Bezpieczeństwo akumulatora EV: ucieczka termiczna, zabezpieczenia i reakcja na zdarzenia

Usterka akumulatora może pozostać miejscowa albo rozprzestrzenić się w całym pakiecie. Bezpieczeństwo akumulatorów samochodów elektrycznych zależy od zapobiegania uszkodzeniom, przerywania niebezpiecznych prądów oraz ograniczania ciepła i gazów uwalnianych przez uszkodzone ogniwo.

Jak usterki akumulatora mogą się nasilać

Zwarcie wewnętrzne tworzy niezamierzone połączenie między częściami ogniwa, które powinny pozostawać odizolowane elektrycznie. Uszkodzenie separatora może doprowadzić do zwarcia elektrod i wydzielania ciepła. Oak Ridge National Laboratory opisuje rolę separatora w zapobieganiu zwarciom wewnętrznym oraz to, jak jego uszkodzenie może przyczynić się do ucieczki termicznej. Oak Ridge National Laboratory: funkcja separatora i ograniczenia zamknięcia termicznego (2023)

Wady produkcyjne, zgniecenie lub przebicie, przegrzanie i przeładowanie mogą zapoczątkować awarię ogniwa. Przyczyny te opisano w badaniu brytyjskiej administracji dotyczącym bezpieczeństwa akumulatorów litowo-jonowych, choć raport koncentruje się na mniejszych pojazdach elektrycznych. Brytyjski urząd ds. bezpieczeństwa produktów i norm: mechanizmy awarii i ochrona akumulatorów litowo-jonowych

system zarządzania akumulatorem monitoruje napięcie, prąd i temperaturę oraz może interweniować po wykryciu nieprawidłowych warunków. Rozwijająca się wewnątrz elektrody wada może dawać niewiele sygnałów dostępnych dla czujników, dlatego ochrona fizyczna pozostaje konieczna mimo monitorowania.

Ucieczka termiczna i jej rozprzestrzenianie

Ucieczka termiczna występuje wtedy, gdy reakcje wytwarzające ciepło wewnątrz ogniwa przyspieszają szybciej, niż ciepło może zostać odprowadzone. Rosnąca temperatura napędza kolejne reakcje, uwalniając energię zgromadzoną w ogniwie. Standardowe zarządzanie temperaturą reguluje temperaturę pracy, ale może nie być w stanie zatrzymać tego samopodtrzymującego się procesu.

Propagacja oznacza rozprzestrzenianie się awarii na kolejne ogniwa. Ciepło przewodzone przez otaczające materiały albo przenoszone przez gorące gazy i wyrzucany materiał może doprowadzić sąsiednie ogniwo do ucieczki termicznej. Zablokowanie tego przepływu może ograniczyć zdarzenie do ogniwa, w którym się rozpoczęło. NASA: kontrola awarii i propagacji w akumulatorach litowo-jonowych

Przebieg awarii zależy od ogniwa i zdarzenia. W badaniu Sharpa i współautorów z 2022 roku testowano cylindryczne ogniwa 18650, 21700 i formatu D, stosując ogrzewanie, zwarcia wewnętrzne i przebijanie gwoździem. Stwierdzono różnice w wydzielaniu ciepła i wyrzucaniu materiału zależne od geometrii ogniwa oraz sposobu wywołania awarii. Były to doświadczenia na ogniwach, a nie porównanie kompletnych pojazdów. Sharp i współautorzy (2022): ucieczka termiczna, geometria ogniwa i rodzaj nadużycia

Uwalnianie gazów i opóźnione zagrożenia

Uszkodzony akumulator może uwalniać toksyczne i palne gazy, a uszkodzenie mechaniczne może doprowadzić do pożaru natychmiast lub z opóźnieniem. Niebezpieczna sytuacja może więc wystąpić bez widocznych płomieni. NHTSA zaleca traktowanie uszkodzonych elementów wysokonapięciowych tak, jakby znajdowały się pod napięciem. NHTSA: pojazdy elektryczne i hybrydowe — akumulator, ładowanie i bezpieczeństwo

Pakiet, który po uderzeniu nie wykazuje aktywności, nadal wymaga odpowiedniej oceny. Brytyjskie wytyczne dla pomocy drogowej ostrzegają, że brak widocznych sygnałów ostrzegawczych lub podwyższonej temperatury powierzchni nie dowodzi braku zagrożenia termicznego w uszkodzonym akumulatorze. Opisują przypadki zapłonu pojazdów nawet trzy tygodnie po wypadku. Przypadki te pokazują możliwość opóźnienia; nie wyznaczają maksymalnego czasu oczekiwania, po którym uszkodzony pakiet staje się bezpieczny. Brytyjskie ministerstwo transportu: operatorzy pomocy drogowej pracujący z pojazdami elektrycznymi

Jak zabezpieczenia ograniczają skutki

Zapobieganie uszkodzeniom i wykrywanie usterek

Obudowa pakietu i otaczająca ją konstrukcja pojazdu chronią ogniwa przed przedmiotami na jezdni i odkształceniami podczas zderzenia, zachowując przestrzeń dla pasażerów. Izolacja elektryczna oddziela przewody wysokiego napięcia od nadwozia. Funkcje monitorowania izolacji opisane w artykule system zarządzania akumulatorem mogą wykryć utratę izolacji i uruchomić ostrzeżenie lub działanie ochronne.

Wewnątrz ogniw separator utrzymuje elektrody oddzielone. Zależnie od konstrukcji ogniwa dodatkową ochronę może zapewniać urządzenie przerywające prąd lub otwór upustowy ciśnienia. Sekcja o ochronie na poziomie ogniwa w artykule formaty ogniw wyjaśnia działanie tych rozwiązań i różnice między formatami; chemia ogniw omawia materiały separatorów oraz ich zamykanie przepływu jonów pod wpływem temperatury.

BMS może ograniczyć ładowanie lub rozładowanie, gdy zmierzone warunki przekraczają dopuszczalne granice. Szczegółowe funkcje pomiarowe i sterujące należą do rozdziału o BMS. Tutaj istotne jest to, że wykrycie usterki i fizyczne ograniczenie jej skutków wymagają różnych środków. Brytyjski urząd ds. bezpieczeństwa produktów i norm: mechanizmy awarii i ochrona akumulatorów litowo-jonowych

Przerywanie przepływu prądu

Styczniki to sterowane łączniki, które łączą akumulator z wysokonapięciowymi urządzeniami pojazdu. Konwencjonalny bezpiecznik przerywa nadmierny prąd po stopieniu wkładki topikowej. Niektóre konstrukcje wykorzystują również odłącznik pirotechniczny, który przerywa przewodnik po uruchomieniu przez układ sterowania, na przykład podczas zderzenia. Texas Instruments: styczniki i bezpieczniki odłączające akumulator

Otwarcie styczników może odizolować pakiet od zewnętrznych urządzeń. Nie rozładowuje jednak ogniw ani nie sprawia, że dotykanie wewnętrznych szyn prądowych jest bezpieczne. Podobnie przerwanie zewnętrznego prądu nie usuwa energii chemicznej podtrzymującej reakcje w uszkodzonym ogniwie. Odłączanie obwodów wysokiego napięcia i praca wewnątrz pakietu wymagają przeszkolonego personelu oraz procedur właściwych dla danego pojazdu. NHTSA: pojazdy elektryczne i hybrydowe — akumulator, ładowanie i bezpieczeństwo

Ograniczanie przepływu ciepła i kontrola ujścia gazów

Bariery termiczne i odstępy mogą zmniejszać ilość ciepła docierającego do sąsiednich ogniw. Inne materiały mogą pochłaniać lub rozprowadzać ciepło, zmniejszając jego koncentrację na jednym sąsiednim ogniwie. Zabezpieczenia muszą też kontrolować gorący materiał uwalniany przez uszkodzone ogniwo.

Badania NASA nad akumulatorami do załogowych lotów kosmicznych, obejmujące statki kosmiczne i skafandry, opisują kontrolę emisji z ogniw, przepływu ciepła oraz energii elektrycznej dopływającej do uszkodzonego ogniwa jako uzupełniające się sposoby ograniczania propagacji. NASA: kontrola awarii i propagacji w akumulatorach litowo-jonowych

Odprowadzanie gazów obniża ciśnienie, umożliwiając gazom i materiałowi opuszczenie ogniwa lub obudowy. Powstaje przy tym gorący, potencjalnie palny strumień, który konstrukcja pakietu musi kierować z dala od pasażerów. Ochrona szczelnej obudowy przed wnikaniem wody i jej rozwiązania do upustu ciśnienia pełnią różne funkcje. Fizyczny montaż i integrację tych układów opisuje artykuł konstrukcja pakietu akumulatora.

Co wykazują testy bezpieczeństwa

Doświadczenia na ogniwach, testy pakietów w warunkach nadużycia oraz testy zderzeniowe kompletnych pojazdów badają różne aspekty bezpieczeństwa. Użyteczny wynik testu określa badaną konstrukcję, warunki oraz kryteria akceptacji.

Globalny regulamin techniczny ONZ nr 20 zapewnia międzynarodowe ramy obejmujące bezpieczeństwo eksploatacyjne, bezpieczeństwo elektryczne po zderzeniu oraz bezpieczeństwo pożarowe akumulatora. Przepisy krajowe i regionalne wdrażają wymagania poprzez własne systemy homologacji lub zgodności. Ostateczny przepis NHTSA FMVSS 305a jest jednym z takich wdrożeń; samo odwołanie do GTR nie stanowi uniwersalnej homologacji pojazdu. NHTSA: inicjatywa na rzecz bezpieczeństwa akumulatorów NHTSA: ostateczny przepis FMVSS 305a, grudzień 2024

Seria poprawek 03 regulaminu R100 zawiera wymagania ochrony pasażerów przed propagacją rozpoczętą zwarciem wewnętrznym prowadzącym do ucieczki termicznej pojedynczego ogniwa. Wymóg wcześniejszego ostrzeżenia uznaje się również za spełniony, gdy propagacja nie stwarza niebezpiecznej sytuacji dla pasażerów. Regulamin ONZ nr 100: seria poprawek 03 (2021) Seria 05 określa proces weryfikacji poprzez testy fizyczne lub analizę ryzyka w zdefiniowanych warunkach, z wyjątkami od wymogu ostrzegania, gdy przewidziane testy nie powodują propagacji albo nie pozwalają wywołać ucieczki termicznej. Przepisy te nie gwarantują czasu na ewakuację w każdym rzeczywistym zdarzeniu. Regulamin ONZ nr 100: seria poprawek 05 (EUR-Lex, 2026)

Euro NCAP podaje, że monitoruje odłączenie akumulatora, sprawdza nadwozie pod kątem niebezpiecznego napięcia i bada akumulator pod kątem penetracji, wycieku płynów, ognia lub nietypowego nagrzewania. Obserwacje te dostarczają użytecznych informacji o przebadanych warunkach zderzenia. Nie określają zachowania pojazdu przy każdym możliwym uderzeniu lub usterce akumulatora. Euro NCAP: badania bezpieczeństwa pojazdów elektrycznych

Po ostrzeżeniu, zderzeniu lub zalaniu

Komunikaty ostrzegawcze i oznaki zagrożenia

W przypadku ostrzeżenia dotyczącego akumulatora lub ładowania bez oznak sytuacji awaryjnej postępuj zgodnie z wyświetlanymi instrukcjami i instrukcją pojazdu. Komunikat nakazujący natychmiastowe zatrzymanie wymaga innej reakcji niż przypomnienie o serwisie; zorganizuj fachową pomoc, gdy jest to zalecane.

Jeśli pojawi się dym, ogień, ulatniający się gaz lub inne oznaki podejrzenia sytuacji awaryjnej akumulatora:

• Jeśli jedziesz, zatrzymaj się bezpiecznie, opuść pojazd, gdy tylko będzie to bezpieczne, i oddal się, pozostając poza ruchem drogowym.
• Zadzwoń pod lokalny numer alarmowy i powiedz, że pojazd jest elektryczny.
• Unikaj dymu i gazów; w miarę możliwości przejdź na stronę, z której wieje wiatr.
• Nie zbliżaj się do odsłoniętych elementów elektrycznych ani wyciekających płynów. Nie próbuj otwierać, odłączać ani naprawiać akumulatora.

Działania te odpowiadają publicznym zaleceniom NHTSA oraz brytyjskim wytycznym dotyczącym podejrzenia zdarzeń termicznych akumulatora. Gaszenie pożaru i ocena uszkodzonego układu wysokiego napięcia należą do przeszkolonych służb. NHTSA: wytyczne dotyczące zdarzeń z akumulatorami wysokonapięciowymi dla właścicieli i służb ratowniczych Brytyjskie ministerstwo transportu: operatorzy pomocy drogowej pracujący z pojazdami elektrycznymi

Uszkodzenia po zderzeniu i zalanie

Odłącznik uruchamiany podczas zderzenia może przerwać połączenie akumulatora z zewnętrznymi przewodami, podczas gdy ogniwa wewnątrz pakietu pozostają uszkodzone. Zorganizuj profesjonalną ocenę po podejrzeniu uszkodzenia akumulatora, także po silnym uderzeniu w spód pakietu.

Zwykłe narażenie na deszcz i zanurzenie podczas powodzi to różne warunki. Zalanie może narazić uszkodzone elementy elektryczne na wodę i zanieczyszczenia, stwarzając ryzyko porażenia prądem i opóźnionego pożaru. Jeśli po zalaniu podejrzewasz uszkodzenie akumulatora, skontaktuj się z dealerem lub służbami ratowniczymi i postępuj zgodnie z ich instrukcjami. NHTSA: pojazdy elektryczne i hybrydowe — akumulator, ładowanie i bezpieczeństwo

Pomoc drogowa i przechowywanie

Poinformuj operatora pomocy drogowej o zderzeniu, zalaniu, ostrzeżeniu dotyczącym akumulatora lub pożarze. Sposób holowania i przechowywania przez profesjonalistów powinien wynikać z przewodnika ratowniczego dla dokładnie tego pojazdu. Przewodniki przekazywane NHTSA przez producentów obejmują pożar, zanurzenie, wyciek płynów, holowanie i przechowywanie; karty ratownicze zawierają krótsze informacje do wykorzystania na miejscu zdarzenia. NHTSA: przewodniki i karty ratownicze

Amerykańskie wytyczne NHTSA odradzają parkowanie uszkodzonego pojazdu z akumulatorem litowo-jonowym w garażu lub w odległości mniejszej niż 50 stóp (około 15 m) od budynków, innych pojazdów albo materiałów palnych. NHTSA: pojazdy elektryczne i hybrydowe — akumulator, ładowanie i bezpieczeństwo Jeśli pojazd budzący podejrzenia już stoi w takim miejscu, zachowaj dystans i poproś służby ratownicze lub operatora pomocy drogowej o instrukcje; nie próbuj samodzielnie go przestawiać.

Specjaliści pomocy drogowej powinni ocenić miejsce przechowywania, wymagane odstępy i monitoring odpowiednio do stanu pojazdu. Przemieszczanie może pogorszyć uszkodzenia wewnętrzne, a brytyjskie wytyczne opisują przypadki zapłonu pojazdów podczas załadunku na lawetę. Brytyjskie ministerstwo transportu: operatorzy pomocy drogowej pracujący z pojazdami elektrycznymi

Transport wymontowanego, uszkodzonego akumulatora jest osobnym zadaniem. Wymaga oceny według właściwych przepisów o towarach niebezpiecznych; w USA PHMSA wskazuje, że akumulatory uszkodzone, wadliwe i objęte wycofaniem stwarzają większe zagrożenia transportowe. Wymagania dotyczące przewozu akumulatorów nie zastępują instrukcji producenta dotyczących transportu uszkodzonego pojazdu. PHMSA: transport akumulatorów litowych

Co mogą sprawdzić właściciele

Przed ewentualnym zdarzeniem znajdź w instrukcji pojazdu sekcje dotyczące bezpieczeństwa i komunikatów ostrzegawczych oraz sprawdź, jak skontaktować się z pomocą drogową. Kupując używany samochód elektryczny, poproś producenta lub dealera o sprawdzenie numeru identyfikacyjnego pojazdu pod kątem niewykonanych akcji przywoławczych i potwierdzenie, że wymagane naprawy zostały przeprowadzone.

Zapytaj, jak będą oceniane i dokumentowane podejrzewane uszkodzenia podwozia lub akumulatora.

Informacje o dalszych krokach po diagnozie zawiera artykuł naprawa, drugie życie i recykling akumulatorów. Zakres ochrony przed wadami, gwarancje pojemności i wyłączenia dotyczące uszkodzeń opisuje gwarancja na akumulator.