Prevenire la fuga termica nelle batterie

La più grande minaccia per le batterie è l’instabilità termica, dove il calore generato supera la velocità di dissipazione, innescando una serie di reazioni esotermiche. Ciò può provocare incendi e guasti totali alla batteria, colpendo altri componenti del veicolo. Per prevenire e contenere l'instabilità termica, il design della batteria incorpora cuscinetti di compressione, involucri dei moduli e involucri della batteria. I cuscinetti di compressione vengono posizionati tra le celle per impedire la propagazione del calore, mentre gli involucri dei moduli raggruppano le celle per contenere la fuga termica all'interno dei moduli. Infine, questi moduli sono alloggiati nell'involucro della batteria per proteggere le altre parti del veicolo dagli effetti di instabilità termica.

Progettazione dell'involucro della batteria

Gli involucri delle batterie dei veicoli elettrici variano in modo significativo nel design, nella forma e nelle dimensioni, a seconda del tipo di batteria, dei requisiti di raffreddamento, della distribuzione dei moduli e dell'applicazione. Generalmente, un contenitore per moduli è costituito da:

1. Un alloggiamento di base,

2. Un involucro esterno,

3. Una piastra di connessione che collega i componenti interni ed esterni,

4. Una valvola di scarico per il bilanciamento della pressione o il rilascio del gas durante la fuga termica.

Selezione dei materiali per gli involucri delle batterie

I materiali utilizzati per gli involucri delle batterie devono avere elevate prestazioni termiche, buone proprietà meccaniche ed essere leggeri. Tradizionalmente, l’alluminio e l’acciaio sono stati preferiti per la loro resistenza al calore e l’idoneità alla produzione di massa. Tuttavia, la massa dei materiali metallici non può essere ben controllata, in particolare per i veicoli ibridi ed elettrici, dove una massa inferiore del veicolo significa una maggiore densità di energia e una maggiore autonomia. Attualmente le batterie possono rappresentare fino al 50% della massa totale di un veicolo.

Materiali compositi

I materiali compositi offrono un’alternativa leggera e possono potenzialmente superare i metalli sotto molti aspetti, sebbene siano più complessi e costosi. Ad esempio, un involucro in polimero rinforzato con fibra di carbonio sviluppato per i clienti degli sport motoristici ha sostituito un involucro in alluminio del peso di 6,7 kg (14,8 libbre) con uno composito del peso di soli 616 grammi (1,35 libbre), ottenendo una riduzione del peso del 91%. Sono stati utilizzati preimpregnati termoindurenti in fibra di carbonio per le loro elevate prestazioni termiche e meccaniche. La fibra di carbonio fornisce resistenza e rigidità, mentre i sistemi di resina di alta qualità, come la resina epossidica, sono preimpregnati. Tuttavia, i processi di stratificazione manuale, i lunghi tempi di polimerizzazione e la dipendenza dalle autoclavi limitano la produzione di involucri di batterie prepreg.

Un altro vantaggio dei materiali compositi è la capacità di ottimizzare l'orientamento delle fibre per soddisfare i requisiti di carico specifici di ciascun involucro della batteria. L'analisi degli elementi finiti (FEA) è ampiamente utilizzata nel processo di progettazione per determinare la direzione delle fibre e il numero di strati richiesto, garantendo elevata rigidità e resistenza pur mantenendo un peso leggero. Le proprietà isotrope del metallo offrono ancora vantaggi, spesso utilizzate attorno alle connessioni bullonate per offrire ulteriore resistenza e rigidità. Software come Hypermesh e Optistruct simulano i materiali compositi anisotropi degli involucri delle batterie.

Isolamento elettrico

L'isolamento elettrico è un'altra considerazione da tenere in considerazione quando si sviluppano gli involucri delle batterie. Poiché la fibra di carbonio è conduttiva, gli strati di fibra di vetro sono integrati nel laminato per isolare componenti elettronici specifici.

Certificazione

Per garantire le prestazioni termiche delle batterie e degli involucri, questi devono superare vari test e standard di sicurezza per la certificazione. Il primo standard è l'UN38.8, che garantisce la sicurezza delle batterie al litio durante il trasporto attraverso otto test, tra cui simulazione dell'altitudine, test termici, vibrazioni, urti, cortocircuito esterno, impatto e schiacciamento, sovraccarico e scarica forzata. Le batterie necessitano inoltre della certificazione ECE R100 REV2, che delinea i test necessari per le batterie al litio installate nei veicoli elettrici a quattro ruote per il trasporto di persone o merci. Nell'aviazione devono essere considerati altri standard come DO311A e DO160G.

Simulazione termica della batteria

Per gli involucri delle batterie, i materiali compositi devono soddisfare gli standard di sicurezza sull'infiammabilità UL94, che prevedono numerosi test di combustione superficiale, verticale e orizzontale. Fiamme controllate vengono applicate al materiale più volte in un periodo specifico e il tempo di combustione continuo del materiale, nonché prove di bruciatura o gocciolamenti di fiamme, determinano se soddisfa le classificazioni V0, V1 o V2 ​​di UL94. Più velocemente la fiamma si autoestingue, più forte è la resistenza del materiale, dove V0 è il punteggio più alto, estinguendosi entro 10 secondi senza gocce di fiamma.