Thermische runaway in batterijen voorkomen

De grootste bedreiging voor batterijen is thermische overstroming, waarbij de gegenereerde warmte de dissipatiesnelheid overschrijdt, wat een reeks exotherme reacties teweegbrengt. Dit kan leiden tot brand en een totale batterijstoring, waardoor andere voertuigonderdelen worden aangetast. Om thermische overstroming te voorkomen en te beperken, omvat het batterijontwerp compressiekussens, modulebehuizingen en batterijbehuizingen. Compressiekussens worden tussen de cellen geplaatst om de verspreiding van warmte te voorkomen, terwijl modulebehuizingen cellen groeperen om thermische overstroming binnen modules tegen te gaan. Ten slotte zijn deze modules ondergebracht in een batterijbehuizing om de andere onderdelen van het voertuig te beschermen tegen thermische overstromingseffecten.

Ontwerp van batterijbehuizing

Batterijbehuizingen voor elektrische voertuigen variëren aanzienlijk qua ontwerp, vorm en grootte, afhankelijk van het batterijtype, de koelingsvereisten, de moduledistributie en de toepassing. Over het algemeen bestaat een modulebehuizing uit:

1. Een basisbehuizing,

2. Een buitenmantel,

3. Een verbindingsplaat die interne en externe componenten met elkaar verbindt,

4. Een uitlaatklep voor drukbalans of gasafgifte tijdens thermische runaway.

Materiaalkeuze voor batterijbehuizingen

Materialen die voor batterijbehuizingen worden gebruikt, moeten hoge thermische prestaties, goede mechanische eigenschappen hebben en licht van gewicht zijn. Traditioneel hebben aluminium en staal de voorkeur vanwege hun hittebestendigheid en geschiktheid voor massaproductie. De massa van metalen materialen kan echter niet goed worden gecontroleerd, vooral niet bij hybride en elektrische voertuigen, waar een lagere voertuigmassa een hogere energiedichtheid en een groter bereik betekent. Momenteel kunnen batterijen tot 50% van de totale massa van een voertuig uitmaken.

Composiet materialen

Composietmaterialen bieden een lichtgewicht alternatief en kunnen in veel opzichten metalen overtreffen, hoewel ze complexer en duurder zijn. Een met koolstofvezel versterkte polymeerbehuizing, ontwikkeld voor motorsportklanten, verving bijvoorbeeld een aluminium behuizing van 6,7 kg (14,8 lbs) door een composietbehuizing van slechts 616 gram (1,35 lbs), waarmee een gewichtsvermindering van 91% werd bereikt. Thermohardende prepregs van koolstofvezel werden gebruikt vanwege hun hoge thermische en mechanische prestaties. Koolstofvezel zorgt voor sterkte en stijfheid, terwijl hoogwaardige harssystemen, zoals epoxy, vooraf zijn geïmpregneerd. Handmatige plaatsingsprocessen, lange uithardingstijden en de afhankelijkheid van autoclaven beperken echter de productie van prepreg-batterijbehuizingen.

Een ander voordeel van composietmaterialen is de mogelijkheid om de vezeloriëntatie te optimaliseren om te voldoen aan de specifieke belastingsvereisten van elke batterijbehuizing. Eindige elementenanalyse (FEA) wordt veelvuldig gebruikt in het ontwerpproces om de vezelrichting en het vereiste aantal lagen te bepalen, waardoor een hoge stijfheid en sterkte wordt gegarandeerd met behoud van een laag gewicht. De isotrope eigenschappen van metaal bieden nog steeds voordelen, die vaak worden gebruikt rond boutverbindingen om extra sterkte en stijfheid te bieden. Software zoals Hypermesh en Optistruct simuleren de anisotrope composietmaterialen van batterijbehuizingen.

Elektrische isolatie

Elektrische isolatie is een andere overweging bij het ontwikkelen van batterijbehuizingen. Omdat koolstofvezel geleidend is, zijn glasvezellagen in het laminaat geïntegreerd om specifieke elektronische componenten te isoleren.

Certificering

Om de thermische prestaties van batterijen en behuizingen te garanderen, moeten ze verschillende veiligheidstests en normen voor certificering doorstaan. De eerste norm is UN38.8, die de veiligheid van lithiumbatterijen tijdens transport garandeert door middel van acht tests, waaronder hoogtesimulatie, thermische tests, trillingen, schokken, externe kortsluiting, stoten en pletten, overladen en geforceerde ontlading. Batterijen moeten ook worden gecertificeerd onder ECE R100 REV2, waarin de noodzakelijke tests worden beschreven voor lithiumbatterijen die zijn geïnstalleerd in vierwielige elektrische voertuigen voor het vervoer van mensen of goederen. In de luchtvaart moeten andere normen zoals DO311A en DO160G in overweging worden genomen.

Thermische simulatie van de batterij

Voor batterijbehuizingen moeten composietmaterialen voldoen aan de UL94-veiligheidsnormen voor ontvlambaarheid, waarbij verschillende oppervlakte-, verticale en horizontale brandtests worden uitgevoerd. Gedurende een bepaalde periode worden gecontroleerde vlammen meerdere keren op het materiaal aangebracht, en de voortdurende brandtijd van het materiaal, evenals tekenen van doorbranden of vlammende druppels, bepalen of het voldoet aan de V0-, V1- of V2-classificaties van UL94. Hoe sneller de vlam zelf dooft, hoe sterker de weerstand van het materiaal, waarbij V0 de hoogste beoordeling heeft en binnen 10 seconden dooft zonder vlammende druppels.