanů kvůli nákladům, zatímco tříkomponentní baterie se používají pro vozy střední a vyšší třídy (například Tesla používá tříkomponentní baterie pro verzi s dlouhým dojezdem, LFP pro standardní verzi).

Od 18650 do 4680, poté CTP/CTC: objemová účinnost a riziko velkých článků

Spolu s materiály pomohla architektonická vylepšení „stlačit“ více energie do stejného objemu. První Tesla Model S používala strukturu buňka-modul-pak: každý modul obsahoval přibližně 444 článků 18650, vybavených vlastním systémem BMS a chladicími trubkami; paket mohl mít 16 modulů s nehořlavými materiály. Trendem od té doby je snižování a eliminace modulů (CTP – Cell to Pack) a jejich hluboká integrace (CTC – Cell to Chassis).

Velikost válcových článků se zvětšila z 18650 na 21700 a 4680; co se týče kubických rozměrů, společnost BYD optimalizovala Blade, aby zvýšila poměr využití objemu přibližně o 50 %, čímž se kapacita článků zvýšila ze 135 Ah na více než 200 Ah. Společnost CATL ve spolupráci s Qilinem zvýšila poměr využití objemu na 72 %, čímž překonala milník 63 %, který činí 4680; řešení CTC se začnou hromadně vyrábět v letech 2022–2023.

Nevýhodou je, že články s velkou kapacitou mohou při vnitřním zkratu rychle rozptylovat teplo, čímž vznikají horká místa a intenzivnější tepelná řetězová reakce. Doba od kouření do vznícení je proto velmi krátká a obtížně kontrolovatelná. Kromě článků je rizikovým bodem také proces balení akumulátoru: NIO v roce 2019 svolalo 4 803 vozů ES8 kvůli nesprávnému vysokonapěťovému zapojení v akumulátoru.

Závod v rychlém nabíjení 800V–10C: lepší zážitek, užší bezpečnostní rezerva

Nabíjecí výkon = napětí × proud. První generace automobilů s napětím 400 V měla nabíjecí rychlost pod 1 C. Tesla postupně zvyšovala výkon kompresoru z 90 kW (V1) na 250 kW (V3), čímž se po 15 minutách nabíjení a při rychlosti 2–2,5 C prodloužil dojezd o přibližně 250 km.

Porsche Taycan bylo průkopníkem v oblasti platformy 800V s rychlonabíjecím výkonem 270 kW: zvýšení napětí snižuje proudové a tepelné ztráty, čímž se zlepšuje bezpečnost při nabíjení vysokým výkonem. Čínští výrobci rychle dohnali 800V a zvýšili napětí baterie na 4 C nebo více; na trhu se objevily nabíjecí kapacity přesahující 400 kW. V roce 2023 společnost Li Auto MEGA oznámila použití CATL Qilin 5C s maximální kapacitou přes 500 kW. BYD uvedla, že umožňuje nabíjení 10 C, což znamená „10 minut stačí na 600 km“; podle testování v oboru vydrží maximální proud 10 C jen velmi krátkou dobu.

Na oplátku se dramaticky zvyšují požadavky na izolaci, ochranu a zhášení oblouku; okamžitý zkratový proud je větší a tepelná reakce může být intenzivnější. Při vysokých proudech se lithiové ionty rychle usazují/oddělují, což způsobuje tvorbu tepla a podporuje tvorbu dendritů, čímž zkracuje životnost. Podle zářijového příspěvku Li Bina (NIO) má snaha o přeplňování svou cenu, včetně životnosti baterie. NIO používá pomalé nabíjení ve výměnných stanicích baterií s cílem dosáhnout 85% životnosti za 15 let. „Představte si, že po 8 letech používání auta musíte utratit 80 000 nebo 100 000 juanů (11–14 000 dolarů) za výměnu baterie... to jsou nepřijatelně vysoké náklady.“

Milníky rychlého nabíjení a napěťová základna (podle zdroje)

Systém/vozidlo	Uzemnění/napětí	Maximální výkon	Poznámka
Tesla kompresor V1 → V3	~400V	90 kW → 250 kW	~250 km/15 minut; rychlost 2–2,5 °C
Porsche Taycan	800 V	270 kW	Snižte proudové a tepelné ztráty
Mnoho čínských firem	800 V	>400 kW	Baterie 4C nebo vyšší
Li Auto MEGA + CATL Qilin 5C	800 V	>500 kW	Oznámeno v roce 2023
Nabíječka BYD 10C	—	—	10 min ~600 km; proud 10C vydrží velmi krátce (podle průmyslových testů)

Aktuální technická řešení: chlazení, tepelně-elektrická separace, optimalizace BMS

Než polovodičové baterie dosáhnou průmyslového rozsahu, optimalizace kapalných baterií je i nadále hlavním směrem:

Společnost CATL Qilin umisťuje mezi články desku s kapalinovým chlazením pro zvýšení tepelné výměny; ve spodní části článku je umístěn přetlakový ventil, oddělený od kladného/záporného pólu nahoře pro „tepelně-elektrické oddělení“.
Jemně zrnitá grafitová negativní elektroda urychluje iontovou ponořování, podporuje rychlé nabíjení a snižuje riziko „lithiového pokovování“.
Dlouhý a tenký tvar čepele BYD je výhodný pro odvod tepla; husté uspořádání vytváří strukturální podpůrný efekt, čímž se snižuje potřeba tradičních příčných/podélných nosníků. Obavy z ohýbání ultradlouhých buněk při nehodě však stále přetrvávají.
Systém BMS je vylepšen o monitorování napětí, proudu a teploty v reálném čase, přerušení obvodu a alarm v případě abnormálních stavů. Okamžitý zkrat však může překročit rychlost vzorkování/odezvy.

Polovodičové baterie: vysoký potenciál, vysoké překážky

Pevné baterie se vyvíjejí již tři desetiletí, ale dosud se nedostaly do průmyslové výroby kvůli problémům ve výzkumu a vývoji, procesům a nákladům na přechod ze stávajícího ekosystému kapalných baterií. Většina automobilek a výrobců baterií v současné době není připravena na velké investice.

Závěr: Neexistuje absolutní bezpečnost, pouze křivka učení

Dobře vyvážený bateriový blok je kombinací materiálů, architektury, procesů a systému BMS. V závodě o výkon se musí úměrně zvyšovat investice do bezpečnosti a informace poskytované uživatelům musí být upřímné, aby se zabránilo zatajování rozdílů v riziku.

Výrobci se snaží snížit míru poruchovosti na ppb (částic na miliardu). Pro uživatele je však nehoda „jedna z miliardy“ stále 100% pravděpodobností, když k ní dojde. Každá nehoda je zároveň varováním i daty pro optimalizaci, například když Tesla vylepšila svůj systém řízení budov (BMS) včasným samovznícením; čínští výrobci automobilů a baterií se také ubírají podobnou cestou učení a zlepšování.

Zdroj: https://baonghean.vn/an-toan-pin-xe-dien-danh-doi-giua-mat-do-va-sac-nhanh-10310036.html