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Protezione degli involucri per la batteria con sfiato a doppio stadio

Di Jake Sanders, responsabile dello sviluppo del prodotto, Integrated Venting Solutions di Donaldson

Con l'aumento dei veicoli elettrici e ibridi, le batterie agli ioni di litio svolgono un ruolo sempre più importante nel mondo automobilistico. Le batterie ricaricabili offrono un elevato rapporto di energia per unità di volume e possono essere disposte in modo efficiente in pacchi per alimentare i veicoli. A differenza delle batterie agli ioni di litio più piccole utilizzate nell'elettronica domestica, le batterie agli ioni di litio per autoveicoli necessitano di una robusta protezione da condizioni esterne ostili, insieme a un'adeguata ventilazione per le fluttuazioni di temperatura e pressione.

Lo sfiato di protezione dell'involucro a doppio stadio si è dimostrato efficace nel soddisfare le esigenze delle batterie per autoveicoli. Il primo stadio uniforma la pressione impedendo l'ingresso di acqua e contaminanti. Nel secondo stadio, lo sfiato si apre completamente in caso di accumulo rapido di pressione e calore per consentire la fuoriuscita di gas in espansione, impedendo ulteriori danni alle celle rimanenti. Nella maggior parte dei casi, un singolo assieme di ventilazione può svolgere entrambe le funzioni.

Perché è necessario lo sfiato di protezione dell'involucro
Figura 1: Un pacco batteria di un'automobile può contenere centinaia di celle.

Gli involucri della batteria sono in genere involucri di metallo o plastica sigillati progettati per proteggere la batteria da polvere, detriti e umidità, come pioggia, neve e getti dell'autolavaggio. Ognuno di questi elementi può danneggiare le celle della batteria e l'elettronica ausiliaria, quindi un involucro efficace mantiene questi materiali potenzialmente dannosi lontano dalla batteria. Un pacco batteria per un veicolo elettrico può avere centinaia di celle contenute all'interno di diversi moduli, come mostrato in Figura 1.

Oltre a tenere fuori i contaminanti, gli involucri delle batterie devono gestire gli scarti di pressione tra l'interno dell'involucro e l'atmosfera circostante. Lo scarto di pressione può fluttuare ampiamente durante il normale funzionamento del veicolo a causa delle variazioni della temperatura ambiente, della generazione di calore nelle celle e delle variazioni della pressione atmosferica. Proprio come un passeggero di un'automobile potrebbe avvertire un "scoppiettio alle orecchie" mentre attraversa un terreno montagnoso, gli involucri delle batterie subiscono fluttuazioni di pressione simili a quelle che si verificano quando cambia l'altitudine.

Per prevenire il collasso o la compromissione dell'involucro protettivo, è necessario ventilare gli involucri per uniformare la pressione interna e quella esterna, rilasciando allo stesso tempo i gas prodotti in un rapido accumulo di pressione spesso denominato "fuga termica". Se graduale o improvviso, l'accumulo di pressione può sollecitare le tenute, causando perdite e potenziali esplosioni.

È possibile comprendere meglio gli effetti della ventilazione esaminando l'interno di una batteria agli ioni di litio per autoveicoli. Un pacco batteria è generalmente costituito da due sezioni fissate insieme, con una guarnizione che sigilla il collegamento. Se l'involucro è ventilato in modo inadeguato, possono svilupparsi perdite dopo che l'involucro subisce molteplici scarti di pressione limitati. Considerando che i produttori di automobili elettriche a volte offrono garanzie di otto anni, ci si può aspettare che gli involucri delle batterie durino almeno così a lungo. Una corretta ventilazione riduce il numero e la gravità degli scarti di pressione subiti dalle tenute, prolungando l'aspettativa di vita delle tenute e degli involucri.

Sfiato di stadio uno
Figura 2: Le membrane in ePTFE, mostrate in rotolo a sinistra e ingrandite con un microscopio elettronico a scansione (SEM) a 5000x a destra, offrono una protezione dall'ingresso ma consentono il passaggio dei gas.

Lo sfiato di stadio uno, noto anche come sfiato passivo, si basa tipicamente su uno sfiato in politetrafluoroetilene espanso (ePTFE) per consentire l'uniformazione della pressione, impedendo al contempo l'ingresso di contaminanti nell'involucro. Le membrane ePTFE, come quelle mostrate in Figura 2, appaiono opache a occhio nudo e offrono protezione d'ingresso da acqua, polvere, solventi e altri contaminanti. Tuttavia, le aperture inferiori al micron nella membrana consentono il passaggio dei gas, uniformando le pressioni.

A seconda del tipo di esposizione al contaminante prevista, gli sfiati possono essere progettati per vari livelli di protezione da corpi estranei e/o umidità. Un tipico involucro della batteria potrebbe essere progettato per fornire protezione da polvere, immersione e spruzzi d'acqua ad alta pressione e per trattenere l'acqua a pressioni fino a 690 millibar.

È possibile vedere la riduzione degli scarti di pressione attraverso lo sfiato di stadio uno in Figura 3. Un alloggiamento della batteria esposto a un aumento di temperatura di 50 °C in 60 minuti, simulando approssimativamente un'auto avviata in una giornata fredda e guidata ad alta velocità, subirebbe scarti di pressione fino a 180 millibar senza sfiato. Un involucro con un assieme di sfiato di 50 mm di diametro subirebbe uno scarto inferiore a 10 millibar.

Figura 3: Lo sfiato di stadio uno (passivo) può ridurre drasticamente gli scarti di pressione.
Sfiato di stadio due

Mentre lo sfiato di stadio uno gestisce le variazioni graduali della pressione, potrebbe non essere in grado di gestire un rapido accumulo della pressione in un evento di fuga termica. Lo sfiato di stadio due, noto anche come sfiato attivo, è progettato per gestire queste situazioni, con uno sfiato che si apre completamente per consentire ai gas in rapida espansione di fuoriuscire in modo controllato, impedendo ulteriori danni alle celle rimanenti, nonché l'esplosione incontrollata dell'involucro stesso.

Lo sfiato di stadio due è spesso dotato di caratteristiche meccaniche integrate con membrana ePTFE per consentire un rapido degasaggio durante gli eventi termici, quando il gas si sta espandendo a una velocità che il materiale ePTFE non può uniformare passivamente. In sostanza, lo sfiato impedisce all'involucro di superare una pressione che provocherebbe un guasto catastrofico durante un evento di fuga termica, quando sono generati rapidamente gas e temperature elevate.

La Figura 4 mostra come un sistema di ventilazione passivo e attivo combinato può prevenire la rottura dell'involucro. Un involucro che si romperebbe a una pressione di 1.500 millibar potrebbe essere dotato di un sistema di ventilazione attiva che si apre a 500 millibar. Il sistema combinato limiterebbe lo scarto di pressione a circa 750 millibar, ben al di sotto della pressione di rottura. Senza ventilazione, l'involucro si romperebbe rapidamente.

Figura 4: Lo sfiato di stadio due (attivo) in combinazione con lo sfiato passivo può impedire la rottura dell'involucro.

Per incorporare la ventilazione di stadio due, i progettisti devono considerare la velocità con cui i gas saranno rilasciati e la pressione a cui lo sfiato si aprirà completamente. Lo sfiato deve quindi essere progettato per mantenere la pressione al di sotto della pressione esplosiva, che è essenzialmente la pressione massima che l'involucro può gestire prima di rompersi.

Un'altra considerazione progettuale è la pressione alla quale l'involucro potrebbe subire deformazione plastica, vale a dire, un cambiamento irreversibile della forma. Ciò produce danni indesiderati all'involucro, ma non necessariamente problemi di sicurezza. Sugli involucri metallici, la deformazione plastica si verifica a una pressione molto più bassa della pressione esplosiva. Sugli involucri di plastica, la deformazione plastica si verifica a una pressione più vicina alla pressione esplosiva. Di conseguenza, una corretta progettazione dello sfiato dovrebbe tenere conto della differenza tra il materiale degli involucri.

Quando si verifica una fuga termica, la batteria richiederà manutenzione e/o sostituzione. Lo sfiato di stadio due non si concentra sulla longevità della batteria, ma piuttosto sulla sicurezza. È necessario scaricare i gas per ridurre il calore, diffondendo gradualmente sostanze chimiche nocive per evitare nuvole ad alta concentrazione e detriti volanti che potrebbero provocare un'esplosione.

Sintesi/conclusione

Con le batterie agli ioni di litio che rappresentano i principali mezzi di propulsione dei veicoli elettrici, l'importanza di una corretta ventilazione diventa fondamentale. I sistemi di sfiato correttamente progettati forniscono protezione dai contaminanti insieme all'uniformazione della pressione durante le normali condizioni di funzionamento, portando a involucri e cicli di vita della batteria più duraturi. Nel raro caso in cui la batteria si stia esaurendo e la protezione da umidità e detriti sia meno importante, il sistema di ventilazione deve anche essere in grado di fornire sfiato immediato alla pressione, evitando potenziali esplosioni e altri esiti catastrofici. L'utilizzo dei sistemi di sfiato a doppio stadio è la chiave per gestire un'ampia gamma di esigenze di ventilazione automobilistica.

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Jake Sanders è il responsabile dello sviluppo del prodotto per il team Integrated Venting Solutions presso Donaldson Company. Sanders ha conseguito un BSME presso la University of Minnesota e un MBA presso la University of St. Thomas. Ha lavorato nel gruppo Integrated Venting Solutions di Donaldson per 12 anni, servendo i mercati automobilistico, dell'elettronica mobile, medico, dei sensori, dei dischi rigidi e della filtrazione e della ventilazione dei semiconduttori.
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