Rozwój pojazdów elektrycznych wiąże się także z licznymi zmianami dotyczącymi homologacji zarówno całego pojazdu, jak i jego poszczególnych komponentów. Jednym z kluczowych komponentów pojazdu elektrycznego jest system bateryjny i to właśnie proces homologacyjny tego komponentu chcielibyśmy przybliżyć w tym artykule.
Aktualnie obowiązującą wersją regulaminu dotyczącego baterii litowo-jonowych jest regulamin UN ECE R100.03, czyli z trzecią serią poprawek, która zastąpiła obowiązującą do września 2023 drugą serię poprawek, czyli UN ECE R100.02. Homologacje wydane wg R100.02 przed 01.09.2023 będą honorowane w Unii Europejskiej do września 2025, o ile nie zostaną rozszerzone do standardu R100.03. Główną różnicą w zakresie badań pomiędzy starszą a nowszą wersją regulaminu, jest poszerzenie zakresu badań o badanie związane z propagacją termiczną (ang. thermal propagation), w których producent musi pokazać, że podjął wystarczające środki, żeby zminimalizować ryzyko dla użytkowników pojazdu wyposażonego w badaną baterię.
W testach homologacyjnych baterię doprowadza się do skrajnych obciążeń elektrycznych i strukturalnych, w celu sprawdzenia bezpieczeństwa jej funkcjonowania w ekstremalnych przypadkach. Regulamin R100.03 nie wymaga wprost, żeby bateria była wyposażona w systemy zabezpieczające. Wystarczy, że urządzenie w czasie testów nie zapali się, nie wybuchnie, nie dojdzie do wycieku elektrolitu, dymienia ani rozsadzenia obudowy. W praktyce jednak można z bardzo dużą pewnością założyć, że bez zabezpieczeń większość testów doprowadziłaby do co najmniej jednego z wymienionych niebezpiecznych zjawisk, dlatego ostatecznie systemy zabezpieczające są konieczne.
Na proces homologacji baterii składają się między innymi następujące procedury:
- Testy zabezpieczeń napięciowych, w których badane jest zachowanie baterii w skrajnych wartościach stanu naładowania SOC. Na przykład, w teście odporności na nadmierne rozładowanie sprawdza się, czy bateria posiada układ automatycznego wyłączenia w sytuacji, gdy będziemy próbować pobierać z niej energię w nieskończoność, tj. poniżej 0% SOC. Nadmierne rozładowanie może bezpowrotnie uszkodzić ogniwa, dlatego konieczne jest wyposażenie baterii w system zabezpieczający przed taką sytuacją. Podobna procedura dotyczy odporności na nadmierne naładowanie, czyli powyżej 100% SOC.
- Testy zabezpieczeń prądowych, w czasie których bateria poddana jest skrajnym obciążeniom elektrycznym i sprawdza się zabezpieczenia przeciw zbyt wysokiej wartości pobieranego prądu. Dodatkowo w ramach testu zwarcia zewnętrznego specjalnie doprowadza się do zwarcia ze sobą terminali baterii i sprawdza się jej zachowanie w takim przypadku. W praktyce oznacza to, że bateria musi być wyposażona w odpowiedni bezpiecznik, który jak najszybciej zakończy zwarcie.
- W badaniu zabezpieczeń przed zbyt wysoką temperaturą bateria umieszczona jest wewnątrz komory klimatycznej, która pozwala na szybkie zmiany temperatury. Ma to symulować użytkowanie komponentu w środowisku o wysokiej temperaturze. Dodatkowo w czasie testu bateria jest na przemian ładowana i rozładowywana, co jeszcze szybciej podnosi jej temperaturę. Badanie kończy się wynikiem pozytywnym, jeżeli bateria wyłączy się automatycznie przy najwyższej temperaturze pracy, jaką deklaruje producent.
- Test gwałtownych przeciążeń (wstrząs mechaniczny) polega na rozpędzeniu baterii na specjalnym stanowisku testowym i następnie gwałtownym wyhamowaniu z przeciążeniem określonym przez regulamin R100.03. Jego najwyższa wartość wynosi co najmniej 20 g, co odpowiada średniemu przeciążeniu występującym przy zderzeniu czołowym ze ścianą przy prędkości około 80 km/h. Test przeprowadza się w dwóch kierunkach: wzdłużnie i poprzecznie.
- W teście odporności na wibracje bateria umieszczona na stole wibracyjnym poddawana jest trwającemu trzy godziny cyklowi wibracji określonemu ściśle przez regulamin.
- Próba integralności mechanicznej (zgniatanie) jest ostatecznym sprawdzianem dla struktury nośnej baterii, który może skończyć się uszkodzeniem urządzenia. Polega na przyłożeniu do obudowy baterii specjalnej płyty zgniatającej i wywarciu ekstremalnego nacisku co najmniej 100 kN, co odpowiada zgniataniu przez masę aż 10 ton. Badanie wykonuje się w dwóch kierunkach: wzdłuż i w poprzek baterii, a po badaniu duże znaczenie ma sprawdzenie, czy na skutek potencjalnego uszkodzenia przewodów elektrycznych w baterii nie doszło do przebicia izolacji.
- Najbardziej ekstremalnym testem jest sprawdzenie odporności na ogień, które przeprowadza się poprzez umieszczenie baterii nad zbiornikiem z płonącą benzyną. Bateria musi zostać poddana działaniu otwartego ognia przez czas 130 sekund, po czym należy zakończyć wystawienie na działanie płomieni i obserwować urządzenie do ostygnięcia do temperatury otoczenia lub przez minimalny czas 3 godzin. Aby uzyskać pozytywny wynik, w czasie badania nie może dojść do wybuchu baterii. Przebieg badania jest bardzo konkretnie określony przez regulamin R100.03. Dotyczy to również budowy stanowiska testowego i warunków otoczenia. Przykładowo wymagane jest, żeby w przestrzeni testowej na poziomie zbiornika z benzyną prędkość podmuchów wiatru nie przekraczała wartości 2,5 km/h.
W trzeciej serii poprawek do regulaminu R100 wprowadzono wymagania dotyczące bezpieczeństwa w przypadku wystąpienia propagacji termicznej. Zjawisko ucieczki termicznej (ang. thermal runaway) dotyczy pojedynczego ogniwa w baterii i oznacza jego zapłon na skutek np. fizycznego przebicia lub przegrzania. Jeżeli ogień z tego jednego ogniwa doprowadza do zapłonu kolejnych ogniw w baterii, mamy do czynienia z propagacją termiczną (ang. thermal propagation). Zjawisko to działa na zasadzie reakcji łańcuchowej i może prowadzić do zapłonu całego pakietu bateryjnego. Aktualne wymagania regulaminu R100.03 stanowią, że system zabezpieczeń baterii powinien wydać sygnał ostrzegawczy o niebezpieczeństwie w czasie 5 minut przed wystąpieniem zagrożenia w przedziale pasażerskim pojazdu. W praktyce oznacza to, że bateria musi być wyposażona w system wykrywania i powiadomienia o ucieczce termicznej a jej konstrukcja musi opóźnić rozwój propagacji termicznej przez czas co najmniej 5 minut, aby umożliwić użytkownikom bezpieczne opuszczenie pojazdu. Cechy te sprawdza się w specjalnym teście obejmującym doprowadzenie do wystąpienia ucieczki termicznej.
Po pozytywnym przejściu wszystkich wymagających testów i uzyskaniu homologacji cząstkowej na baterię, producent ma prawo umieścić oznaczenie numeru homologacji na komponencie. Finalnie komponent może zostać zastosowany w pojeździe, a homologacja cząstkowa staje się częścią dokumentacji homologacyjnej całopojazdowej. Znak homologacji oznacza, że prawidłowe i bezpieczne działanie baterii zostało zweryfikowane w najbardziej ekstremalnych przypadkach, dzięki czemu zapewniony jest bardzo wysoki stopień bezpieczeństwa funkcjonalnego dla użytkowników pojazdów elektrycznych. Tak rygorystyczne procedury sprawiają, że, wbrew powszechnym mitom, współczesne pojazdy elektryczne są bezpieczne, a ich baterie pozostają odporne na bardzo wymagające warunki pracy oraz awarie i uszkodzenia.
W Ennovation Technology przeprowadziliśmy homologację naszych baterii dla wszystkich typów pojazdów osobowych i ciężarowych (M1, M2, M3, N1, N2, N3). Baterie te mogą być łączone szeregowo i równolegle, tworząc modułowy system bateryjny, którego parametry możemy dostosować do konkretnego zastosowania. Jako producent baterii litowo-jonowych możemy stworzyć projekt od zera i następnie zająć się homologacją – część badań wykonujemy u nas w firmie, co pozwala obniżyć koszty i skrócić czas realizacji.