תא טמפרטורה רגיל בנוי על הנחה שקטה אחת: המוצר שבפנים הוא קורבן פסיבי. מכניסים פנימה מעגל אלקטרוני, פאנל או רכיב מכני, מסובבים את הטמפרטורה ובוחנים איך הוא שורד. סוללה הופכת את ההנחה הזו על פניה. תא ליתיום טעון נושא בתוכו אנרגיה משלו, הרבה אנרגיה, והוא מסוגל לשחרר אותה בלי לבקש רשות מאף אחד. מהרגע שעוסקים בבדיקת סוללות ליתיום, השאלה כבר אינה רק אם הדגם עומד במפרט. השאלה היא מה קורה לתא הבדיקה, ולאנשים שעומדים לידו, כשתא בודד מחליט להיכשל באמצע מחזור.
מקור האנרגיה נמצא בתוך הדגם
במבחן אקלים קלאסי ההספק היחיד שמטריד אותך הוא זה של אלמנט החימום ושל מערכת הקירור. בבדיקת סוללות מצטרף שחקן שלישי, הדגם עצמו. תא ליתיום מסחרי אוגר אנרגיה בצפיפות גבוהה, וכשמתרחש קצר פנימי, פגם בהפרדה בין האלקטרודות או טעינת יתר, האנרגיה הזו משתחררת כחום בקצב שאלמנט קירור פשוט לא תוכנן לבלוע. מתקבלת עלייה מקומית מהירה בטמפרטורה, שמתחילה בתא בודד ויכולה לקפוץ לשכניו. תא בדיקה ייעודי בנוי סביב ההבנה הזאת. יש בו בידוד תרמי שמתמודד עם פליטת חום פתאומית מבפנים, ולא רק עם עומס תרמי קבוע שאתה כופה מבחוץ.
בריחה תרמית, ומה קורה רגע אחרי
בריחה תרמית (thermal runaway) היא תגובת שרשרת. חום מאיץ תגובות כימיות בתוך התא, התגובות משחררות עוד חום, וכל מעלה נוספת מקצרת את הזמן עד למעלה הבאה. בנקודה מסוימת התהליך כבר לא זקוק לשום מקור חיצוני, הוא מזין את עצמו. עם החום מגיע גם גז. מצברי ליתיום פולטים בכשל תערובת של גזים דליקים ורעילים, והלחץ בתוך נפח סגור מטפס במהירות. כאן נפרדות הדרכים בין תא רגיל לתא בדיקת סוללות. תא רגיל שלא ערוך לכך יהפוך למיכל לחץ אטום עם תערובת דליקה בפנים, וזה בדיוק התרחיש שאתה רוצה למנוע במעבדה.
שחרור לחץ, אוורור גזים ודלת שעומדת בפיצוץ
שלושה אמצעים מכניים הופכים תא ניסוי למקום שבאמת אפשר לבדוק בו סוללות. הראשון הוא שחרור לחץ. לתא יש מנגנון פורקן שנפתח כשהלחץ הפנימי חוצה סף, כדי שעליית הלחץ הפתאומית מבריחה תרמית לא תקרע את גוף התא. השני הוא אוורור גזים מבוקר. במקום לתת לגזים הדליקים והרעילים להצטבר, התא מנקז אותם דרך נתיב מוגדר אל מערכת פליטה חיצונית, לעיתים דרך מסנן או מערכת דילול, הרחק מאזור העבודה. השלישי הוא דלת ומבנה שתוכננו לעמוד בעומס דינמי. לא רק להחזיק באטימות של יום יום, אלא לספוג גל לחץ בלי שהדלת תיפתח בכוח ובלי שרסיסים יעופו החוצה. השלושה עובדים יחד: שחרור הלחץ מוריד את העומס, האוורור מסלק את החומר הדליק, והמבנה החזק תופס את מה שנשאר. כשמתכננים מתקן בדיקה כדאי להוסיף לכל אלה מערכת בקרה שמזהה עשן או טמפרטורה חריגה ועוצרת את הבדיקה באופן אוטומטי.
רמות הסיכון של EUCAR כשפה משותפת
כדי לדבר על חומרת כשל בלי לתאר בכל פעם את כל התרחיש מחדש, התעשייה נשענת על סולם רמות הסיכון של EUCAR. הסולם מדרג את התוצאה של אירוע כשל החל מרמה נמוכה, שבה אין השפעה נראית לעין, דרך רמות ביניים של דליפת אלקטרוליט, פליטת גז ולהבה, ועד הרמות הגבוהות של קרע אלים והתפרקות עם פיזור חלקים. הדירוג הזה הוא יותר מטבלה לדוח. הוא קובע איזה תא ואיזו תשתית בטיחות תזדקק להם מלכתחילה. בדיקה שבה התרחיש הגרוע הסביר הוא דליפה דורשת אמצעים אחרים לגמרי מבדיקה שבה אתה מצפה לקרע אלים. התאמת עוצמת ההגנה לרמת ה-EUCAR הצפויה היא ההבדל בין מתקן שמתאים לכימיה שאתה בודק לבין מתקן שמשחק ברולטה.
מחזורי טעינה ופריקה והערכת אורך חיים
רוב הזמן הסוללה לא נכשלת בדרמטיות, היא פשוט מזדקנת. כדי למדוד את ההזדקנות הזו מריצים מחזורי טעינה ופריקה חוזרים, לעיתים מאות ואלפי מחזורים, תוך החזקת התא בטמפרטורה מבוקרת. כאן הקשר בין התא הסביבתי לבין מערכת מחזור הסוללה (battery cycler) הופך קריטי. אתה רוצה לראות איך הקיבול דועך כשהתא עובד בקור של מינוס עשרים מעלות לעומת חום של ארבעים וחמש מעלות, ואיך השילוב של מחזור עומס ועקה תרמית מאיץ את הבלאי. בדיקות מהסוג הזה רצות ימים ושבועות ברצף, ולכן יציבות הטמפרטורה לאורך זמן, אחידותה בכל נפח התא והיכולת לתעד כל מחזור חשובות לא פחות מהטווח המרבי. הערכת אורך חיים אמינה נשענת על תנאי סביבה שאפשר לשחזר בדיוק, אחרת אין דרך להשוות בין אצוות או בין דורות מוצר.
איך התקנים מתחברים לתמונה
התקנים הגדולים בתחום נותנים מסגרת לכל מה שתואר עד כאן. IEC 62660 עוסק בביצועים ובאמינות של תאי ליתיום לרכב חשמלי, וכולל בדיקות מחזור ואורך חיים בטמפרטורות שונות. UL 2580 ניגש מזווית הבטיחות של מערך הסוללה ברכב, ובוחן עמידות מול תקלות חשמליות, מכניות ותרמיות. רמות הסיכון של EUCAR משמשות כשפה לתיאור חומרת התוצאה. בפועל פרויקט בדיקה אחד נוגע בכמה מהתקנים האלה בו זמנית, כי שאלת הביצועים ושאלת הבטיחות חיות יחד באותו תא פיזי. בחירת תשתית הבדיקה נגזרת מהשילוב הספציפי של התקנים, הכימיה ורמת הסיכון שאתה צפוי לפגוש.
בשביל המהנדס שעומד לפני בחירת מתקן, התמונה פשוטה. תא טמפרטורה רגיל ימדוד לך טמפרטורה, אבל הוא לא תוכנן להכיל את מה שסוללת ליתיום עושה כשהיא נכשלת. בדיקה בטוחה דורשת התאמה בין רמת הסיכון הצפויה, אמצעי הבטיחות שמובנים בתא, ויכולת המחזור והתיעוד לאורך זמן. כאן אנחנו בח. בנץ נכנסים לתמונה ועוזרים לבחור את התצורה שמתאימה לכימיה ולתקנים שאתם עובדים מולם, מתוך מגוון תאי בדיקת הסוללות של ESPEC, כדי שהמתקן שמגיע למעבדה יתאים גם למרחב הבטיחות שאתם צריכים וגם לדרישות הבדיקה בפועל.
