Sikkerhet i elbilbatterier: termisk runaway, beskyttelse og håndtering av hendelser

En batterifeil kan forbli lokal eller spre seg gjennom pakken. Sikkerheten i et elbilbatteri avhenger av å forebygge skader, bryte farlige elektriske strømmer og begrense varmen og gassene som frigjøres fra en sviktende celle.

Hvordan batterifeil kan utvikle seg

En intern kortslutning skaper en utilsiktet forbindelse mellom deler av en celle som skal være elektrisk atskilt. Skader på separatoren kan føre til intern kortslutning mellom elektrodene og varmeutvikling. Oak Ridge National Laboratory beskriver separatorens rolle i å hindre interne kortslutninger og hvordan separatorsvikt kan bidra til termisk runaway. Oak Ridge National Laboratory: separatorfunksjon og avstengningsgrenser (2023)

Produksjonsfeil, klemming eller gjennomtrengning, overoppheting og overlading kan utløse cellesvikt. Disse årsakene beskrives i britisk myndighetsforskning om sikkerhet i litiumionbatterier, selv om rapporten først og fremst handler om mindre elektriske kjøretøy. Britiske OPSS: feilmekanismer og beskyttelse i litiumionbatterier

Et batteristyringssystem overvåker spenning, strøm og temperatur og kan gripe inn når det oppdager unormale forhold. En feil som utvikler seg inne i en elektrode, kan gi få utslag på tilgjengelige sensorer. Derfor er fysisk beskyttelse fortsatt nødvendig selv med overvåking.

Termisk runaway og spredning

Termisk runaway oppstår når varmeutviklende reaksjoner inne i en celle akselererer raskere enn varmen kan ledes bort. Økende temperatur driver videre reaksjoner og frigjør cellens lagrede energi. Vanlig temperaturstyring regulerer driftstemperaturen, men kan være ute av stand til å stanse denne selvopprettholdende prosessen.

Spredning innebærer at feilen overføres til andre celler. Varme som ledes gjennom omkringliggende materialer, eller transporteres av varme gasser og utslynget materiale, kan utløse termisk runaway i en nabocelle. Å hindre denne overføringen kan begrense hendelsen til cellen der den startet. NASA: håndtering av svikt og spredning i litiumionbatterier

Feilforløpet varierer med cellen og hendelsen. I en studie fra 2022 testet Sharp og kolleger sylindriske celler i formatene 18650, 21700 og D med oppvarming, interne kortslutninger og spikergjennomtrengning. De fant forskjeller i varmefrigjøring og utslynging av materiale avhengig av cellegeometri og hvordan feilen ble utløst. Dette var celleforsøk, ikke en sammenligning av komplette kjøretøy. Sharp mfl. (2022): termisk runaway, cellegeometri og belastningstype

Gassutslipp og forsinkede farer

Et skadet batteri kan frigjøre giftige og brennbare gasser, og fysisk skade kan føre til brann umiddelbart eller senere. Synlige flammer er derfor ingen forutsetning for en farlig situasjon. NHTSA anbefaler å behandle skadde høyspenningskomponenter som spenningssatte. NHTSA: batteri, lading og sikkerhet i elektriske kjøretøy og hybrider

En batteripakke som virker rolig etter et støt, trenger fortsatt en egnet vurdering. Britiske bergingsretningslinjer advarer om at fravær av synlige faresignaler eller forhøyet overflatetemperatur ikke fastslår at et skadet batteri er uten termisk risiko. De omtaler enkelte kjøretøy som tok fyr opptil tre uker etter en ulykke. Disse tilfellene illustrerer mulig forsinkelse; de fastsetter ingen maksimal ventetid som gjør en skadet pakke trygg. Britisk transportdepartement: berging av elektriske kjøretøy

Hvordan beskyttelsen begrenser konsekvensene

Forebygge skader og oppdage feil

Pakkens kapsling og den omkringliggende kjøretøystrukturen beskytter cellene mot gjenstander på veien og deformasjon ved kollisjon, samtidig som plassen til passasjerene bevares. Elektrisk isolasjon skiller høyspenningsledere fra karosseriet. Isolasjonsovervåkingen beskrevet i batteristyringssystem kan oppdage svekket isolasjon og utløse et varsel eller et beskyttelsestiltak.

Inne i cellene holder separatoren elektrodene fra hverandre. Avhengig av cellekonstruksjonen kan ekstra beskyttelse omfatte en strømavbryter eller en trykkavlastningsventil. Avsnittet om beskyttelse på cellenivå i celleformater forklarer disse komponentene og hvordan de varierer mellom formater; cellekjemi dekker separatormaterialer og avstengningsfunksjonen.

BMS kan begrense lading eller utlading når målte forhold overskrider tillatte grenser. De detaljerte måle- og styringsfunksjonene hører hjemme i BMS-kapitlet. Her er den viktige begrensningen at det å oppdage en feil og fysisk begrense konsekvensene krever ulike tiltak. Britiske OPSS: feilmekanismer og beskyttelse i litiumionbatterier

Bryte elektrisk strøm

Kontaktorer er styrte brytere som kobler batteriet til kjøretøyets høyspenningsutstyr. En vanlig sikring bryter for høy strøm når sikringselementet smelter. Noen konstruksjoner bruker også en pyroteknisk frakoblingsenhet som bryter en leder når styresystemet utløser den, for eksempel ved en kollisjon. Texas Instruments: kontaktorer og batterifrakoblingssikringer

Å åpne kontaktorene kan isolere pakken fra eksternt utstyr. Det lader ikke ut cellene og gjør ikke de interne samleskinnene berøringssikre. Å bryte en ekstern strøm kan heller ikke fjerne den kjemiske energien som driver reaksjonene inne i en sviktende celle. Høyspenningsfrakobling og arbeid inne i en pakke krever opplært personell og kjøretøyspesifikke prosedyrer. NHTSA: batteri, lading og sikkerhet i elektriske kjøretøy og hybrider

Begrense varmeoverføring og styre gassutslipp

Termiske barrierer og avstand kan redusere varmen som når nabocellene. Andre materialer kan absorbere eller fordele varme og dermed redusere den konsentrerte varmebelastningen på én nabocelle. Beskyttelsen må også håndtere varmt materiale som frigjøres fra en sviktende celle.

NASAs forskning på batterier til bemannet romfart, inkludert romfartøy og romdrakter, beskriver håndtering av utslipp fra celler, varmeoverføring og elektrisk energi som strømmer inn i en sviktende celle, som utfyllende måter å begrense spredning på. NASA: håndtering av svikt og spredning i litiumionbatterier

Trykkavlastning lar gass og materiale slippe ut av en celle eller kapsling. Den skaper også et varmt, potensielt brennbart utslipp som pakken må lede bort fra passasjerene. En tett kapslings beskyttelse mot vanninntrenging og løsning for trykkavlastning har ulike formål. Se batteripakkens oppbygning for fysisk oppbygning og integrering av disse systemene.

Hva sikkerhetstester dokumenterer

Celleforsøk, belastnings- og misbrukstester av pakker og kollisjonstester av komplette kjøretøy undersøker ulike deler av sikkerhetsproblemet. Et nyttig testresultat identifiserer konstruksjonen som ble testet, forholdene og godkjenningskriteriene.

FNs globale tekniske regulativ nr. 20 gir et internasjonalt rammeverk for driftssikkerhet, elektrisk sikkerhet etter kollisjon og batteribrannsikkerhet. Nasjonale og regionale regler gjennomfører krav gjennom egne godkjennings- eller samsvarssystemer. NHTSAs endelige FMVSS 305a-regel er én slik gjennomføring; en GTR-henvisning alene er ingen universell kjøretøygodkjenning. NHTSA: initiativ for batterisikkerhet NHTSA: endelig FMVSS 305a-regel, desember 2024

R100s 03-serie omfatter krav til beskyttelse av passasjerer ved spredning som starter med en intern kortslutning og fører til termisk runaway i én celle. Bestemmelsen om forhåndsvarsling anses også oppfylt dersom spredningen ikke skaper en farlig situasjon for passasjerene. FN-regulativ nr. 100: endringsserie 03 (2021) 05-serien angir en verifiseringsprosess med fysisk testing eller risikoanalyse under definerte forhold, med unntak fra varsling når de foreskrevne testene ikke gir spredning eller ikke kan utløse termisk runaway. Disse bestemmelsene garanterer ingen bestemt evakueringstid ved enhver reell hendelse. FN-regulativ nr. 100: endringsserie 05 (EUR-Lex, 2026)

Euro NCAP opplyser at de overvåker batterifrakoblingen, kontrollerer karosseriet for farlig spenning og undersøker batteriet for inntrengning, væskelekkasje, brann eller unormal varme. Disse observasjonene gir nyttig dokumentasjon om kollisjonsforholdene som ble testet. De fastslår ikke hvordan kjøretøyet vil oppføre seg ved enhver mulig kollisjon eller batterifeil. Euro NCAP: sikkerhetstesting av elektriske kjøretøy

Etter et varsel, en kollisjon eller oversvømmelse

Varselmeldinger og tegn på en nødsituasjon

Ved batteri- eller ladevarsel uten tegn på en nødsituasjon skal du følge instruksjonene på skjermen og i instruksjonsboken. En melding som krever umiddelbar stans, trenger en annen reaksjon enn en servicepåminnelse; sørg for kvalifisert hjelp når du blir bedt om det.

Ved røyk, brann, gassutslipp eller andre tegn på en mulig batterinødsituasjon:

• Stans trygt hvis du kjører, forlat kjøretøyet så snart det er trygt, og trekk godt unna, uten å komme ut i trafikken.
• Ring det lokale nødnummeret og opplys at kjøretøyet er elektrisk.
• Hold deg unna røyk og gasser; gå mot vinden der det er mulig.
• Hold avstand til blottlagte elektriske deler og væskelekkasjer. Ikke forsøk å åpne, koble fra eller reparere batteriet.

Disse tiltakene følger NHTSAs råd til publikum og britiske retningslinjer ved mistanke om termiske batterihendelser. Brannslokking og vurdering av det skadde høyspenningssystemet er oppgaver for opplært innsatspersonell. NHTSA: veiledning om høyspenningsbatterihendelser for eiere og innsatspersonell Britisk transportdepartement: berging av elektriske kjøretøy

Kollisjonsskader og oversvømmelse

En kollisjonsutløst frakobling kan bryte batteriets forbindelse til eksterne kabler mens celler inne i pakken fortsatt er skadet. Sørg for faglig vurdering ved mistanke om batteriskade, også etter et kraftig støt mot pakkens underside.

Vanlig regneksponering og nedsenking i flomvann er ulike forhold. Oversvømmelse kan utsette skadde elektriske komponenter for vann og forurensninger og skape fare for elektrisk støt og forsinket brann. Ved mistanke om batteriskade etter oversvømmelse skal du kontakte forhandleren eller nødetatene og følge instruksjonene deres. NHTSA: batteri, lading og sikkerhet i elektriske kjøretøy og hybrider

Berging og oppbevaring

Fortell bergingsoperatøren om kollisjonen, oversvømmelsen, batterivarselet eller brannen. Redningsveiledningen for det aktuelle kjøretøyet bør styre hvordan fagpersoner håndterer tauing og oppbevaring. Veiledningene produsentene har levert til NHTSA, dekker brann, nedsenking, væskelekkasje, tauing og oppbevaring; redningskort gir kortfattet informasjon til bruk på stedet. NHTSA: redningsveiledninger og redningskort

NHTSAs amerikanske veiledning fraråder å parkere et skadet kjøretøy med litiumionbatteri i en garasje eller innenfor 50 fot (omtrent 15 m) fra bygninger, andre kjøretøy eller brennbare materialer. NHTSA: batteri, lading og sikkerhet i elektriske kjøretøy og hybrider Hvis et kjøretøy med mulig skade allerede står slik, hold avstand og be nødetatene eller bergingsoperatøren om instruksjoner; ikke forsøk å flytte det selv.

Bergingspersonell bør vurdere oppbevaringssted, avstand og overvåking ut fra kjøretøyets tilstand. Bevegelse kan forverre interne skader, og britiske retningslinjer omtaler kjøretøy som tok fyr under lasting. Britisk transportdepartement: berging av elektriske kjøretøy

Transport av et demontert, skadet batteri er en egen oppgave. Det krever vurdering etter relevante regler for farlig gods; i USA beskriver PHMSA skadde, defekte og tilbakekalte batterier som mer risikofylte under transport. Disse kravene til batterifrakt erstatter ikke kjøretøyprodusentens bergingsinstruksjoner. PHMSA: transport av litiumbatterier

Hva eiere kan kontrollere

Finn avsnittene om sikkerhet og varselmeldinger i instruksjonsboken før en hendelse oppstår, og sjekk hvordan du kontakter veihjelp. Ved kjøp av brukt elbil bør du be produsenten eller forhandleren kontrollere understellsnummeret for utestående tilbakekallinger og bekrefte at nødvendige tiltak er utført.

Spør hvordan mistanke om skader på understellet eller batteriet vil bli vurdert og dokumentert.

Se batterireparasjon, videre bruk og gjenvinning for hva som skjer etter diagnosen. For dekning av feil, kapasitetsgarantier og unntak ved skader, se batterigaranti.