Elbilsbatteriers säkerhet: termisk rusning, skydd och hantering av incidenter

Ett batterifel kan förbli lokalt eller spridas genom batteripaketet. Säkerheten i ett elbilsbatteri bygger på att förebygga skador, bryta farliga elektriska strömmar och begränsa värmen och gaserna som frigörs från en felande cell.

Hur batterifel kan förvärras

En intern kortslutning skapar en oavsiktlig förbindelse mellan delar av en cell som ska vara elektriskt åtskilda. Skador på separatorn kan orsaka en intern kortslutning mellan elektroderna och utveckla värme. Oak Ridge National Laboratory beskriver separatorns roll i att förhindra interna kortslutningar och hur separatorfel kan bidra till termisk rusning. Oak Ridge National Laboratory: separatorfunktion och avstängningsgränser (2023)

Tillverkningsfel, krossning eller genomträngning, överhettning och överladdning kan utlösa cellfel. Dessa orsaker beskrivs i brittisk myndighetsforskning om litiumjonbatteriers säkerhet, även om rapportens produktfokus är mindre elfordon. Brittiska OPSS: felmekanismer och skydd i litiumjonbatterier

Ett batterihanteringssystem övervakar spänning, ström och temperatur och kan ingripa när det upptäcker onormala förhållanden. Ett fel som utvecklas inuti en elektrod kan ge få utslag på de tillgängliga sensorerna. Därför behövs fysiskt skydd även med övervakning.

Termisk rusning och spridning

Termisk rusning uppstår när värmealstrande reaktioner inuti en cell accelererar snabbare än värmen kan ledas bort. Den stigande temperaturen driver ytterligare reaktioner och frigör cellens lagrade energi. Normal temperaturreglering reglerar drifttemperaturen, men kan vara oförmögen att stoppa denna självunderhållande process.

Spridning innebär att felet överförs till andra celler. Värme som leds genom omgivande material eller transporteras av heta gaser och utslungat material kan utlösa termisk rusning i en intilliggande cell. Att förhindra denna överföring kan begränsa händelsen till cellen där den började. NASA: hantering av fel och spridning i litiumjonbatterier

Felförloppet varierar med cellen och händelsen. I en studie från 2022 testade Sharp och kollegor cylindriska celler i formaten 18650, 21700 och D med uppvärmning, interna kortslutningar och spikpenetration. De fann skillnader i värmeavgivning och utslungning av material beroende på cellgeometri och hur felet utlöstes. Det var cellförsök, inte en jämförelse av kompletta fordon. Sharp m.fl. (2022): termisk rusning, cellgeometri och belastningstyp

Gasutsläpp och fördröjda risker

Ett skadat batteri kan avge giftiga och brandfarliga gaser, och fysiska skador kan orsaka brand omedelbart eller senare. Synliga lågor är därför ingen förutsättning för en farlig situation. NHTSA rekommenderar att skadade högspänningskomponenter behandlas som spänningssatta. NHTSA: batteri, laddning och säkerhet i el- och hybridfordon

Ett batteripaket som verkar lugnt efter en stöt behöver fortfarande bedömas på lämpligt sätt. Brittiska bärgningsriktlinjer varnar för att avsaknad av synliga varningssignaler eller förhöjd yttemperatur inte visar att ett skadat batteri saknar termisk risk. De beskriver enstaka fordon som fattat eld upp till tre veckor efter en olycka. Dessa fall illustrerar den möjliga fördröjningen; de fastställer ingen maximal väntetid efter vilken ett skadat paket är säkert. Brittiska transportdepartementet: bärgning av elfordon

Hur skyddet begränsar följderna

Förebygga skador och upptäcka fel

Paketets hölje och den omgivande fordonsstrukturen skyddar cellerna mot föremål på vägen och krockdeformation samtidigt som utrymmet för de åkande bevaras. Elektrisk isolering skiljer högspänningsledare från karossen. Isolationsövervakningen som beskrivs i batterihanteringssystem kan upptäcka försämrad isolering och utlösa en varning eller skyddsåtgärd.

Inuti cellerna håller separatorn elektroderna åtskilda. Beroende på cellkonstruktionen kan ytterligare skydd omfatta en strömavbrytare eller tryckavlastningsventil. Avsnittet om skydd på cellnivå i cellformat förklarar dessa komponenter och hur de varierar mellan format; cellkemi behandlar separatormaterial och avstängningsfunktionen.

BMS kan begränsa laddning eller urladdning när uppmätta förhållanden överskrider tillåtna gränser. De detaljerade mät- och styrfunktionerna hör hemma i BMS-kapitlet. Här är den viktiga begränsningen att det krävs olika åtgärder för att upptäcka ett fel och fysiskt begränsa dess följder. Brittiska OPSS: felmekanismer och skydd i litiumjonbatterier

Bryta elektrisk ström

Kontaktorer är styrda brytare som ansluter batteriet till fordonets högspänningsutrustning. En vanlig säkring bryter för hög ström när säkringselementet smälter. Vissa konstruktioner använder även en pyroteknisk frånkopplare som bryter en ledare när styrsystemet utlöser den, exempelvis vid en krock. Texas Instruments: kontaktorer och batterifrånskiljande säkringar

Att öppna kontaktorerna kan isolera paketet från extern utrustning. Det laddar inte ur cellerna och gör inte de interna samlingsskenorna säkra att röra vid. Att bryta en extern ström kan inte heller avlägsna den kemiska energi som driver reaktionerna inuti en felande cell. Högspänningsfrånkoppling och arbete inuti ett paket kräver utbildad personal och fordonsspecifika rutiner. NHTSA: batteri, laddning och säkerhet i el- och hybridfordon

Begränsa värmeöverföring och styra gasutsläpp

Termiska barriärer och avstånd kan minska värmen som når intilliggande celler. Andra material kan absorbera eller fördela värme och därmed minska den koncentrerade belastningen på en enskild granncell. Skyddet behöver också hantera hett material som frigörs från en felande cell.

NASAs forskning om batterier för bemannad rymdfart, inklusive rymdfarkoster och rymddräkter, beskriver hantering av cellutsläpp, värmeöverföring och elektrisk energi som strömmar in i en felande cell som kompletterande sätt att begränsa spridning. NASA: hantering av fel och spridning i litiumjonbatterier

Tryckavlastning låter gas och material lämna en cell eller ett hölje. Den ger också ett hett, potentiellt brandfarligt utsläpp som paketet måste leda bort från de åkande. Ett tätt höljes skydd mot vatteninträngning och dess tryckavlastning har olika syften. Se batteripaketets konstruktion för dessa systems fysiska uppbyggnad och integration.

Vad säkerhetstester visar

Cellförsök, missbrukstester av batteripaket och krocktester av kompletta fordon undersöker olika delar av säkerhetsproblemet. Ett användbart testresultat anger den provade konstruktionen, förhållandena och godkännandekriterierna.

FN:s globala tekniska föreskrift nr 20 ger en internationell ram för driftsäkerhet, elektrisk säkerhet efter krock och batteribrandsäkerhet. Nationella och regionala regler genomför kraven via egna system för godkännande eller överensstämmelse. NHTSA:s slutliga FMVSS 305a-regel är ett sådant genomförande; en hänvisning till GTR är inte i sig ett universellt fordonsgodkännande. NHTSA: initiativ för batterisäkerhet NHTSA: slutlig FMVSS 305a-regel, december 2024

R100:s 03-serie innehåller krav på skydd för de åkande vid spridning som börjar med en intern kortslutning och leder till termisk rusning i en enda cell. Bestämmelsen om förvarning anses också uppfylld om spridningen inte skapar någon farlig situation för de åkande. FN-föreskrift nr 100: ändringsserie 03 (2021) 05-serien anger en verifieringsprocess med fysisk provning eller riskanalys under definierade förhållanden, med undantag från varning när de föreskrivna proven inte ger spridning eller inte kan utlösa termisk rusning. Bestämmelserna garanterar ingen bestämd utrymningstid vid varje verklig händelse. FN-föreskrift nr 100: ändringsserie 05 (EUR-Lex, 2026)

Euro NCAP uppger att de övervakar batterifrånkoppling, kontrollerar karossen för farlig spänning och undersöker batteriet för inträngning, vätskeläckage, brand eller onormal värme. Observationerna ger användbar information om de krockförhållanden som testats. De fastställer inte hur fordonet uppträder vid varje möjlig krock eller batterifel. Euro NCAP: säkerhetstestning av elfordon

Efter en varning, krock eller översvämning

Varningsmeddelanden och tecken på en nödsituation

Vid batteri- eller laddningsvarning utan tecken på en nödsituation ska du följa instruktionerna på skärmen och i bilens instruktionsbok. Ett meddelande som kräver omedelbart stopp behöver en annan reaktion än en servicepåminnelse; ordna kvalificerad hjälp när du uppmanas till det.

Vid rök, brand, gasutsläpp eller andra tecken på en misstänkt batterinödsituation:

• Stanna säkert om du kör, lämna fordonet så snart det är säkert och ta dig långt bort utan att hamna i trafiken.
• Ring det lokala nödnumret och uppge att fordonet är elektriskt.
• Håll dig borta från rök och gaser; gå mot vinden om möjligt.
• Håll avstånd till blottlagda elektriska delar och läckande vätskor. Försök inte öppna, koppla från eller reparera batteriet.

Dessa åtgärder följer NHTSA:s råd till allmänheten och brittiska riktlinjer vid misstänkta termiska batterihändelser. Brandsläckning och bedömning av det skadade högspänningssystemet är uppgifter för utbildad räddningspersonal. NHTSA: vägledning om högspänningsbatterihändelser för ägare och räddningspersonal Brittiska transportdepartementet: bärgning av elfordon

Krockskador och översvämning

En krockutlöst frånkoppling kan bryta batteriets anslutning till externa kablar medan celler inuti paketet fortfarande är skadade. Ordna en professionell bedömning vid misstänkt batteriskada, även efter en kraftig stöt mot paketets undersida.

Normal regnexponering och nedsänkning vid översvämning är olika förhållanden. Översvämning kan utsätta skadade elektriska komponenter för vatten och föroreningar och skapa risk för elstöt och fördröjd brand. Vid misstänkt batteriskada efter översvämning ska du kontakta återförsäljaren eller räddningstjänsten och följa deras instruktioner. NHTSA: batteri, laddning och säkerhet i el- och hybridfordon

Bärgning och förvaring

Berätta för bärgaren om krocken, översvämningen, batterivarningen eller branden. Räddningsvägledningen för just det fordonet bör styra hur yrkespersonal hanterar bogsering och förvaring. Tillverkarnas vägledningar som lämnats till NHTSA omfattar brand, nedsänkning, vätskeläckage, bogsering och förvaring; räddningskort ger kortare information att använda på plats. NHTSA: räddningsvägledningar och räddningskort

NHTSA:s amerikanska vägledning avråder från att parkera ett skadat fordon med litiumjonbatteri i ett garage eller inom 50 fot (cirka 15 m) från byggnader, andra fordon eller brännbara material. NHTSA: batteri, laddning och säkerhet i el- och hybridfordon Om ett misstänkt skadat fordon redan står så, håll avstånd och be räddningstjänsten eller bärgaren om instruktioner; försök inte flytta det själv.

Bärgningspersonal bör bedöma förvaringsplats, avstånd och övervakning utifrån fordonets tillstånd. Rörelse kan förvärra interna skador, och brittisk vägledning beskriver fordon som fattat eld under lastning. Brittiska transportdepartementet: bärgning av elfordon

Transport av ett demonterat skadat batteri är en separat uppgift. Den kräver bedömning enligt relevanta regler för farligt gods; i USA anger PHMSA att skadade, defekta och återkallade batterier medför större transportrisker. Dessa krav för batteritransport ersätter inte fordonstillverkarens bärgningsinstruktioner. PHMSA: transport av litiumbatterier

Vad ägare kan kontrollera

Hitta avsnitten om säkerhet och varningsmeddelanden i instruktionsboken innan en händelse inträffar och kontrollera hur du kontaktar vägassistans. När du köper en begagnad elbil bör du be tillverkaren eller återförsäljaren kontrollera chassinumret för utestående återkallelser och bekräfta att nödvändiga åtgärder har utförts.

Fråga hur misstänkta skador på underredet eller batteriet kommer att bedömas och dokumenteras.

Se batterireparation, ett andra liv och återvinning för vad som händer efter diagnosen. För garantitäckning vid fel, kapacitetsgarantier och undantag för skador, se batterigaranti.