Ochrona obudów akumulatorów dzięki dwustopniowej wentylacji

Jake Sanders, kierownik ds. rozwoju produktu, Integrated Venting Solutions w firmie Donaldson

Wraz z rozwojem pojazdów elektrycznych i hybrydowych akumulatory litowo-jonowe odgrywają coraz ważniejszą rolę w świecie motoryzacji. Akumulatory charakteryzują się wysokim współczynnikiem energii do jednostki objętości; można je sprawnie dobierać w pakiety do zasilania pojazdów. W przeciwieństwie do mniejszych akumulatorów litowo-jonowych stosowanych w elektronicznych urządzeniach domowych, samochodowe akumulatory litowo-jonowe wymagają solidnej ochrony przed trudnymi warunkami zewnętrznymi, a także odpowiedniej wentylacji w przypadku wahań temperatury i ciśnienia.

Dwustopniowa wentylacja ochronna obudowy sprawdziła się w wypadku akumulatorów samochodowych. Pierwszy stopień wyrównuje ciśnienie, jednocześnie zapobiegając wnikaniu wody i zanieczyszczeń. Drugi stopień wentylacji otwiera się całkowicie w przypadku gwałtownego wzrostu ciśnienia i ciepła, aby umożliwić ulatnianie się rozprężających się gazów, zapobiegając dalszemu uszkodzeniu pozostałych ogniw. W większości przypadków pojedynczy zespół wentylacyjny może spełniać obie funkcje.

Dlaczego potrzebna jest wentylacja ochronna obudowy

Aby zapobiec zapadnięciu się lub uszkodzeniu powłoki ochronnej, obudowa musi być odpowietrzona w celu wyrównania ciśnienia wewnętrznego i zewnętrznego, jednocześnie uwalniając gazy wytwarzane podczas gwałtownego wzrostu ciśnienia, często nazywanego „niekontrolowanym wzrostem temperatury”. Stopniowe lub nagłe narastanie ciśnienia może obciążać uszczelnienia, prowadząc do nieszczelności i potencjalnych wybuchów.

Konkretne efekty odpowietrzania można lepiej zrozumieć, przeglądając wnętrze samochodowego akumulatora litowo-jonowego. Zestaw akumulatorów składa się zasadniczo z dwóch części połączonych ze sobą, z uszczelką uszczelniającą to połączenie. Jeśli obudowa jest niedostatecznie odpowietrzona, po wystąpieniu wielokrotnych, niewielkich różnic ciśnienia mogą pojawiać się nieszczelności. Ponieważ producenci samochodów elektrycznych czasami oferują ośmioletnie gwarancje, można oczekiwać, że obudowy akumulatorów wytrzymają co najmniej tyle samo. Właściwe odpowietrzenie zmniejsza liczbę i stopień różnic ciśnień działających na uszczelki, zwiększając żywotność samych uszczelek i obudów.

Wentylacja jednostopniowa

Można zaobserwować zmniejszenie różnic ciśnień przez odpowietrzanie jednostopniowe na rys. 3. W obudowie akumulatora narażonej na wzrost temperatury o 50°C w ciągu 60 minut, co w przybliżeniu oznacza samochód uruchomiony w zimny dzień i jadący z dużą prędkością, bez wentylacji występowałaby różnica ciśnień do 180 milibarów. W obudowie z zespołem wentylacyjnym o średnicy 50 mm występowałyby różnica poniżej 10 milibarów.

Wentylacja dwustopniowa

Choć wentylacja jednostopniowa obsługuje stopniowe zmiany ciśnienia, może nie obsłużyć szybkiego wzrostu ciśnienia w przypadku niekontrolowanego wzrostu temperatury. Wentylacja dwustopniowa, zwana również wentylacją aktywną, ma na celu poradzenie sobie z tymi sytuacjami dzięki otworowi wentylacyjnemu, który otwiera się całkowicie, umożliwiając kontrolowane odprowadzenie rozprężających się gazów, zapobiegając dalszemu uszkodzeniu pozostałych ogniw, a także niekontrolowanej eksplozji samej obudowy.

Wentylacja dwustopniowa jest często wyposażona w funkcje mechaniczne zintegrowane z membraną ePTFE, aby umożliwić szybkie odgazowanie podczas wzrostów temperatury, gdy gaz rozszerza się z szybkością, której materiał ePTFE nie może biernie wyrównać. Zasadniczo wentylacja zapobiega przekroczeniu ciśnienia w obudowie, które spowodowałoby katastrofalną awarię podczas niekontrolowanego wzrostu temperatury, gdy gazy i wysokie temperatury powstają w gwałtowny sposób.

Na rys. 4 przedstawiono, w jaki sposób połączony pasywny i aktywny system wentylacji może zapobiec pęknięciu obudowy. Obudowa, która pękłaby pod ciśnieniem 1500 milibarów, mogłaby być wyposażona w aktywny system wentylacji, który otwiera się przy ciśnieniu 500 milibarów. Połączony system ograniczyłby spadek ciśnienia do około 750 milibarów, znacznie poniżej ciśnienia rozrywającego. Bez odpowietrzania obudowa rozerwałaby się szybko.

Aby uwzględnić wentylację dwustopniową, projektanci muszą rozważyć szybkość uwolnienia gazów i ciśnienie, pod jakim wentylacja całkowicie się otworzy. Następnie trzeba zaprojektować wentylację, aby utrzymywała ciśnienie poniżej ciśnienia wybuchowego, które jest zasadniczo maksymalnym ciśnieniem, jakie może wytrzymać obudowa przed rozerwaniem.

Innym aspektem konstrukcyjnym jest ciśnienie, przy którym obudowa może ulec odkształceniu plastycznemu — nieodwracalnej zmianie kształtu. Powoduje to niepożądane uszkodzenie obudowy, ale niekoniecznie problemy związane z bezpieczeństwem. W metalowych obudowach odkształcenie plastyczne zachodzi przy znacznie niższym ciśnieniu niż ciśnienie wybuchowe. W obudowach plastikowych odkształcenie plastyczne zachodzi przy ciśnieniu zbliżonym do ciśnienia wybuchowego. W związku z tym właściwa konstrukcja wentylacji powinna uwzględniać różnicę w materiałach, z jakich wykonano obudowy.

Gdy wystąpi niekontrolowany wzrost temperatury, akumulator będzie wymagał serwisowania i/lub wymiany. Wentylacja dwustopniowa nie koncentruje się na żywotności akumulatora, ale raczej na bezpieczeństwie. Gazy należy odprowadzić, aby zmniejszyć ciepło, stopniowo rozpraszając szkodliwe substancje chemiczne w celu uniknięcia chmur o wysokim stężeniu oraz szczątków wyrzuconych w powietrze w trakcie wybuchu.

Podsumowanie i wnioski

Akumulatory litowo-jonowe stanowią główny element napędzający pojazdy elektryczne, dlatego też najważniejsza jest ich właściwa wentylacja. Odpowiednio zaprojektowane systemy wentylacji zapewniają ochronę przed zanieczyszczeniami wraz z wyrównaniem ciśnienia w normalnych warunkach pracy, co prowadzi do trwalszych obudów i dłuższych cykli życia akumulatora. W rzadkim przypadku, gdy akumulator wypala się, a ochrona przed wilgocią i zanieczyszczeniami jest mniej ważna, system wentylacji musi również zapewnić natychmiastowe zmniejszenie ciśnienia, pozwalające uniknąć potencjalnych wybuchów i innych katastrofalnych skutków. Korzystanie z wentylacji dwustopniowej jest kluczem do zaspokojenia szerokiego zakresu potrzeb związanych z wentylacją w przemyśle motoryzacyjnym.