Elektromos járművek akkumulátorának biztonsága: a kompromisszum a sűrűség és a gyors töltés között

Az októberi elektromos járművek tűzeseteinek sorozata, beleértve a csúcskategóriás modelleket, mint a Xiaomi SU7 Ultra, a NIO ET7, a Li Auto MEGA, a Mercedes-Benz EQE és a Porsche Taycan, ismét előtérbe helyezte az akkumulátorok biztonságát. Az adatok és a bizonyítékok azt mutatják, hogy a teljesítményért folytatott verseny – a nagy energiasűrűségtől az ultragyors töltésig – a hőstabilitás rovására megy, és szigorúbb kockázatkezelést igényel (lásd a 36kr.com oldalon).

Nagy energiasűrűség: hatótávolság-előny, nyomás-termikus stabilitás

A lítium-vas-foszfátról (LFP) a lítium tercier (NCM/NCA) pozitív anyagokra való áttérés megnövekedett energiasűrűséget és kiterjesztett működési tartományt eredményezett. Azonban a stabil kristályszerkezetű és nehezen oxigént felszabadító LFP-hez képest a magas nikkeltartalmú anyagok csökkentik a hőstabilitást.

A piaci tapasztalatok arra kényszerítették az iparágat, hogy alkalmazkodjon: az NCM 811-gyel kapcsolatos incidensek után (GAC Aion S 2020-ban; a General Motors közel 70 000 járművet hívott vissza 2021-ben a nikkel akkumulátorok magas kockázata miatt, az LG Chem 1 milliárd dolláros kártérítést fizetett), a népszerű NCM arány 5-2-3/6-2-2-re változott a teljesítmény és a biztonság egyensúlyba hozása érdekében. Az LFP továbbra is széles körben jelen van a 200 000 jüan alatti szegmensben a költségek miatt, míg a háromkomponensű akkumulátorokat közép- és felsőkategóriás autókhoz használják (például a Tesla háromkomponensű akkumulátorokat használ a nagy hatótávolságú változathoz, LFP-t a standard változathoz).

18650-től 4680-ig, majd CTP/CTC: volumetrikus hatékonyság és nagysejtes kockázat

Az anyagok fejlesztése mellett az építészeti fejlesztések is hozzájárultak ahhoz, hogy több energiát „sűrítsenek” össze ugyanabban a térfogatban. Az első Tesla Model S cella-modul-csomag szerkezetet használt: minden modul körülbelül 444 db 18650 cellát tartalmazott, amelyek saját épületfelügyeleti rendszerrel és hűtőcsövekkel voltak felszerelve; egy csomag 16 modult tartalmazhatott, tűzálló anyagokból. Azóta a trend a modulok számának csökkentése és megszüntetése (CTP – Cell to Pack), valamint a mélyreható integráció (CTC – Cell to Chassis) felé mutat.

A hengeres cellaméret 18650-ről 21700-ra, illetve 4680-ra nőtt; a köbös oldalon a BYD optimalizálta a Blade-et, hogy a térfogatkihasználási arányt körülbelül 50%-kal növelje, a cellakapacitást 135 Ah-ról több mint 200 Ah-ra növelve. A Qilinnel közösen gyártott CATL a térfogatkihasználási arányt 72%-ra növelte, meghaladva a 4680-as 63%-os mérföldkövet; a CTC megoldások tömeggyártása 2022–2023-ban kezdődik.

Hátránya: a nagy kapacitású cellák belső rövidzárlat esetén gyorsan szétszórhatják a hőt, forró pontokat képezve és intenzívebb termikus láncreakciót eredményezve. Ezért a füstöléstől a gyulladásig eltelt idő nagyon rövid és nehezen szabályozható. A cellán kívül a csomag csomagolási folyamata is kockázati pont: a NIO 2019-ben 4803 ES8-as autót hívott vissza a csomagban lévő nem megfelelő nagyfeszültségű vezetékek miatt.

A 800V–10C gyorstöltési verseny: jobb élmény, szűkebb biztonsági ráhagyás

Töltési teljesítmény = feszültség × áramerősség. Az első generációs 400 V-os autók töltési sebessége 1 °C alatt volt. A Tesla fokozatosan növelte a feltöltő teljesítményét 90 kW-ról (V1) 250 kW-ra (V3), ami körülbelül 250 km-es hatótávolságot jelentett 15 perc töltés után és 2–2,5 °C-os töltési sebesség mellett.

A Porsche Taycan úttörő szerepet játszott a 800 V-os platform kifejlesztésében, 270 kW-os gyorstöltési kapacitással: a feszültség növelése csökkenti az áramerősséget és a hőveszteséget, javítva a biztonságot a nagy teljesítményű töltés során. A kínai gyártók gyorsan utolérték a 800 V-ot, az akkumulátor feszültségét 4C-re vagy magasabbra emelve; megjelentek a piacon a 400 kW-ot meghaladó töltési kapacitások. 2023-ban a Li Auto MEGA bejelentette a CATL Qilin 5C használatát, amelynek maximális kapacitása meghaladja az 500 kW-ot. A BYD kijelentette, hogy képes 10C-on tölteni, ami "10 perc elegendő 600 km-hez"; az iparági tesztek szerint a maximális 10C-os áram csak nagyon rövid ideig tart.

Cserébe a szigetelési, védelmi és ívoltási követelmények drámaian megnőnek; a pillanatnyi rövidzárlati áram nagyobb, és a hőreakció intenzívebb lehet. Nagy áramerősségnél a lítiumionok gyorsan beágyazódnak/elválnak, hőtermelést okozva és dendritképződést elősegítve, lerövidítve az élettartamot. Li Bin (NIO) szeptemberi részvénye szerint a túltöltés törekvése költségekkel jár, beleértve az akkumulátor élettartamát is. A NIO lassú töltést alkalmaz az akkumulátorcsere-állomásokon, és 15 év alatt 85%-os élettartamot céloz meg. „Képzelje el, hogy 8 évnyi autóhasználat után 80 000 vagy 100 000 jüant (11-14 000 dollár) kell költenie az akkumulátor cseréjére... ez elfogadhatatlanul magas költség.”

Gyorstöltési mérföldkövek és feszültségalap (forrás szerint)

Rendszer/jármű	Földelés/feszültség	Maximális teljesítmény	Jegyzet
Tesla Feltöltő V1 → V3	~400V	90 kW → 250 kW	~250 km/15 perc; sebesség 2–2,5°C
Porsche Taycan	800 V	270 kW	Csökkentse az áramerősséget és a hőveszteséget
Sok kínai cég	800 V	>400 kW	4C vagy erősebb akkumulátor
Li Auto MEGA + CATL Qilin 5C	800 V	>500 kW	2023-ban jelentették be
BYD 10C töltő	—	—	10 perc ~600 km; a 10°C-os áram nagyon rövid ideig tart (ipari tesztek szerint)

Jelenlegi műszaki megoldások: hűtés, termikus-elektromos elválasztás, épületfelügyeleti rendszer optimalizálása

Mielőtt a szilárdtest akkumulátorok elérnék az ipari méretet, a folyékony akkumulátorok optimalizálása továbbra is a fő irány:

A CATL Qilin folyadékhűtő lemezt helyez a cellák közé a hőcsere fokozása érdekében; nyomáscsökkentő szelepet helyez el a cella alján, elválasztva a tetején lévő pozitív/negatív pólustól a „hő-elektromos szétválasztás” érdekében.
A finomszemcsés grafittal bevont negatív elektróda felgyorsítja az ionmerülést, támogatja a gyors töltést, és csökkenti a „lítiumbevonat” kialakulásának kockázatát.
A BYD Blade hosszúkás, vékony alakja előnyös a hőelvezetés szempontjából; a sűrű elrendezés szerkezeti támasztóhatást hoz létre, csökkentve a hagyományos kereszt-/hosszanti gerendák szükségességét. Azonban továbbra is fennállnak az aggodalmak az ultrahosszú cellák görbülésével kapcsolatban ütközés esetén.
A BMS rendszer valós idejű feszültség-, áram- és hőmérséklet-figyeléssel, valamint áramkörszakadással és riasztással rendelkezik rendellenes esetben. A pillanatnyi rövidzárlat azonban meghaladhatja a mintavételi/válaszsebességet.

Szilárdtest akkumulátorok: nagy potenciál, nagy akadályok

A szilárdtest akkumulátorok fejlesztése már három évtizede folyik, de a kutatás-fejlesztési kihívások, a folyamatok és a meglévő folyékony akkumulátor-ökoszisztémáról való átállás költségei miatt még nem érték el az ipari méretű gyártást. A legtöbb autógyártó és akkumulátorgyártó jelenleg nem áll készen nagy beruházásokra.

Konklúzió: Nincs abszolút biztonság, csak egy tanulási görbe

Egy jól kiegyensúlyozott akkumulátorcsomag anyagok, architektúra, folyamatok és épületfelügyeleti rendszerek kombinációja. A teljesítményért folytatott versenyben a biztonságba való befektetésnek arányosan növekednie kell, és a felhasználóknak nyújtott tájékoztatásnak őszintének kell lennie, elkerülve a kockázati különbségek eltitkolását.

A gyártók célja, hogy a meghibásodási arányt ppb-re (rész/milliárd) csökkentsék. A felhasználók számára azonban egymilliárdhoz baleset esetén is 100%-os a hibaszázalék. Minden baleset figyelmeztetés és optimalizálási adat is egyben, ahogy a Tesla is fejlesztette az autófelügyeleti rendszerét a korai spontán égések révén; a kínai autó- és akkumulátorgyártók is hasonló tanulási és fejlesztési utat járnak be.

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