Batterisäkerhet

När vi pratar om batterier till elbilar pratar vi allt som oftast om räckvidd, kostnad och livslängd. Räckvidden diskuteras i termer av batterikapacitet och energiinnehåll; kWh och kWh/kg är parametrar som är lätta att jämföra, och generellt gäller att ju högre siffror desto dyrare batteri. Men det finns fler parametrar som påverkar både räckvidd, kostnad och livslängd. Den ena är effekt, vilket man inte ’får på köpet’ om man har mycket energi, utan beror helt på hur cellen är konstruerad. Den andra parametern är säkerhet.
Vi kommer att belysa säkerhet och det arbete som görs och bör göras. Imorgon kan ni lyssna på en podd där jag pratar med en av de som är mest insyltade i det globala arbetet som bedrivs.
För att gå ut hårt – det finns inga säkra batterier!
Säkerhet är ett objektivt begrepp och handlar till mångt och mycket om att minimera risker.
Detta kan vi göra genom att förstå vad som kan hända: analysera och testa. Riskminimering måste göras på flera nivåer – cellmaterial, celldesign, packkonstruktion, styrstrategier, kylsystem, osv. – allt för att på packnivå ha så låg sannolikhet som möjligt för att något oförutsett ska hända. Bara för att man valt en cell med låg risk kan packet vara förknippad med ytterst hög risk, allt avhängt hur bra du är på att designa ett pack.
Visst skulle det teoretiskt gå att eliminera alla risker, men batteripacket skulle ha så många hängslen och livremmar att bilen vore obrukbar.
Om en produkt beter sig så som vi tänker oss, dvs. enligt en viss standard, tänker vi sällan på att det finns säkerhetsrisker, detta oberoende av om produkten verkligen är säker eller inte. Den upplevda säkerheten är däremot mycket subjektiv och avspeglar användarens erfarenheter och uppfattning av säkerhet.
Batteriet oskyldigt dömt
Det händer att elbilar brinner, och vi får ofta läsa om dessa skräckexempel i tidningarna. Batteriet får oftast stå med Svarte Petter även om det i de allra flesta fall är helt oskyldigt. Utifrån medias rapportering kan vi lätt luras tro att alla elbilar är farliga och kan spontant börja brinna. Ingen tänker på att mobiltelefonen ofta är en säkerhetsrisk…
Av alla de elbilsbränder som har skett så har batteriet aldrig börjat brinna spontant. Fordon som varit med om en så kraftig krock att batteriet utstått omfattande mekanisk deformation kan kortslutas och därmed utveckla stora mängder termisk energi när battericeller urladdas okontrollerat. Vanligtvis är det något fel i elsystemet som triggat eller så har branden startat någon annanstans i fordonet Ofta kan det vara svårt att avgöra vad som skett, varför man ofta måste göra en omfattande utredning där man plockar isär batteriet i sina beståndsdelar.
Det händer att jag får höra att ”mitt batteri är säkert för jag har valt LFP-celler”. Det du säger är att du valt en cell som innehåller en kemi som är förknippad med en låg risk (inte noll risk). Däremot kan cellen och packet vara konstruerade på ett sätt som gör att ditt batteri lättare havererar. Det är lite som att säga ”jag kan inte skada mig när jag cyklar för jag använder hjälm”. Om din cykel saknar bromsar och du inte följer trafikreglerna hjälper ingen hjälm i världen om du då skadar dig.
Ofta är en förhöjd säkerhetsrisk i batteriet kopplat till temperatur. Ett väl designat kylsystem kan hantera förhöjda celltemperaturer till en viss nivå. En allt för snabb temperaturhöjning, t.ex. en brand eller en termisk rusning pga. intern kortslutning i cellen eller packet, kan inte kylsystemet klara av och resultatet kan bli att cellen ventilerar, går sönder, eller brinner.
Global kravbild
Det vi gör med ny teknik är att relatera säkerhet till andra, liknande produkter eller tekniker. En produkt ska möta vissa standarder och testas enligt gängse normer. Men hur representativa är dessa tester? En fråga som inte är lätt att svara på, och vilka säkerhetsförlopp är allvarligare än andra? Bilden kan lätt bli komplex och det är allmänt accepterat att händelseförlopp som startar i cellens innandöme inte kan testas tillförlitligt med hjälp av yttre triggermekanismer.
Som för alla andra fordon sker det ett globalt arbete för att bestämma branschstandarder för elfordon. FN driver ett stort arbete kring globala tekniska lagkrav för elfordon inom ramen för UN ECE, där även emissioner (gaser, partiklar och ljud) ingår. El- och batterisäkerhetsaspekter på eldrivna fordon behandlas inom delområdet passiv säkerhet.
Inom direktivet R100_02 som gäller inom EU, Japan och Sydkorea, som uppdaterades 2013 för att täcka in batterielfordon, har man tagit fram säkerhetskrav för normal användning av ett elfordon. Det rör sig om krav kring vibrationer, krock, extern brand, över- och underladdning, termisk chock, etc. Just nu arbetar man med att utveckla globala tekniska lagkrav (GTR) för elbilssäkerhet. I det sammanhanget diskuteras att utöka grundkraven från R100_02 med krav som rör frågor relaterade till batteriers motståndskraft mot vatten, termisk fortplantning (i både packet och till fordonet) och läckage av elektrolyt. Det som man ska komma ihåg när det gäller läckage av elektrolyt är att inga Li-jonbatterier kan läcka elektrolyt under normala förhållanden. Cellerna är hermetiskt tillslutna och den fria mängden elektrolyt inne i cellen är ofta mycket liten; typiska mängder för en modern Li-joncell är enstaka milliliter vätska.
Att accelerera tester är populärt inom livslängdstestning. Mycket sällan speglar testerna vad som sker i verkligheten och det är svårt att översätta resultaten till vad som sker under normal användning. Samma sak gäller för säkerhetstestning. Det går att tvinga fram situationer där säkerhetsrisken är mycket hög. Man kan krocka batterier och bilar, man kan överladda batteriet eller starta en brand, osv. Men hur testar man en intern kortslutning utan att sticka en nål genom den?
Ett annat område är ventilering, dvs. att cellen går sönder och släpper ut gas ifall ett övertryck uppstått. Gasutveckling kan ske inne i cellen pga. felanvändning, ofta i kombination med en åldrad cell. Många celler är utrustade med någon form av säkerhetsventil. Det kan vara en fysisk ventil eller en försvagning i höljet på ett eller flera ställen som brister vid ett förhöjt tryck inne i cellen. Gaserna kan innehålla brännbara och/eller giftiga ämnen som kan skada omgivning, passagerare eller orsaka korrosion av elkretsar, etc.
Utmaningen ligger i att definiera objektiva tester som kan verifiera (eller dementera) den subjektiva säkerhetsrisken. Mer om detta imorgon.
Det finns inga säkra batterier – men risknivån kan hållas låg med kunskap och smart packdesign.