Siguranța bateriei vehiculelor electrice: compromisul dintre densitate și încărcare rapidă

O serie de incendii la vehicule electrice în octombrie, inclusiv la modele de ultimă generație precum Xiaomi SU7 Ultra, NIO ET7, Li Auto MEGA, Mercedes-Benz EQE și Porsche Taycan, a adus din nou în prim-plan siguranța bateriilor. Datele și dovezile arată că cursa pentru performanță - de la densitate mare de energie la încărcare ultra-rapidă - se face în detrimentul stabilității termice și necesită o gestionare mai riguroasă a riscurilor (via 36kr.com).

Densitate energetică ridicată: avantaj de autonomie, stabilitate termică la presiune

Tranziția de la fosfatul de litiu fier (LFP) la materialele ternare cu litiu (NCM/NCA) pozitive a dus la o densitate energetică crescută și o gamă de funcționare extinsă. Cu toate acestea, în comparație cu LFP, care are o structură cristalină stabilă și eliberează dificil oxigen, materialele cu conținut ridicat de nichel reduc stabilitatea termică.

Experiența pieței a forțat industria să se adapteze: după incidentele legate de NCM 811 (GAC Aion S în 2020; General Motors a rechemat aproape 70.000 de vehicule în 2021 din cauza riscurilor ridicate legate de bateriile cu nichel, LG Chem a plătit 1 miliard de dolari drept despăgubiri), raportul popular NCM s-a mutat la 5-2-3/6-2-2 pentru a echilibra performanța și siguranța. Bateriile cu performanță redusă (LFP) sunt încă prezente pe scară largă în segmentul sub 200.000 de yuani din cauza costurilor, în timp ce bateriile tri-componente sunt utilizate pentru mașinile de gamă medie și superioară (de exemplu, Tesla folosește baterii tri-componente pentru versiunea cu autonomie lungă, LFP pentru versiunea standard).

De la 18650 la 4680, apoi CTP/CTC: eficiență volumetrică și risc de celule mari

Pe lângă materiale, îmbunătățirile arhitecturale au contribuit la „comprimarea” unei cantități mai mari de energie în același volum. Primul Tesla Model S a folosit o structură de tip celulă-modul-pachet: fiecare modul conținea aproximativ 444 de celule 18650, echipate cu propriul BMS și conducte de răcire; un pachet putea avea 16 module, cu materiale rezistente la foc. Tendința de atunci a fost de a reduce și elimina modulele (CTP – Cell to Pack) și de a le integra profund (CTC – Cell to Chassis).

Dimensiunea celulelor cilindrice a crescut de la 18650 la 21700 și, respectiv, 4680; pe partea cubică, BYD a optimizat Blade pentru a crește rata de utilizare a volumului cu aproximativ 50%, reducând capacitatea celulei de la 135 Ah la peste 200 Ah. CATL cu Qilin a dus rata de utilizare a volumului la 72%, depășind pragul de 63% de 4680; Soluțiile CTC sunt introduse în producția de masă între 2022 și 2023, respectiv.

Dezavantajul: celulele de capacitate mare, atunci când se confruntă cu un scurtcircuit intern, pot difuza rapid căldura, formând puncte fierbinți și o reacție termică în lanț mai intensă. Prin urmare, timpul de la producerea fumului până la aprindere este foarte scurt și dificil de controlat. Pe lângă celulă, procesul de ambalare a pachetului este, de asemenea, un punct de risc: NIO a rechemat 4.803 de mașini ES8 în 2019 din cauza cablajului de înaltă tensiune necorespunzător din pachet.

Cursa încărcării rapide 800V–10C: o experiență mai bună, o marjă de siguranță mai mică

Puterea de încărcare = tensiune × curent. Prima generație de mașini de 400V avea rate de încărcare sub 1C. Tesla a crescut treptat puterea supraalimentatorului de la 90 kW (V1) la 250 kW (V3), adăugând aproximativ 250 km de autonomie după 15 minute de încărcare și la rate de 2–2,5C.

Porsche Taycan a fost pionier în platforma de 800V cu o capacitate de încărcare rapidă de 270 kW: creșterea tensiunii reduce pierderile de curent și de căldură, îmbunătățind siguranța în timpul încărcării de mare putere. Producătorii chinezi au ajuns rapid din urmă platforma de 800V, ridicând bateria la 4°C sau mai mult; pe piață au apărut capacități de încărcare care depășesc 400 kW. În 2023, Li Auto MEGA a anunțat utilizarea CATL Qilin 5C, cu o capacitate maximă de peste 500 kW. BYD a declarat că capacitatea de încărcare la 10°C este „10 minute suficiente pentru 600 km”; conform testelor din industrie, curentul maxim de 10°C durează doar pentru o perioadă foarte scurtă de timp.

În schimb, cerințele de izolație, protecție și stingere a arcului cresc dramatic; curentul instantaneu de scurtcircuit este mai mare, iar reacția termică poate fi mai intensă. La curenți mari, ionii de litiu se încorporează/separă rapid, provocând generarea de căldură și promovând dendritele, scurtând durata de viață. Conform cotației din septembrie a lui Li Bin (NIO), căutarea supraîncărcării are un cost, inclusiv durata de viață a bateriei. NIO folosește încărcarea lentă la stațiile de schimbare a bateriilor, vizând o durată de viață de 85% în 15 ani. „Imaginați-vă că după 8 ani de utilizare a mașinii, trebuie să cheltuiți 80.000 sau 100.000 de yuani (11-14.000 de dolari) pentru a înlocui bateria... acesta este un cost inacceptabil de mare.”

Etape de încărcare rapidă și bază de tensiune (în funcție de sursă)

Sistem/vehicul	Masă/tensiune	Putere maximă	Nota
Superîncărcător Tesla V1 → V3	~400V	90 kW → 250 kW	~250 km/15 minute; viteză 2–2,5°C
Porsche Taycan	800V	270 kW	Reduce pierderile de curent și căldură
Multe companii chineze	800V	>400 kW	Baterie 4C sau mai mare
Li Auto MEGA + CATL Qilin 5C	800V	>500 kW	Anunțat în 2023
Încărcător BYD 10C	—	—	10 min ~600 km; curentul de 10°C durează foarte puțin (conform testelor din industrie)

Soluții tehnice actuale: răcire, separare termo-electrică, optimizare BMS

Înainte ca bateriile în stare solidă să ajungă la scară industrială, optimizarea bateriilor lichide continuă să fie direcția principală:

CATL Qilin plasează o placă de răcire cu lichid între celule pentru a crește schimbul de căldură; dispune o supapă de suprapresiune în partea de jos a celulei, separată de polul pozitiv/negativ din partea superioară pentru „separarea căldură-electricitate”.
Electrodul negativ acoperit cu grafit cu granulație fină accelerează imersia ionilor, permite încărcarea rapidă și reduce riscul de „placare cu litiu”.
Forma alungită-subțire a BYD Blade este benefică pentru disiparea căldurii; configurația densă creează un efect de susținere structurală, reducând necesitatea grinzilor transversale/longitudinale tradiționale. Cu toate acestea, există încă îngrijorări cu privire la îndoirea ultra-lungă a celulelor în caz de accident.
BMS este îmbunătățit cu monitorizare în timp real a tensiunii, curentului, temperaturii; întreruperea circuitului și alarma în caz de anomalie. Cu toate acestea, scurtcircuitul instantaneu poate depăși viteza de eșantionare/răspuns.

Baterii în stare solidă: potențial ridicat, obstacole mari

Bateriile în stare solidă sunt în dezvoltare de trei decenii, dar încă nu au ajuns la producția la scară industrială din cauza provocărilor legate de cercetare și dezvoltare, a proceselor și a costului tranziției de la ecosistemul existent al bateriilor lichide. Majoritatea producătorilor auto și de baterii nu sunt pregătiți să facă investiții mari în acest moment.

Concluzie: Nu există siguranță absolută, ci doar o curbă de învățare.

Un pachet de baterii bine echilibrat este o combinație de materiale, arhitectură, procese și BMS. În cursa pentru performanță, investițiile în siguranță trebuie să crească proporțional, iar informațiile către utilizatori trebuie să fie sincere, evitând ascunderea diferențelor de risc.

Producătorii își propun să reducă rata de defecțiune la ppb (părți per miliard). Cu toate acestea, pentru utilizatori, un accident „la un miliard” este totuși 100% atunci când se întâmplă. Fiecare accident este atât un avertisment, cât și date pentru optimizare, la fel cum Tesla și-a îmbunătățit BMS-ul prin combustii spontane timpurii; producătorii chinezi de automobile și baterii urmează, de asemenea, o cale similară de învățare și îmbunătățire.

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