Sicurezza della batteria agli ioni di litio: un'efficace strategia a lungo termine
Cominciamo chiaramente una cosa: le batterie agli ioni di litio possono essere al sicuro.
Miliardi di cellule agli ioni di litio vengono prodotti ogni anno e quel numero continuerà a crescere nel prossimo decennio. Con un numero così elevato di celle, qualsiasi altro dispositivo a base elettronica può fallire. Pertanto, la sfida è essenzialmente quella di affrontare questi nuclei sottoperformanti il più presto possibile prima che si verifichi un evento.
Per i sistemi di accumulo di energia, è possibile applicare diversi livelli di gestione della sicurezza. Mentre i produttori di celle e sistemi monitorano la sicurezza delle celle e del sistema attraverso alcuni di questi concetti, gli operatori possono anche garantire che i loro sistemi siano sicuri attraverso l'uso di analisi specializzate della batteria.
Quindi cosa possono fare produttori di celle agli ioni di litio, sviluppatori e operatori di sistema per ridurre al minimo i guasti e garantire la sicurezza? Il mantenimento di un sistema di batterie sicuro e affidabile richiede tre strati.
Livello 1: controllo della qualità della produzione e test dell'invecchiamento
Livello 2: sistemi di gestione della batteria
Livello 3: far funzionare il cloud
Questi tre strati sono simili a una manifestazione in cui abbiamo bisogno di un'auto affidabile, un pilota e un co-pilota.
Livello 1: controllo di qualità della produzione e test di invecchiamento
Le batterie possono essere pensate come auto da rally. Per il raduno, abbiamo bisogno di un'auto affidabile e di alta qualità.
Tuttavia, i produttori di cellule non possono garantire la qualità del 100% per ogni cella. Pertanto, i test di qualità svolgono un ruolo cruciale nell'approccio tradizionale alla prevenzione dei guasti della batteria al litio.
I test off-line vengono condotti dopo la produzione per vedere se le celle soddisfano gli standard di qualità indicati. Tuttavia, questi test di solito non sono molto accurati e possono setacciare i numerosi test per trovare ovvie mele cattive. Poco dopo la produzione, analisi come la capacità iniziale o le misurazioni dell'impedenza vengono spesso utilizzate per aiutare a identificare le cellule difettose.
I test di certificazione sono fondamentali per ogni prodotto perché devono essere condotti da una prospettiva legale. In questi test, devono essere eseguiti test standardizzati e il produttore deve dimostrare un comportamento relativo alla sicurezza.
Al fine di comprendere il comportamento di invecchiamento delle batterie, i test di calendario e i test di ciclismo vengono eseguiti nel corso di mesi e anni nei test di laboratorio prescritti. Tuttavia, questi test richiedono molto tempo, costosi, controllano solo alcune parti della batteria e non sono scalabili per i sistemi di liquidazione del campo. Le batterie sulle nostre strade, nelle nostre case, o connesse alla griglia sperimentano diverse condizioni ambientali e profili di carico rispetto a quelle testate in laboratorio.
I test di qualità della produzione valutano solo un punto specifico nel tempo, motivo per cui è necessario un ulteriore livello di sicurezza.
Livello 2: sistema di gestione della batteria
I sistemi di gestione delle batterie (BMS) possono essere pensati come conducenti di rally che si concentrano sulla strada e mantengono costantemente le loro auto al sicuro in pista. Tuttavia, hanno bisogno di più tempo e risorse per vedere il quadro più ampio.
I BMS mantengono le batterie nel loro intervallo operativo sicuro atteso e minimizzano l'impatto di un singolo fallimento della cella sul pacchetto o sul modulo interessato. Lo fanno da:
Misurare la tensione cellulare, la corrente e la temperatura
Calcolo e monitoraggio dello stato di carica (SOC)
Bilanciamento delle celle allo stesso livello di tensione per un funzionamento sicuro
Se i valori sono vicini alle condizioni al contorno marginali o superano, il BMS dovrebbe portare il sistema in uno stato sicuro modificando le operazioni o chiudendo il sistema della batteria. Il BMS è una misura di sicurezza passiva ma necessaria.
Sfortunatamente, BMS ha i suoi svantaggi:
Vede solo la condizione attuale
È possibile vedere solo le celle nel pacco batteria corrispondente
Potenza computazionale limitata e segue semplici regole
A causa di queste limitazioni, il BMS non è in grado di rilevare anomalie correlate alla sicurezza che si verificano all'interno di un intervallo di valori specificato, eseguire analisi approfondite per calcolare più accuratamente lo stato della batteria o prevedere le tendenze a lungo termine. Come hanno dimostrato gli incidenti precedenti, i limiti del BMS possono portare a guasti alla batteria agli ioni di litio che possono mettere a rischio le aziende. Ciò aumenta anche la complessità della valutazione dei rischi di sicurezza, poiché la qualità del BMS deve essere considerata oltre alla qualità di produzione della batteria. I sensori possono fallire, portando a eventi critici per la sicurezza. La qualità del sensore e la potenza di calcolo possono essere migliorate, portando a costi più elevati. Ma la domanda rimane: se il BMS monitora la batteria, chi monitora il BMS?
Livello 3: far funzionare il cloud
L'analisi della batteria basata su cloud può essere considerata il co-pilota di un'auto da rally, garantendo la strada e la strategia giuste. Il BMS si concentra sul problema immediato, mentre il cloud si occupa del quadro generale.
L'analisi basata su cloud aggiunge un ulteriore livello di sicurezza al BMS. I dati BMS vengono raccolti nel cloud, creando un database storico che consente un'analisi più profonda e più avanzata del comportamento del sistema delle batterie durante il funzionamento e la ricarica in condizioni del mondo reale. Questa analisi utilizza modelli di batterie a base fisica e apprendimento automatico per determinare e prevedere l'invecchiamento e la sicurezza della batteria. Rispetto a un BMS, l'analisi del cloud è una misura di sicurezza preventiva perché analizzano le tendenze della salute a lungo termine e rilevano anomalie. Ciò è importante perché i meccanismi di invecchiamento critici per la sicurezza possono anche verificarsi se il BMS mantiene la batteria all'interno della sua gamma di valori previsti per tutto il ciclo di vita.
