Ak ste sa podieľali na testovaní bezpečnosti batérií, pravdepodobne ste sa stretli s 82L Battery Thermal Runaway Gas Evolution Chamber – kompaktným, často citovaným pracantom na meranie emisií plynov počas tepelného úniku (TR) v lítium-iónových článkoch. Ako dodávateľ špecializovaného zariadenia na testovanie batérií som videl, že túto komoru používajú laboratóriá, výrobcovia OEM elektrických vozidiel a výrobcovia materiálov na batérie, ktorých zaujala jej malá plocha a možnosti cieleného testovania. Ale v priebehu rokov podpory klientov a zdokonaľovania našich vlastných produktových radov som tiež pozoroval konzistentné, nedostatočne diskutované nevýhody, ktoré môžu skresliť testovacie údaje, obmedziť škálovateľnosť a dokonca predstavovať bezpečnostné riziká, ak sa s nimi nepočíta. V tomto príspevku rozoberiem tieto nevýhody, podelím sa o skutočné skúsenosti klientov a uvediem do kontextu, ako zapadajú do širšieho prostredia nástrojov na tepelné testovanie batérií, od väčšieho 10MW systému na testovanie tepelného uvoľnenia batérie až po menšie špecializované jednotky, ako je systém analýzy plynovej chromatografie.
Najprv to uzemnime v tom, na čo je komora s objemom 82 l navrhnutá: je to utesnený pevný kryt dimenzovaný na uchytenie jednotlivých lítium-iónových článkov (zvyčajne 18650, 21700 alebo malých vrecových článkov), keď prechádzajú tepelným únikom. Cieľom je zachytiť všetok plyn generovaný počas TR, zmerať jeho objem a zloženie a posúdiť jeho horľavosť – kritické údaje pre navrhovanie batérií, predchádzanie výbuchom a súlad s normami ako UN 38.3 a SAE J2464. Kompaktná veľkosť je predajným argumentom: hodí sa na pracovný stôl, používa menej inertného plynu a jeho prevádzka je lacnejšia ako testovacie zostavy v plnom rozsahu. Ale práve tá kompaktnosť je miestom, kde začínajú jeho najväčšie nedostatky.
Prvou veľkou nevýhodou sú nekonzistentné gradienty miešania plynu a koncentrácie, čo je problém umocnený malým objemom komory. Počas tepelného úniku bunky uvoľnia výbuch plynu v priebehu milisekúnd – často 1 až 5 litrov na jeden článok 21700, koncentrovaný vo vysokoteplotnom vysokotlakovom prúde. V komore s objemom 82 l nemá táto dávka dostatok priestoru na rovnomerné rozptýlenie predtým, ako porty na odber vzoriek alebo snímače plynu odčítajú údaje. Raz som mal u klienta, malého laboratória pre výskum a vývoj batérií, vykonať test na 10 rovnakých článkoch 21700 NMC; ich hodnoty zloženia plynu sa líšili až o 18 % pre horľavé zložky ako metán a etylén. Keď sme sa zahĺbili do údajov, uvedomili sme si, že ich vzorkovací otvor bol umiestnený 2 palce od miesta, kde bol umiestnený ventilačný otvor bunky, takže prvý plyn, ktorý unikol, bol meraný v takmer čistej koncentrácii, zatiaľ čo zvyšok komory mal stále zriedený plyn. Väčšie komory, ako je 1MW Battery Thermal Release Test System, majú dlhšie časy miešania a vstavané miešacie ventilátory na elimináciu týchto gradientov, ale dodatočná montáž ventilátorov na 82L nie je praktická – do jeho malého interiéru sa nedá umiestniť ventilátor bez narušenia umiestnenia článkov alebo vytvorenia nerovnomerného tlaku. Táto nekonzistentnosť znamená, že výsledky testov z 82L komory často nie sú porovnateľné v rôznych laboratóriách alebo dokonca opakované testy v tom istom laboratóriu, čo je veľký problém pre výrobcov, ktorí potrebujú konzistentné údaje pripravené na audit.
Po druhé, komore s objemom 82 l chýba škálovateľnosť a flexibilita na testovanie väčších článkov alebo komponentov batérie. Aj keď to funguje dobre pre malé valcové články, takmer všetky moderné EV a akumulátory na ukladanie energie používajú veľkoformátové články (100 Ah, 200 Ah alebo väčšie), ktoré dokážu počas tepelného úniku generovať viac ako 20 litrov plynu – viac ako dvojnásobok toho, čo môže bezpečne obsahovať 82-litrová komora. Mal som klientov, ktorí sa pokúšali natlačiť veľké vreckové bunky do 82-litrovej komory, len aby sa predčasne spustil tlakový poistný ventil komory, čím sa uvoľnil cenný plyn predtým, ako sa dá analyzovať. Dokonca aj pre stredne veľké bunky nie je možné testovať paralelne viacero buniek (na napodobnenie správania TR na úrovni balenia) v 82L komore; pridanie dvoch 10Ah vrecových článkov by zabralo viac ako polovicu vnútorného priestoru a nezostalo by žiadne miesto na odber vzoriek plynu alebo snímače teploty. Toto obmedzenie núti výskumníkov extrapolovať údaje z jednej bunky na úrovne balenia, čo je skok, ktorý často vedie k poddizajnovaným bezpečnostným systémom. Pre klientov, ktorí potrebujú testovanie plynu na úrovni balenia, musia 82-litrovú komoru spárovať s doplnkovými nástrojmi, ako je Battery Pack Fire Jet Test Machine, čo však zvyšuje náklady a zložitosť pracovného postupu – niečo, čomu by sa dalo vyhnúť s komorou s rozmermi pre články väčšieho formátu.
Treťou kritickou nevýhodou je obmedzená integrácia analýzy plynov, ktorá priamo súvisí s malým dizajnom 82L. Väčšina laboratórií používajúcich 82-litrovú komoru sa spolieha na externé nástroje na analýzu zachyteného plynu, ale vzorkovacích portov komory je príliš málo a príliš malé na to, aby mohli privádzať údaje do vysoko presných systémov, ako je systém analýzy plynovej chromatografie. Klient, ktorý nedávno prešiel z 82L komory na väčšiu 500L jednotku, mi povedal, že strávil 30 % svojho celkového času testovania manuálnym prenosom vzoriek plynu zo zberného vrecka 82L do ich GC, pretože 82L má iba jeden 1/8-palcový vzorkovací port. Malý port tiež spomaľuje prietok plynu, čo znamená, že v čase, keď vzorka dosiahne GC, sa už rozptýlia ľahšie, prchavejšie plyny (ako vodík), čo vedie k podhodnoteným hodnotám horľavosti. Aj pri základných skúškach s nižšími medzami výbušnosti skresľuje malý objem 82L komory výsledky; štandardný test na dolnú medzu výbušnosti (LEL) vyžaduje presnú kontrolu koncentrácie plynu, ktorú 82L nedokáže dosiahnuť, pretože nedokáže upraviť zmesi plynov bez rizika pretlaku. Klienti, ktorí potrebujú presné údaje LEL, často musia použiť samostatnú jednotku, ako je tester limitu výbušnosti uvoľneného plynu, čím sa pridá ďalšie zariadenie a ďalší krok v ich testovacom pracovnom postupe.
Ďalšou často prehliadanou nevýhodou je bezpečnosť. Komora s objemom 82 l je navrhnutá pre malé články, ale tepelný únik aj pre malý článok môže generovať tlaky 10+ barov a teploty nad 800 °C – podmienky, na ktoré sú pevné steny komory a poistný ventil skonštruované. Jeho kompaktná veľkosť však znamená, že medzi testovacou bunkou, vykurovacími prvkami a vnútornými stenami komory nie je žiadna nárazníková zóna. V roku 2022 náš klient nahlásil menší incident, keď sa prieduch článku 18650 roztrhol priamo proti snímaču teploty v komore, čím sa snímač roztavil a poškodilo sa tesnenie komory. Väčšie komory majú hrubšie steny a väčšiu vzdialenosť medzi testovacím nastavením a komponentmi komory, ale malý interiér 82L to neumožňuje. Systém plnenia inertným plynom v 82-litrovej komore je navyše poddimenzovaný: pri testovaní vysokonapäťových článkov sa musí prečistiť kyslík, aby sa zabránilo sekundárnemu spaľovaniu, ale malá komora znamená, že naplnenie argónom trvá menej ako minútu a existuje vysoké riziko neúplného prečistenia. Toto riziko nie je hypotetické: iný klient mal v článku v 82-litrovej komore sekundárny výbuch v dôsledku zvyškového kyslíka, čo je problém, ktorý sa takmer nikdy nevyskytuje vo väčších komorách so špeciálnymi časovačmi čistenia a kyslíkovými senzormi.
Jednou poslednou nevýhodou sú dlhodobé náklady a konzistentnosť v súlade so štandardmi. Mnohé globálne bezpečnostné normy vyžadujú, aby sa pri testovaní vývoja plynu používali komory s minimálnymi prahovými hodnotami objemu, aby sa zabezpečila presnosť. Napríklad najnovšia revízia UN 38.3 (pre prepravu lítium-iónových batérií) špecifikuje, že testy emisií plynov musia používať komory dostatočne veľké na to, aby pojali aspoň 5-násobok objemu plynu uvoľneného počas tepelného úniku. Pre 5Ah vreckový článok je to 25L komora – takže 82L komora je technicky predimenzovaná pre testy s jedným malým článkom, ale problém nastáva pri testovaní väčších článkov alebo pri splnení prísnejších regionálnych noriem, ako je napríklad čínsky GB 38031 pre EV batérie. Laboratóriá, ktoré používajú iba 82L komoru, musia často opakovať testy vo väčších, vyhovujúcich nastaveniach, čím strácajú čas a zdroje. Videl som výrobcu batérií vynaložiť 120 000 dolárov na prepracovanie, pretože ich údaje o 82L komore nespĺňali nové požiadavky UN 38.3 na objem, čo ich nútilo použiť na konečnú certifikáciu testovací systém v plnom rozsahu, ako je 10MW Battery Thermal Release Test System.
Samozrejme, nič z toho neznamená, že 82-litrová batéria Thermal Runaway Gas Evolution Chamber je úplne zbytočná – pre počiatočné štádium výskumu a vývoja malých článkov je to rýchly a nákladovo efektívny spôsob, ako získať základné údaje. Ale pri zvažovaní jeho kompromisov je dôležité zvážiť, kde zaostáva, najmä keď sa technológia batérií posúva smerom k väčším článkom a testovaniu na úrovni balenia. Ako dodávateľ som spolupracoval s klientmi na riešení týchto medzier spárovaním 82-litrovej komory s doplnkovými nástrojmi: ak potrebujete presné údaje o zložení plynu, pridanie vyhradenej vzorkovacej linky na pripojenie k systému na analýzu plynovej chromatografie môže znížiť chyby pri manuálnom prenose vzorky. Pre škálovateľnosť vám kombinácia komory s testovacím zariadením Battery Pack Fire Jet Test Machine umožňuje extrapolovať údaje o plyne z jednej bunky na správanie na úrovni balenia bez toho, aby ste museli opakovať všetky testy. Na testovanie LEL vám použitie testera limitu výbušnosti uvoľneného plynu spolu s údajmi 82L poskytuje presné metriky horľavosti potrebné pre bezpečnostný návrh.
Na konci dňa najlepšie nastavenie testovania závisí od vášho prípadu použitia: ak testujete malé články pre prototypový výskum a vývoj, 82L komora je pevným východiskovým bodom. Ak však potrebujete škálovateľné údaje pripravené na audit pre komerčné batérie alebo certifikáciu, ich nevýhody často prevažujú nad kompaktnými výhodami. Pre tímy, ktoré chcú upgradovať alebo vybudovať kompletný testovací pracovný postup, ponúkame rad doplnkových systémov na riešenie týchto medzier, od nástrojov na testovanie plynov v malých článkoch až po kompletné testovacie zariadenia. Ak chcete zhodnotiť svoje súčasné nastavenie alebo diskutovať o tom, ako vytvoriť testovací proces, ktorý vyvažuje presnosť, škálovateľnosť a náklady, neváhajte a požiadajte o nezáväznú konzultáciu prispôsobenú vašim potrebám.
Referencie
- SAE International. (2021). SAE J2464: Bezpečnostný štandard pre elektrické a hybridné automobilové batérie.
- Organizácia spojených národov. (2022). UN 38.3: Skúšobná príručka a kritériá pre prepravu nebezpečného tovaru.
- Wang, Y., a kol. (2020). Charakteristiky vývoja plynu lítium-iónových batérií počas tepelného úniku: Vplyv objemu testovacej komory. Journal of Power Sources, 478, 228976.
- Medzinárodná elektrotechnická komisia. (2023). IEC 62660-2: Sekundárne lítium-iónové články pre trakciu – Časť 2: Bezpečnostné požiadavky.