ایمنی باتری خودروهای برقی: بده بستان بین چگالی و شارژ سریع

موج آتش‌سوزی خودروهای برقی در ماه اکتبر، از جمله مدل‌های رده بالایی مانند Xiaomi SU7 Ultra، NIO ET7، Li Auto MEGA، Mercedes-Benz EQE و Porsche Taycan، بار دیگر ایمنی باتری را در اولویت قرار داده است. داده‌ها و شواهد نشان می‌دهد که رقابت برای عملکرد - از چگالی انرژی بالا گرفته تا شارژ فوق سریع - به قیمت از دست رفتن پایداری حرارتی تمام می‌شود و نیاز به مدیریت ریسک دقیق‌تری دارد (از طریق 36kr.com).

چگالی انرژی بالا: مزیت برد، پایداری حرارتی فشار

گذار از فسفات آهن لیتیوم (LFP) به مواد مثبت سه‌تایی لیتیوم (NCM/NCA) باعث افزایش چگالی انرژی و افزایش برد عملیاتی شده است. با این حال، در مقایسه با LFP که ساختار کریستالی پایداری دارد و آزادسازی اکسیژن در آن دشوار است، مواد با نیکل بالا پایداری حرارتی را کاهش می‌دهند.

تجربه بازار، صنعت را مجبور به تنظیم کرد: پس از حوادث مربوط به NCM 811 (GAC Aion S در سال 2020؛ جنرال موتورز در سال 2021 به دلیل خطرات بالای باتری نیکل، نزدیک به 70،000 خودرو را فراخوان کرد و LG Chem 1 میلیارد دلار غرامت پرداخت کرد)، نسبت محبوب NCM به 5-2-3/6-2-2 تغییر کرد تا عملکرد و ایمنی را متعادل کند. باتری‌های LFP هنوز به دلیل هزینه، به طور گسترده در بخش خودروهای زیر 200،000 یوان وجود دارند، در حالی که باتری‌های سه جزئی برای خودروهای میان‌رده و رده بالا استفاده می‌شوند (به عنوان مثال، تسلا از باتری‌های سه جزئی برای نسخه دوربرد و LFP برای نسخه استاندارد استفاده می‌کند).

از ۱۸۶۵۰ تا ۴۶۸۰، سپس CTP/CTC: راندمان حجمی و خطر سلول‌های بزرگ

در کنار مواد، پیشرفت‌های معماری به «فشرده‌سازی» انرژی بیشتر در همان حجم کمک کرده‌اند. اولین تسلا مدل S از ساختار سلول-ماژول-بسته استفاده می‌کرد: هر ماژول شامل حدود ۴۴۴ سلول ۱۸۶۵۰ بود که مجهز به BMS و لوله‌های خنک‌کننده مخصوص به خود بودند. یک بسته می‌توانست ۱۶ ماژول با مواد مقاوم در برابر آتش داشته باشد. از آن زمان روند به سمت کاهش و حذف ماژول‌ها (CTP - سلول به بسته) و ادغام عمیق (CTC - سلول به شاسی) بوده است.

اندازه سلول استوانه‌ای از ۱۸۶۵۰ به ۲۱۷۰۰ و ۴۶۸۰ افزایش یافت؛ در سمت مکعبی، BYD باتری Blade را بهینه کرد تا نسبت استفاده از حجم را حدود ۵۰٪ افزایش دهد و ظرفیت سلول را از ۱۳۵ آمپر ساعت به بیش از ۲۰۰ آمپر ساعت برساند. CATL با Qilin نسبت استفاده از حجم را به ۷۲٪ رساند و از نقطه عطف ۶۳٪ ۴۶۸۰ فراتر رفت. راه‌حل‌های CTC به ترتیب از سال ۲۰۲۲-۲۰۲۳ به تولید انبوه می‌رسند.

نکته‌ی منفی: سلول‌های با ظرفیت بالا، هنگام اتصال کوتاه داخلی، می‌توانند گرما را به سرعت پخش کنند و نقاط داغ و واکنش زنجیره‌ای حرارتی شدیدتری ایجاد کنند. بنابراین، زمان دود کردن تا احتراق بسیار کوتاه و کنترل آن دشوار است. علاوه بر سلول، فرآیند بسته‌بندی بسته نیز یک نقطه‌ی پرخطر است: NIO در سال ۲۰۱۹ به دلیل سیم‌کشی نامناسب ولتاژ بالا در بسته، ۴۸۰۳ دستگاه خودروی ES8 را فراخوان کرد.

مسابقه شارژ سریع ۸۰۰ ولت تا ۱۰ درجه سانتیگراد: تجربه بهتر، حاشیه ایمنی کمتر

توان شارژ = ولتاژ × جریان. نسل اول خودروهای ۴۰۰ ولتی نرخ شارژی کمتر از ۱ درجه سانتیگراد داشتند. تسلا به تدریج توان سوپرشارژر را از ۹۰ کیلووات (V1) به ۲۵۰ کیلووات (V3) افزایش داد و پس از ۱۵ دقیقه شارژ و با نرخ شارژ ۲ تا ۲.۵ درجه سانتیگراد، حدود ۲۵۰ کیلومتر به برد آن اضافه شد.

پورشه تایکان پیشگام پلتفرم ۸۰۰ ولت با ظرفیت شارژ سریع ۲۷۰ کیلووات بود: افزایش ولتاژ، اتلاف جریان و گرما را کاهش می‌دهد و ایمنی را در حین شارژ با توان بالا بهبود می‌بخشد. تولیدکنندگان چینی به سرعت به ۸۰۰ ولت رسیدند و باتری را به ۴C یا بیشتر افزایش دادند؛ ظرفیت‌های شارژ بیش از ۴۰۰ کیلووات در بازار ظاهر شدند. در سال ۲۰۲۳، لی اتو مگا از استفاده از CATL Qilin 5C با حداکثر ظرفیت بیش از ۵۰۰ کیلووات خبر داد. BYD توانایی شارژ ۱۰C را "۱۰ دقیقه برای ۶۰۰ کیلومتر کافی" اعلام کرد. طبق آزمایش‌های صنعتی، حداکثر جریان ۱۰C فقط برای مدت زمان بسیار کوتاهی دوام می‌آورد.

در عوض، الزامات عایق‌بندی، محافظت و خاموش کردن قوس به طرز چشمگیری افزایش می‌یابد؛ جریان اتصال کوتاه لحظه‌ای بزرگتر است و واکنش حرارتی می‌تواند شدیدتر باشد. در جریان‌های بالا، یون‌های لیتیوم به سرعت جاسازی/جدا می‌شوند و باعث تولید گرما و ایجاد دندریت‌ها می‌شوند و طول عمر را کوتاه می‌کنند. طبق گفته لی بین (NIO) در ماه سپتامبر، پیگیری سوپرشارژینگ با هزینه‌ای همراه است، از جمله طول عمر باتری. NIO از شارژ آهسته در ایستگاه‌های تعویض باتری استفاده می‌کند و هدف آن ۸۵٪ طول عمر در ۱۵ سال است. "تصور کنید اگر پس از ۸ سال استفاده از ماشین، مجبور شوید ۸۰،۰۰۰ یا ۱۰۰،۰۰۰ یوان (۱۱ تا ۱۴،۰۰۰ دلار) برای تعویض باتری هزینه کنید... این هزینه غیرقابل قبول بالایی است."

نقاط عطف شارژ سریع و پایه ولتاژ (بر اساس منبع)

سیستم/خودرو	زمین/ولتاژ	حداکثر توان	توجه داشته باشید
سوپرشارژر تسلا V1 → V3	۴۰۰ ولت	۹۰ کیلووات → ۲۵۰ کیلووات	حدود ۲۵۰ کیلومتر در ۱۵ دقیقه؛ سرعت ۲ تا ۲.۵ درجه سانتیگراد
پورشه تایکان	۸۰۰ ولت	۲۷۰ کیلووات	کاهش جریان و اتلاف گرما
بسیاری از شرکت‌های چینی	۸۰۰ ولت	>400 کیلووات	باتری 4C یا بالاتر
لی اتو مگا + CATL چیلین ۵سی	۸۰۰ ولت	>500 کیلووات	در سال ۲۰۲۳ اعلام شد
شارژر BYD 10C	—	—	۱۰ دقیقه تا ۶۰۰ کیلومتر؛ جریان ۱۰ درجه سانتیگراد خیلی کوتاه مدت است (طبق آزمایش‌های صنعتی)

راهکارهای فنی فعلی: سرمایش، جداسازی حرارتی-الکتریکی، بهینه‌سازی سیستم مدیریت ساختمان (BMS)

قبل از اینکه باتری‌های حالت جامد به مقیاس صنعتی برسند، بهینه‌سازی باتری‌های مایع همچنان مسیر اصلی خواهد بود:

شرکت CATL Qilin برای افزایش تبادل گرما، صفحه خنک‌کننده مایع را بین سلول‌ها قرار می‌دهد؛ شیر اطمینان فشار را در پایین سلول، جدا از قطب مثبت/منفی در بالا، برای «جداسازی گرما-الکتریک» قرار می‌دهد.
الکترود منفی با پوشش گرافیتی ریزدانه، غوطه‌وری یون‌ها را تسریع می‌کند، از شارژ سریع پشتیبانی می‌کند و خطر «آبکاری لیتیوم» را کاهش می‌دهد.
شکل باریک و بلند BYD Blade برای اتلاف گرما مفید است؛ طرح متراکم آن یک اثر پشتیبانی ساختاری ایجاد می‌کند و نیاز به تیرهای عرضی/طولی سنتی را کاهش می‌دهد. با این حال، نگرانی‌هایی در مورد خم شدن سلول‌های بسیار بلند در تصادف هنوز وجود دارد.
سیستم مدیریت باتری (BMS) با نظارت لحظه‌ای بر ولتاژ، جریان، دما، قطع مدار و اعلام هشدار در صورت بروز شرایط غیرعادی، بهبود یافته است. با این حال، اتصال کوتاه آنی ممکن است از سرعت نمونه‌برداری/پاسخ فراتر رود.

باتری‌های حالت جامد: پتانسیل بالا، موانع زیاد

باتری‌های حالت جامد به مدت سه دهه در حال توسعه بوده‌اند، اما به دلیل چالش‌های تحقیق و توسعه، فرآیندها و هزینه گذار از اکوسیستم باتری مایع موجود، هنوز به تولید در مقیاس صنعتی نرسیده‌اند. اکثر خودروسازان و تولیدکنندگان باتری در حال حاضر آماده سرمایه‌گذاری‌های بزرگ نیستند.

نتیجه‌گیری: هیچ ایمنی مطلقی وجود ندارد، فقط یک منحنی یادگیری وجود دارد

یک بسته باتری متعادل ترکیبی از مواد، معماری، فرآیندها و سیستم مدیریت ساختمان (BMS) است. در رقابت برای عملکرد، سرمایه‌گذاری در ایمنی باید به طور متناسب افزایش یابد و اطلاعات به کاربران باید صادقانه باشد و از پنهان کردن تفاوت‌ها در ریسک اجتناب شود.

تولیدکنندگان قصد دارند میزان خرابی را به ppb (قطعه در میلیارد) کاهش دهند. با این حال، برای کاربران، یک تصادف «یک در میلیارد» هنوز هم ۱۰۰٪ است، وقتی اتفاق می‌افتد. هر تصادف هم یک هشدار و هم داده‌ای برای بهینه‌سازی است، مانند نحوه بهبود سیستم مدیریت باتری تسلا از طریق احتراق خود به خودی زودهنگام؛ تولیدکنندگان خودرو و باتری چینی نیز مسیر یادگیری و بهبود مشابهی را دنبال می‌کنند.

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