In breve: prevenire la propagazione del thermal runaway richiede sia test di abuso conformi sia un'architettura del pacco in grado di contenere il calore, le fiamme, la pressione e i gas provenienti da una cella guasta. Per le applicazioni aerospaziali, RTCA DO-311A è un riferimento centrale; in altri settori vengono comunemente applicati standard quali UL 2580, IEC 62619, UL 9540A e requisiti specifici per veicoli o applicazioni industriali. Nessun singolo standard è applicabile universalmente: lo standard richiesto dipende dall'applicazione, dalla chimica, dall'installazione e dalla giurisdizione della batteria.
L'obiettivo essenziale della progettazione non è semplicemente prevenire il guasto della prima cella, ma impedire che tale guasto diventi un evento a livello di pacco. Ciò richiede protezione a livello di cella, isolamento termico, sfiato controllato dei gas, strutture ignifughe, interruzione dei guasti elettrici e test di abuso convalidati.
Cosa Deve Impedire la Progettazione
Trasferimento di calore da cella a cella
Una cella guasta può trasferire calore attraverso la conduzione diretta, i gas caldi, le fiamme e il riscaldamento radiativo. Il pacco deve quindi limitare il flusso di calore verso le celle adiacenti e impedire che le celle vicine raggiungano le proprie soglie di thermal runaway.
Tra le misure efficaci rientrano le barriere termiche, la spaziatura controllata, i materiali strutturali a bassa conducibilità e l'isolamento localizzato attorno alle interfacce più vulnerabili tra le celle. La progettazione deve essere convalidata utilizzando il formato effettivo delle celle, la spaziatura, la compressione, la configurazione di raffreddamento e i materiali dell'involucro.
Propagazione di fiamme e particelle incandescenti
L'involucro del pacco dovrebbe resistere all'innesco e impedire che fiamme o particelle incandescenti entrino direttamente in contatto con celle adiacenti, cablaggi, isolanti o componenti strutturali combustibili.
Le progettazioni utilizzano comunemente alloggiamenti ignifughi o resistenti al fuoco, barriere interne, sbarre collettrici protette e moduli compartimentati. La sola selezione dei materiali non è sufficiente se aperture di sfiato, giunzioni, passaggi dei cavi o dispositivi di fissaggio offrono un percorso incontrollato alla propagazione delle fiamme.
Gestione della pressione e dei gas
Il thermal runaway può generare grandi quantità di gas caldi, infiammabili e talvolta tossici. Un involucro sigillato può trasformare questa generazione di gas in una rottura causata dalla pressione.
L'assemblaggio dovrebbe includere canali dedicati per il degasaggio, dispositivi di limitazione della pressione e percorsi di scarico che dirigano i gas lontano dalle persone, dall'elettronica critica, dalle celle adiacenti e dalle strutture del veicolo o dell'aeromobile. I percorsi di sfiato non devono reindirizzare involontariamente fiamme o gas caldi verso un altro modulo.
Escalation dei guasti elettrici
I guasti elettrici possono generare il calore che innesca il thermal runaway oppure intensificare il guasto di una cella già danneggiata. Il pacco richiede quindi una protezione coordinata a livello di cella, modulo e sistema.
Le misure tipiche includono fusibili per celle, dispositivi di interruzione della corrente, elementi PTC, percorsi circuitali ridondanti, contattori, protezione elettronica dalle sovracorrenti e monitoraggio continuo della tensione e della temperatura. Il BMS non dovrebbe essere considerato l'unica barriera, poiché un evento di thermal runaway può danneggiare sensori, cablaggi o componenti elettronici di controllo.
Caratteristiche di Progettazione Strutturale Richieste
Isolamento a livello di cella
Ogni cella dovrebbe avere una strategia definita di protezione termica ed elettrica. Questa può includere separatori, dispositivi PTC, dispositivi di interruzione della corrente, fusibili, interfacce di sfiato e barriere termiche locali.
La progettazione deve tenere conto della specifica modalità di guasto del formato della cella. Le celle cilindriche, pouch e prismatiche rilasciano calore e gas in modo diverso, pertanto una progettazione di barriera o di sfiato convalidata per un formato non può essere automaticamente trasferita a un altro.
Compartimentazione a livello di modulo
I moduli dovrebbero limitare il numero di celle esposte al guasto di una singola cella. Partizioni fisiche, barriere resistenti al fuoco e distanze controllate possono rallentare la propagazione e preservare l'isolamento tra le sezioni elettriche.
Una struttura modulare contribuisce inoltre a impedire che un evento localizzato disabiliti l'intero pacco. Tuttavia, le partizioni devono essere compatibili con i percorsi di raffreddamento, l'accesso per la manutenzione, le tolleranze di assemblaggio e lo scarico della pressione.
Gestione termica
I sistemi di raffreddamento dovrebbero mantenere le celle entro il loro normale intervallo operativo e ridurre i gradienti di temperatura sull'intero pacco. A seconda dell'applicazione, possono essere utilizzati il raffreddamento a liquido, il raffreddamento ad aria forzata, i diffusori di calore e i materiali per interfacce termiche.
Il raffreddamento è una misura preventiva, non una misura completa di controllo della propagazione. Dopo che si è verificato un cortocircuito interno, potrebbe non riuscire a rimuovere il calore del thermal runaway abbastanza rapidamente; pertanto, le barriere dedicate e la gestione degli sfiati rimangono necessarie.
Integrità dell'involucro
L'involucro esterno deve resistere ai carichi meccanici e termici associati agli scenari di abuso definiti. Dovrebbe impedire l'espulsione pericolosa di frammenti, proteggere le apparecchiature adiacenti e mantenere una distanza di sicurezza dagli occupanti.
L'involucro deve inoltre gestire espansione, scarico della pressione, cicli termici, vibrazioni, carichi d'urto, protezione dall'ingresso di agenti esterni e variazioni di produzione. Un involucro rigido privo di una strategia controllata di scarico della pressione può aumentare il pericolo invece di ridurlo.
Separazione sicura dei sistemi critici
I conduttori ad alta tensione, i controlli a bassa tensione, le linee di raffreddamento, i sensori e i cablaggi di comunicazione dovrebbero essere instradati in modo tale che un evento a carico di una singola cella non disabiliti tutte le funzioni di protezione.
Le funzioni critiche di rilevamento e interruzione possono richiedere separazione fisica, ridondanza o comportamento fail-safe. L'obiettivo è preservare la capacità di isolare il pacco anche se una regione ha subito danni termici, meccanici o causati da fumo o fiamme.
Quali Standard e Metodi di Test Sono Importanti
RTCA DO-311A per le batterie aerospaziali
RTCA DO-311A riguarda la sicurezza delle batterie ricaricabili al litio e dei sistemi batteria nelle applicazioni aeronautiche. È particolarmente rilevante nei casi in cui un guasto della batteria non debba creare un pericolo inaccettabile per l'aeromobile.
L'approccio alla sicurezza dello standard include la valutazione di condizioni elettriche, termiche, meccaniche e ambientali anomale. I programmi aerospaziali dovrebbero utilizzare la base di certificazione applicabile al livello dell'aeromobile insieme a DO-311A, invece di considerare DO-311A un requisito universale per ogni pacco agli ioni di litio.
UL 9540A per la caratterizzazione della propagazione e degli incendi
UL 9540A è un metodo di test per valutare la propagazione degli incendi dovuti al thermal runaway nei sistemi di accumulo dell'energia a batteria. Caratterizza il comportamento a più livelli, procedendo generalmente dalla cella al modulo, all'unità e alla valutazione su scala di installazione, secondo necessità.
È utile per determinare se i gas, il calore, le fiamme e la pressione provenienti da una cella guasta possano causare propagazione. È un metodo di test, non uno standard completo di certificazione del prodotto.
UL 2580 per i pacchi batteria dei veicoli elettrici
UL 2580 è ampiamente utilizzato per le batterie destinate ai veicoli elettrici. Valuta i pericoli associati a condizioni elettriche, meccaniche, termiche e di abuso, inclusi la costruzione del sistema batteria e i dispositivi di protezione.
Il programma di test esatto dipende dalla configurazione del prodotto e dal percorso di certificazione. I produttori di veicoli possono inoltre richiedere test aggiuntivi per urti, vibrazioni, esposizione all'acqua, guasti di ricarica e isolamento elettrico post-incidente.
IEC 62619 per le batterie al litio industriali
IEC 62619 riguarda i requisiti di sicurezza per celle e batterie al litio secondarie utilizzate nelle applicazioni industriali. È rilevante per i sistemi batteria stazionari, di trazione, robotici e per altri sistemi industriali, in base all'uso previsto del prodotto.
Dovrebbe essere applicato insieme alle normative regionali e ai requisiti di installazione. I pacchi industriali possono avere requisiti diversi in materia di propagazione, involucro, accesso e risposta agli incendi rispetto alle batterie per veicoli o aeromobili.
UN 38.3 per la qualificazione al trasporto
UN 38.3 è principalmente un requisito di test per il trasporto. Riguarda i pericoli associati alla spedizione di celle e batterie al litio, inclusi la simulazione dell'altitudine, i cicli termici, le vibrazioni, gli urti, il cortocircuito esterno, l'impatto o lo schiacciamento, la sovraccarica ove applicabile, e la scarica forzata ove applicabile.
È importante, ma non dimostra che un pacco ad alta densità impedirà la propagazione del thermal runaway durante il funzionamento. La conformità ai requisiti di trasporto non può sostituire i test di abuso e di propagazione a livello di pacco.
Test meccanici ed elettrici specifici per l'applicazione
A seconda del prodotto, possono essere applicati standard aggiuntivi. Tra gli esempi rientrano i requisiti per veicoli, applicazioni aerospaziali, sistemi di accumulo stazionari, applicazioni marine, dispositivi medicali ed elettronica di consumo.
Il piano di test dovrebbe comprendere cortocircuito esterno, sovraccarica, sovrascarica, scarica forzata, schiacciamento, penetrazione con chiodo o simulazione di cortocircuito interno, impatto, vibrazioni, cicli termici, guasto del raffreddamento, guasto dei sensori e guasti del caricabatterie o del BMS laddove pertinenti alla valutazione del rischio.
Come Dovrebbero Essere Condotti i Test di Propagazione
Iniziare con la caratterizzazione della cella
Prima di eseguire i test sul pacco, è necessario determinare il comportamento termico ed elettrico della cella in caso di guasto. La calorimetria a velocità accelerata e la calorimetria differenziale a scansione possono contribuire a misurare autoriscaldamento, rilascio di calore, inizio delle reazioni e transizioni termiche.
I test dovrebbero utilizzare celle di produzione rappresentative, non soltanto campioni di laboratorio ideali. La chimica, lo stato di carica, l'invecchiamento, le variazioni di produzione e l'impedenza della cella possono influire significativamente sul risultato.
Testare la posizione della cella con il rischio peggiore credibile
Un innesco su una singola cella dovrebbe essere collocato nelle posizioni con maggiore probabilità di causare propagazione. Queste possono includere il centro di un modulo densamente impacchettato, una cella adiacente a un percorso di sfiato, una cella vicina a materiali combustibili o una cella con il raffreddamento meno efficace.
Testare soltanto la cella più facile da raffreddare o più accessibile può portare a conclusioni fuorvianti. La posizione dell'innesco selezionata dovrebbe essere giustificata mediante modellazione termica, analisi dei pericoli e ispezione fisica del pacco.
Misurare più della sola temperatura
La temperatura è necessaria, ma non sufficiente. I test dovrebbero registrare tensione della cella, corrente, temperature superficiali e interne ove possibile, pressione, rilascio di gas, fiamme, fumo, direzione dello sfiato, deformazione strutturale e isolamento elettrico.
Il test dovrebbe stabilire se le celle adiacenti rimangono stabili, se i dispositivi di protezione interrompono la corrente di guasto e se l'involucro contiene o reindirizza l'evento in sicurezza.
Verificare la configurazione completa del sistema
I risultati della propagazione dipendono dall'assemblaggio completo. Il campione di test dovrebbe includere le celle destinate alla produzione, le sbarre collettrici, i fusibili, il BMS, il sistema di raffreddamento, l'involucro, le barriere, i dispositivi di fissaggio, le guarnizioni, i percorsi di sfiato e uno stato di carica rappresentativo.
Una barriera testata separatamente può comportarsi diversamente dopo compressione, invecchiamento, esposizione al refrigerante, vibrazioni o integrazione in un modulo confinato. I test a livello di componente sono utili per lo sviluppo, ma non possono sostituire i test rappresentativi sul pacco.
Comprendere i Compromessi
Un maggiore isolamento può ridurre le prestazioni di raffreddamento
Le barriere termiche possono rallentare la propagazione, ma possono anche intrappolare il calore durante il normale funzionamento. Una progettazione altamente isolata può sviluppare gradienti di temperatura maggiori o richiedere una maggiore capacità di raffreddamento.
La soluzione corretta è generalmente l'isolamento selettivo: fornire una protezione forte tra celle o moduli mantenendo al contempo un percorso termico intenzionale per il normale funzionamento verso il sistema di raffreddamento.
La sigillatura del pacco può aumentare il rischio legato alla pressione
Un alloggiamento sigillato può migliorare la protezione dall'ingresso di agenti esterni e il contenimento, ma può anche consentire un rapido accumulo di pressione durante lo sfiato. Lo scarico della pressione deve essere progettato, anziché essere lasciato a una rottura accidentale lungo una giunzione o un coperchio.
Le uscite di sfiato dovrebbero essere valutate in base a fiamme, tossicità dei gas, riaccensione e direzione dello scarico, non soltanto in base alla capacità di gestione della pressione.
Una chimica a rischio inferiore non elimina il rischio di propagazione
Le chimiche come LFP generalmente mostrano una maggiore stabilità termica rispetto ad alcune chimiche a base di ossidi metallici ad alta energia, ma nessuna chimica agli ioni di litio dovrebbe essere considerata immune alla propagazione.
La densità del pacco, lo stato di carica, la costruzione della cella, i danni meccanici, i guasti di ricarica e la progettazione dell'involucro possono comunque produrre eventi pericolosi.
I limiti di temperatura non costituiscono una protezione sufficiente
Le temperature di normale funzionamento dovrebbero essere controllate in modo conservativo, ma la sola temperatura non costituisce un metodo primario adeguato per il controllo della carica o il rilevamento dei guasti. I cortocircuiti interni e il rapido riscaldamento possono svilupparsi più velocemente di quanto un sensore distribuito possa rilevare.
La protezione dovrebbe combinare il monitoraggio della tensione, la misurazione della corrente, una logica di sovracorrente a più soglie, il rilevamento termico e dispositivi di interruzione indipendenti.
I test di abuso in laboratorio non equivalgono automaticamente alla certificazione
I test di schiacciamento, penetrazione con chiodo, ARC, DSC e sovraccarica sono potenti strumenti di ingegneria. Aiutano a identificare le soglie di guasto e a confrontare le progettazioni, ma la certificazione dipende comunque dallo standard applicabile, dal metodo di test, dal laboratorio accreditato, dalla configurazione e dall'autorità competente.
Scegliere la Soluzione Giusta per il Proprio Obiettivo
La base progettuale e di test richiesta dovrebbe essere stabilita attraverso un'analisi formale dei pericoli e messa in relazione con il mercato e l'installazione previsti.
- Se l'obiettivo principale è la certificazione aerospaziale: utilizzare RTCA DO-311A insieme alla base di certificazione applicabile all'aeromobile e dimostrare uno sfiato controllato, l'isolamento termico, la protezione elettrica e un comportamento sicuro dopo guasti rappresentativi a livello di cella e di pacco.
- Se l'obiettivo principale sono i veicoli elettrici: utilizzare i requisiti applicabili alle batterie per veicoli, che comunemente includono UL 2580 o equivalenti regionali, insieme a test di urto, vibrazione, abuso elettrico, guasto del raffreddamento e propagazione.
- Se l'obiettivo principale è l'accumulo stazionario di energia: utilizzare UL 9540A per caratterizzare il comportamento della propagazione e dell'incendio, insieme ai requisiti applicabili di certificazione del sistema e dell'installazione.
- Se l'obiettivo principale sono le apparecchiature industriali: valutare IEC 62619 e i requisiti regionali pertinenti, adattando i test meccanici, ambientali e di propagazione ai pericoli operativi dell'apparecchiatura.
- Se l'obiettivo principale è il trasporto: completare UN 38.3, ma non considerare la qualificazione al trasporto come prova del contenimento operativo del thermal runaway.
- Se l'obiettivo principale è lo sviluppo del prodotto: combinare calorimetria delle celle, test di schiacciamento e penetrazione, test di abuso elettrico e test rappresentativi di propagazione a livello di modulo o pacco prima di finalizzare barriere, percorsi di sfiato e protezioni del BMS.
Una progettazione di batteria ad alta densità difendibile è quella in cui il guasto della prima cella viene rilevato, isolato elettricamente, contenuto termicamente e sfiatato in sicurezza prima che possa trasformarsi in un guasto a livello di pacco.
Tabella Riepilogativa:
| Caratteristica di progettazione | Finalità | Esempi di misure |
|---|---|---|
| Isolamento a livello di cella | Prevenire il trasferimento di calore alle celle adiacenti | Barriere termiche, spaziatura, isolamento |
| Compartimentazione a livello di modulo | Limitare la propagazione del guasto all'interno del pacco | Partizioni resistenti al fuoco, distanze |
| Gestione termica | Mantenere le temperature normali e ridurre i gradienti | Raffreddamento a liquido, diffusori di calore |
| Integrità dell'involucro | Contenere fiamme e pressione e proteggere l'ambiente circostante | Scarico della pressione, alloggiamento ignifugo |
| Separazione sicura | Proteggere i sistemi critici dai danni | Sensori ridondanti, cablaggi isolati |
| Standard di test | Applicazione | Ambito principale |
|---|---|---|
| RTCA DO-311A | Aerospaziale | Sicurezza del sistema, condizioni anomale |
| UL 9540A | Accumulo stazionario | Caratterizzazione della propagazione e degli incendi |
| UL 2580 | Veicoli elettrici | Abuso elettrico, meccanico e termico |
| IEC 62619 | Industriale | Sicurezza per batterie agli ioni di litio industriali |
| UN 38.3 | Trasporto | Sicurezza della spedizione, non propagazione |
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