אין סוללה בטוחה לחלוטין בעולם, יש רק סיכונים שאינם מזוהים ונמנעים במלואם. עשה שימוש מלא בתפיסת פיתוח בטיחות מוצר מוכוונת אנשים. למרות שאמצעי המניעה אינם מספיקים, ניתן לשלוט בסיכוני הבטיחות.

קחו לדוגמה את תאונת הדגם שהתרחשה בכביש המהיר בסיאטל ב-2013. קיים רווח עצמאי יחסית בין כל מודול סוללה בחבילת הסוללות, אשר מבודד על ידי מבנה חסין אש. כאשר המכונית בתחתית מכסה הגנת המצבר מנוקבת על ידי חפץ קשיח (כוח הפגיעה מגיע ל-25 ט’ ועובי הפאנל התחתון המפורק הוא כ-6.35 מ”מ וקוטר החור הוא 76.2 מ”מ), מודול המצבר הוא תרמית. יצאו משליטה ושריפות. במקביל, מערכת הניהול התלת-מפלסית שלו יכולה להפעיל את מנגנון הבטיחות בזמן כדי להזהיר את הנהג לעזוב את הרכב בהקדם האפשרי, ובסופו של דבר להגן על הנהג מפני פציעה. הפרטים של עיצוב הבטיחות בשימוש בכלי הרכב החשמליים של טסלה אינם ברורים. לכן, בדקנו את הפטנטים הקשורים למערכת אחסון האנרגיה החשמלית לרכב חשמלי של טסלה, בשילוב עם המידע הטכני הקיים, וביצענו הבנה ראשונית, בתקווה שאחרים טועים. אנו מקווים שנוכל ללמוד מטעויותיו ולמנוע חזרה על טעויות. יחד עם זאת, אנו יכולים לתת משחק מלא לרוח העתקות ולהגיע לקליטה וחדשנות.

ערכת סוללות של TeslaRoadster

מכונית ספורט זו היא מכונית הספורט החשמלית הטהורה המיוצרת הראשונה של טסלה בשנת 2008, עם ייצור מוגבל עולמי של 2500. מארז הסוללות שנשא דגם זה ממוקם בתא המטען מאחורי המושב (כמתואר באיור 1). כל ערכת הסוללות שוקלת כ-450 ק”ג, בעלת נפח של כ-300 ליטר, אנרגיה זמינה של 53kWh, ומתח כולל של 366V.

ערכת הסוללות מסדרת TeslaRoadster מורכבת מ-11 מודולים (כמתואר באיור 2). בתוך המודול, 69 תאים בודדים מחוברים במקביל ליצירת לבנה (או “לבנת תאים”), ואחריהם תשעה לבנים המחוברות בסדרה ליצירת ערכת סוללות מודול A עם סך של 6831 תאים בודדים. המודול הוא יחידה הניתנת להחלפה. אם אחת הסוללות שבורה, יש להחליף אותה.

ניתן להחליף את המודול המכיל את הסוללה; במקביל, המודול העצמאי יכול להפריד את הסוללה הבודדת בהתאם למודול. נכון לעכשיו, התא הבודד שלו הוא בחירה חשובה לייצור Sanyo 18650 של יפן.

במילותיו של האקדמיה צ’ן ליקוואן מהאקדמיה הסינית למדעים, הוויכוח על בחירת קיבולת התא הבודד של מערכת אחסון האנרגיה של הרכב החשמלי הוא ויכוח על נתיב הפיתוח של כלי רכב חשמליים. נכון לעכשיו, בשל המגבלות של טכנולוגיית ניהול הסוללות וגורמים אחרים, מערכות אחסון האנרגיה של הרכב החשמלי של ארצי משתמשות בעיקר בסוללות פריזמטיות בעלות קיבולת גדולה. עם זאת, בדומה לטסלה, יש מעט מערכות אחסון אנרגיה לרכב חשמלי המורכבות מסוללות בודדות בעלות קיבולת קטנה, כולל Hangzhou Technology. פרופסור לי גכן מאוניברסיטת חרבין למדע וטכנולוגיה הציג מונח חדש “בטיחות פנימית”, אשר הוכר על ידי כמה מומחים בתעשיית הסוללות. שני תנאים מתקיימים: האחד הוא הסוללה בקיבולת הנמוכה ביותר, מגבלת האנרגיה אינה מספיקה כדי לגרום לתוצאות חמורות, אם היא נשרף או מתפוצצת בשימוש לבד או באחסון; שנית, במודול הסוללה, אם סוללה עם הקיבולת הנמוכה ביותר נשרפת או מתפוצצת, לא תגרום לשרשראות תאים אחרות להישרף או להתפוצץ. בהתחשב ברמת הבטיחות הנוכחית של סוללות ליתיום, Hangzhou Technology משתמשת גם בסוללות ליתיום גליליות בעלות קיבולת קטנה, ומשתמשת בשיטות מקבילות וסדרתיות מודולריות להרכבת ערכות סוללות (נא לעיין ב-CN101369649). התקן חיבור הסוללה ותרשים ההרכבה מוצגים באיור 3.

יש גם בליטה בראש מארז הסוללות (אזור P8 באיור 5, המתאים לבליטה בצד ימין של איור 4). התקן שני מודולי סוללה לפעולות ערימה ופריקה. חבילת הסוללות כוללת בסך הכל 5,920 תאים בודדים.

8 האזורים (כולל הבליטות) בחבילת הסוללות מבודדים לחלוטין אחד מהשני. קודם כל, לוחית הבידוד מגדילה את החוזק המבני הכולל של ערכת הסוללות, מה שהופך את כל מבנה ערכת הסוללות לחזק יותר. שנית, כאשר סוללה באזור אחד עולה באש, ניתן לחסום אותה ביעילות כדי למנוע מצברים באזורים אחרים להתלקח. ניתן למלא את החלק הפנימי של האטם בחומרים בעלי נקודת התכה גבוהה ומוליכות תרמית נמוכה (כגון סיבי זכוכית) או מים.

מודול הסוללה (כמתואר באיור 6) מחולק ל-7 אזורים (אזורי m1-M7 באיור 6) על ידי החלק הפנימי של המפריד בצורת s. צלחת הבידוד בצורת s מספקת ערוצי קירור עבור מודולי הסוללה ומחוברת למערכת הניהול התרמית של ערכת הסוללות.

בהשוואה לחבילת הסוללות של Roadster, למרות שלמארז הסוללות הדגם יש שינויים ברורים במראה, התכנון המבני של מחיצות עצמאיות למניעת התפשטות הבריחות התרמיות נמשך.

בשונה מחבילת הסוללות של Roadster, הסוללה הבודדת שוכבת שטוחה במכונית, והסוללות הבודדות של ערכת הסוללות מדגם Model מסודרות בצורה אנכית. מכיוון שהסוללה היחידה נתונה לכוח מעיכה במהלך התנגשות, הכוח הצירי נוטה יותר ללחץ תרמי לאורך מתפתל הליבה מאשר הכוח הרדיאלי. מכיוון שהקצר הפנימי יצא מכלל שליטה, באופן תיאורטי, יש סיכוי גבוה יותר שחבילת הסוללות של מכונית הספורט תהיה בהתנגשות צדדית מאשר בכיוונים אחרים. לחץ ובריחה תרמית נוטים להתרחש. כאשר ערכת הסוללות של הדגם נלחצת ומתנגשת בתחתית, יש סיכוי גבוה יותר להתרחש בריחה תרמית.

מערכת ניהול סוללה תלת דרגתית

בניגוד לרוב היצרנים הרודפים אחרי טכנולוגיית סוללות מתקדמת יותר, טסלה בחרה בסוללת ליתיום 18650 בוגרת יותר במקום סוללה מרובעת גדולה יותר עם מערכת ניהול הסוללה בעלת שלוש הרמות שלה. עם עיצוב ניהול היררכי, ניתן לנהל אלפי סוללות בו-זמנית. המסגרת של מערכת ניהול הסוללות מוצגת באיור 7. קח כדוגמה את מערכת ניהול הסוללות התלת-מפלסית של טסלה:

1) ברמת המודול, הגדר צג סוללה (BatteryMonitorboard, BMB) כדי לנטר את המתח של הסוללה הבודדת בכל לבנה במודול (כיחידת הניהול הקטנה ביותר), הטמפרטורה של כל לבנה ומתח המוצא של המודול כולו.

2) הגדר את BatterySystemMonitor (BSM) ברמת ערכת הסוללה כדי לנטר את מצב הפעולה של ערכת הסוללות, כולל זרם, מתח, טמפרטורה, לחות, מיקום, עשן וכו’.

3) ברמת הרכב, הגדר VSM לניטור ה-BSM.

בנוסף, טכנולוגיות כגון הגנת זרם יתר, הגנת מתח יתר וניטור התנגדות בידוד מגולמות בפטנטים אמריקאים US20130179012, US20120105015 ו-US20130049971A1, בהתאמה.