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Acerca de la seguridad de las baterías de litio de los vehículos eléctricos: fuga térmica

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Acerca de la seguridad de las baterías de litio de los vehículos eléctricos: fuga térmica

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El principal motivo de los incendios de vehículos eléctricos son los incendios de baterías, causados principalmente por el desbordamiento térmico de la batería. La llamada fuga térmica se refiere al calentamiento de las baterías eléctricas durante su funcionamiento. Cuando la temperatura de la batería es demasiado alta o la tensión de carga es demasiado alta, se produce una cadena de reacciones químicas en el interior de la batería, lo que provoca un aumento brusco de la presión y la temperatura internas, que conduce al desbordamiento térmico y, en última instancia, a la combustión.

Hay varias razones para el desbordamiento térmico de las baterías, que pueden deberse a la temperatura desigual del propio paquete de baterías, a la alta temperatura en zonas locales, a cortocircuitos externos, a cortocircuitos internos y a otras razones que pueden provocar la ignición. El diseño del separador es uno de los factores importantes que afectan a la aparición de cortocircuitos internos en las baterías. Si el margen de diseño del diafragma es insuficiente o la dirección de diseño es incorrecta, afectará a la ductilidad mecánica y a la flexibilidad del diafragma, provocando su contracción durante el proceso de carga, y entonces los polos positivo y negativo entrarán en contacto entre sí, provocando un cortocircuito.

Al mismo tiempo, el proceso de producción no está estrictamente controlado, y las partículas metálicas se mezclan en las celdas de la batería. Estas impurezas pueden provocar reacciones diferenciales en la superficie del electrodo durante el proceso de carga y descarga, que pueden acumularse y perforar el diafragma, provocando cortocircuitos. Una vez que una celda de la batería se encuentra con un problema, como un cortocircuito, un circuito abierto, etc., afectará a otras celdas del paquete de baterías, causando graves problemas internos y, en última instancia, provocando problemas de seguridad.

1 Sistema de gestión de baterías

Los vehículos eléctricos contienen una gran cantidad de baterías de litio, y si un eslabón no está bien hecho, se producirá una reacción en cadena. Aparte de los esfuerzos de los fabricantes de baterías y las empresas de recarga, la responsabilidad que deben asumir realmente los fabricantes de vehículos no es ligera. Porque el Sistema de Gestión de Baterías (BMS) es un elemento importante en la arquitectura general de los vehículos eléctricos, y éstos son diseñados actualmente por el fabricante del vehículo. El BMS se encuentra en el núcleo del sistema de baterías eléctricas y es un componente esencial para la protección y gestión de las baterías. El BMS no sólo garantiza el uso seguro y fiable de la batería, sino que también controla la carga y descarga del paquete de baterías, y comunica los parámetros básicos y la información sobre fallos del sistema de baterías de potencia al controlador del vehículo. Se puede decir que es un puente entre la batería, el controlador del vehículo y el conductor.

El sistema de gestión térmica es importante en el BMS, y su principio básico de funcionamiento es mantener la temperatura del pack de baterías dentro de un determinado rango de temperatura mediante refrigeración o calefacción para garantizar el rendimiento y la vida útil de las celdas de la batería. El sistema de gestión térmica se divide principalmente en tres categorías: sistema de calefacción, sistema de refrigeración por aire y sistema de refrigeración por agua. Los distintos esquemas de diseño tienen principios de funcionamiento diferentes, pero existe la posibilidad de que se produzca un desbordamiento térmico del pack de baterías.

En primer lugar, el sistema refrigerado por agua es un método de gestión térmica que reduce la temperatura de las celdas de la batería mediante el intercambio de calor por convección de líquido. Sin embargo, la placa refrigerada por agua suele estar situada en la parte inferior del pack de baterías y se coloca sobre el chasis del vehículo. Los impactos anormales, los arañazos en la parte inferior o los fallos de fiabilidad a largo plazo de la estructura del diseño refrigerado por agua durante el funcionamiento a largo plazo pueden provocar fugas de refrigerante, lo que lleva al fallo de aislamiento del paquete de baterías y al desbocamiento térmico de todo el vehículo.

En segundo lugar, el sistema refrigerado por aire es un método de gestión térmica que utiliza el aire como medio y aprovecha la convección térmica para reducir la temperatura de las celdas de la batería. Sin embargo, el diseño refrigerado por aire puede aumentar la dificultad de sellado del sistema de baterías. Durante el funcionamiento a largo plazo del vehículo, la estructura de sellado falla, lo que supone un riesgo de fuga térmica debido a la entrada de agua y al fallo del aislamiento durante la conducción en días nublados y lluviosos. Por último, para los vehículos eléctricos utilizados principalmente en regiones frías, se utiliza un sistema de calefacción, que utiliza una película calefactora para calentar el paquete de baterías y mantenerlo dentro de un rango de temperatura de trabajo razonable, garantizando el rendimiento de las celdas de la batería. El diseño poco razonable de la potencia calorífica o el esquema de montaje de la película calefactora, o su fallo de fiabilidad a largo plazo, también pueden provocar fallos de aislamiento del paquete de baterías, lo que puede dar lugar a sucesos de desbocamiento térmico.

2 Materiales de la batería

En la actualidad, existen soluciones técnicas para estos problemas de gestión térmica, y el hecho de que puedan resolverse eficazmente es un indicador que refleja la progresividad tecnológica de cada fabricante. Para resolver el problema de la autonomía de los vehículos eléctricos, la mejora de la relación energética de las baterías de potencia es un camino necesario para el desarrollo. Para mejorar la relación energética, es necesario ajustar la proporción de materiales relacionados con las baterías de litio.

En la actualidad, la mayoría de las baterías de potencia para turismos utilizan un sistema ternario, lo que significa que el material del electrodo positivo son baterías de litio níquel cobalto óxido de manganeso o de litio níquel cobalto óxido de aluminio. Según las distintas proporciones de níquel, cobalto y manganeso, pueden dividirse a su vez en los tipos 111, 532, 622 y 811. A medida que aumente la proporción de níquel, también aumentará la proporción de energía de la batería de potencia, lo que significa que la autonomía del coche aumentará en consecuencia. En el caso de las baterías de litio, la seguridad, la vida útil, el coste y la densidad energética se encuentran en un equilibrio dinámico. Si aumenta la densidad energética, las otras tres tendrán inevitablemente algunos problemas.

Cuanto mayor sea la proporción de níquel, menor será la estabilidad térmica de todo el material del electrodo positivo. Las baterías con alto contenido en níquel pueden presentar riesgos de seguridad cuando se exponen a altas temperaturas, impactos externos y otros factores. La generación de gas durante la carga de las baterías de alto contenido en níquel también puede provocar el hinchamiento de la batería, lo que constituye un problema importante. Al mismo tiempo, una vez que la batería 811 experimenta una fuga térmica, las consecuencias también son bastante graves.

En el pasado, el desbordamiento térmico de las baterías de litio hierro fosfato sólo producía humo; la batería ternaria de litio tipo 532 puede experimentar combustión debido al desbordamiento térmico. Una vez que la batería ternaria de tipo 811 pierde su control térmico, es probable que experimente una detonación. La búsqueda de una alta densidad energética es inevitable para el desarrollo. Pero para el desarrollo de baterías de alta energía específica para vehículos eléctricos, la seguridad será siempre la máxima prioridad.

3 Seguridad de las baterías de los vehículos eléctricos

La seguridad de los vehículos eléctricos no es algo que deban hacer una o dos empresas, o una o dos empresas de enlace. Se trata de una cuerda que todas las empresas, desde el nivel normativo hasta toda la cadena industrial, deben tensar con firmeza. La prioridad es que el producto supere las normas. En accidentes anteriores, los productos de vehículos eléctricos han tenido más o menos problemas. Pruebas y verificación insuficientes de los productos de baterías, deterioro de la fiabilidad durante el uso del vehículo y bajo nivel de la tecnología de gestión de la seguridad de la carga.

El aspecto más destacable es que el concepto de tiempo de escape se propuso por primera vez en las normas nacionales obligatorias pertinentes. Según la normativa, el paquete o sistema de baterías debe emitir una señal de alarma de evento térmico (que sirva de alarma de evento térmico del vehículo para recordar a los pasajeros que deben evacuar) 5 minutos antes de que un solo desbordamiento térmico de la batería provoque una difusión térmica y suponga un peligro para el habitáculo.

Una vez que se produce la señal de alarma, los ocupantes del vehículo tienen tiempo suficiente para escapar, minimizando así los riesgos para su seguridad personal. La opción más indefensa es informar de un peligro, y la mejor estrategia es cortar el peligro de raíz. En condiciones de trabajo complejas, es inevitable que las baterías de los vehículos eléctricos tengan problemas con el paso del tiempo. Por lo tanto, es urgente vigilar proactivamente la seguridad de los vehículos eléctricos.

En la actualidad, los vehículos eléctricos y los de combustible utilizan el mismo sistema de pruebas, pero faltan pruebas de ciclo de vida completo para los vehículos eléctricos en todo el mundo. Esto dificulta que los vehículos eléctricos detecten a tiempo problemas menores tras un uso prolongado. Con el tiempo, acabarán surgiendo problemas de seguridad.

Varias centrales eléctricas de litio han pedido que se establezca un sistema de pruebas normalizado para los vehículos de nueva energía, exigiéndoles que se sometan a pruebas profesionales normalizadas. A diferencia de los vehículos de gasolina, la inspección anual de los vehículos de nueva energía debería establecer el correspondiente sistema de inspección de seguridad basado en las características de las baterías eléctricas y de alto voltaje. El establecimiento de un sistema de inspección anual de nuevas energías puede garantizar la seguridad del uso de los vehículos de nuevas energías y evitar en cierta medida que se produzcan accidentes de seguridad.

Muchos vehículos del mercado actual siguen utilizándose más allá de la vida útil diseñada, lo que plantea riesgos de seguridad en las fases posteriores. Por lo tanto, se recomienda establecer normas de desguace obligatorias para los vehículos que superen los requisitos de diseño del producto en términos de tiempo de funcionamiento o kilometraje. Además, debido a la falta de un conocimiento profundo de las características de las baterías por parte de los fabricantes de vehículos y a la falta de un análisis eficaz de los datos de seguimiento, muchos fallos podrían haberse advertido con antelación mediante el análisis de los datos históricos. Por lo tanto, se recomienda que los fabricantes de vehículos compartan datos con las empresas de baterías con energía para lograr una alerta temprana y reducir los riesgos del mercado.

Además de las medidas anteriores, Nissan considera que, independientemente del sistema de conducción utilizado, cualquier vehículo que circule por carretera debe someterse a un mantenimiento y una conservación adecuados, lo cual es muy importante. El mantenimiento oportuno, el desguace periódico o la sustitución de la batería pueden eliminar por completo los riesgos para la seguridad causados por el envejecimiento del vehículo.