Sicurezza dei sistemi di accumulo energetico e prevenzione del runaway termico tramite rilevamento precoce delle celle

Il runaway termico in un sistema di accumulo di energia a batteria non inizia con un incendio. Cambiamenti all'interno di una cella agli ioni di litio possono svilupparsi molto prima che le temperature raggiungano un livello critico. Rilevare questi cambiamenti precocemente può fornire più tempo per intervenire prima che il cedimento di una cella si trasformi in un evento di sicurezza più grave.

Una cella della batteria può diventare instabile per svariati motivi, tra cui danni interni, problemi elettrici o surriscaldamento. Ma una cella anomala non entra improvvisamente in runaway termico. La sua condizione cambia nel tempo. Le caratteristiche elettriche possono variare, possono formarsi gas e la pressione all'interno della cella può aumentare prima che un significativo aumento della temperatura diventi visibile. Questi cambiamenti creano una finestra temporale in cui il problema può essere rilevato prima che la cella raggiunga il runaway termico. Se ciò accade, il calore e i gas rilasciati possono influenzare le celle vicine e causare la propagazione del cedimento.

La sicurezza nei sistemi di accumulo, quindi, non dipende solo dal contenimento di un evento dopo l'inizio del runaway termico. Dipende anche dall'identificazione dei cambiamenti elettrici e fisici che lo precedono.

LONGi affronta questo aspetto tramite il suo sistema di contatto intelligente delle celle, o iCCS, che fa parte dell'architettura di sicurezza dei suoi sistemi di accumulo di energia a batteria, unificati sotto il nome di LONGi ONE. Oltre al monitoraggio convenzionale di tensione, temperatura e sovracorrente, iCCS utilizza indicatori aggiuntivi per identificare comportamenti anomali delle celle nelle diverse fasi del loro sviluppo.

Il runaway termico presenta stadi rilevabili

Una cella in deterioramento emette diversi segnali di avvertimento man mano che il problema si sviluppa. Per prime possono cambiare le sue caratteristiche elettriche. Successivamente, possono formarsi gas all'interno della cella, la pressione può aumentare e la cella può espandersi. Se il problema persiste, la valvola di sicurezza può aprirsi e l'elettrolita e i gas possono fuoriuscire. Variazioni di tensione e temperatura possono diventare più pronunciate man mano che la cella si avvicina al runaway termico.

Questi sono i segnali di avvertimento che l'iCCS di LONGi è progettato per monitorare. Invece di fare affidamento principalmente su tensione e temperatura, aggiunge indicatori più precoci come variazioni nella resistenza interna, pressione, stato della valvola di sicurezza e perdite di elettrolita. Le recenti ricerche sulle batterie supportano l'importanza del monitoraggio di questi cambiamenti fisici precoci. Uno studio del 2025 pubblicato su Communications Engineering ha rilevato che lo stress meccanico può rivelare comportamenti anomali delle celle prima di significativi cambiamenti di temperatura esterna in diverse condizioni di abuso. I ricercatori evidenziano una limitazione fondamentale del monitoraggio della temperatura superficiale: il calore generato all'interno di una cella impiega tempo per raggiungere il suo esterno.

La ricerca sulle celle LFP di grande capacità giunge a conclusioni simili. Uno studio del 2025 pubblicato sul Journal of Power Sources, che valutava tensione, temperatura, deformazione, pressione interna e forza esterna, ha identificato la pressione interna come un parametro efficace per tracciare lo sviluppo del runaway termico. Uno studio sperimentale separato su celle LFP da 280 Ah ha rilevato che le variazioni di stress meccanico fornivano un'indicazione precoce prima dell'apertura della valvola di sicurezza.

Questi risultati sono rilevanti per il principio di progettazione dietro l'iCCS di LONGi: una cella può fornire segnali elettrici e fisici rilevabili prima che il monitoraggio convenzionale della temperatura indichi una condizione termica critica.

LONGi iCCS estende la finestra di rilevamento

Il monitoraggio convenzionale delle celle si basa tipicamente su dati di tensione e temperatura. L'Intelligent Cell Contact System (iCCS) di LONGi aggiunge ulteriori indicatori e analisi per identificare le condizioni anomale delle celle in anticipo.

Uno di questi è la resistenza in corrente continua, o DCR. Variazioni nella resistenza interna possono fornire informazioni aggiuntive sulle condizioni di una cella prima che compaiano segnali di avvertimento più evidenti. L'iCCS combina questo con il rilevamento della temperatura, sensori di pressione e perdite, oltre al monitoraggio di corrente e tensione. Insieme, queste funzioni di monitoraggio consentono all'iCCS di tracciare diversi segni di comportamento anomalo delle celle man mano che si sviluppano. Secondo i dati tecnici di LONGi, il sistema iCCS può fornire una previsione di runaway termico da tre a sei mesi di anticipo.

Man mano che una cella si avvicina al runaway termico, i cambiamenti fisici forniscono ulteriori avvertimenti. La pressione può aumentare, la cella può espandersi e, in una fase successiva, la valvola di sicurezza può aprirsi e l'elettrolita o il gas possono fuoriuscire. LONGi afferma che in questa fase l'iCCS può fornire un allarme di runaway termico da tre a cinque minuti di anticipo. Questo crea diversi livelli di rilevamento anziché fare affidamento su una singola soglia di allarme.

La sequenza è importante. Cambiamenti nella resistenza interna possono fornire informazioni su anomalie in via di sviluppo, mentre indicatori fisici come pressione e perdite aggiungono ulteriori informazioni man mano che le condizioni della cella progrediscono. Tensione e temperatura rimangono parametri di sicurezza essenziali durante tutto il processo di monitoraggio. I diversi indicatori forniscono quindi informazioni complementari sullo stato della cella, anziché fare affidamento su un singolo parametro per identificare un guasto in via di sviluppo. Il valore dell'iCCS, quindi, non risiede nella sostituzione del monitoraggio BMS convenzionale, ma nell'aggiunta di ulteriori indicatori a livello di cella e nell'estensione del periodo durante il quale un'anomalia in via di sviluppo può essere potenzialmente riconosciuta.

Il rilevamento a livello di cella è importante perché la propagazione inizia localmente

I sistemi di accumulo di energia a batteria su scala utility contengono un gran numero di celle organizzate in moduli, pacchi e architetture di sistema più ampie. Un evento termico, tuttavia, può originare da una singola cella.

Una volta che il calore e i gas caldi provenienti da quella cella influenzano le celle vicine, un cedimento locale può trasformarsi in propagazione termica. La ricerca sperimentale continua a dimostrare che il trasferimento di calore, i gas caldi e il materiale espulso dalle celle in avaria possono contribuire alla propagazione attraverso i moduli della batteria.

È per questo che il rilevamento a livello di cella è importante. Prima che una cella anomala possa essere identificata, maggiore è l'opportunità di intervenire prima che la sua condizione influenzi le celle vicine o una parte più ampia del sistema di accumulo.

L'iCCS di LONGi combina il monitoraggio elettrico a livello di cella con indicatori fisici associati al deterioramento della cella. Queste informazioni confluiscono nell'architettura di sicurezza più ampia del BMS e del BESS, aggiungendo un livello di rilevamento precoce prima che la protezione antincendio diventi rilevante.

Un rilevamento più precoce può ridurre l'impatto sulla sicurezza e sull'economia di un guasto del BESS

Il vantaggio del monitoraggio predittivo delle celle non si limita alla sicurezza antincendio. Un'anomalia in via di sviluppo identificata precocemente può potenzialmente essere indagata durante la manutenzione prima che diventi un evento termico. Una volta che il runaway termico si propaga oltre la cella d'origine, le potenziali conseguenze possono estendersi ad altre celle, moduli e altri componenti del sistema.

Per un proprietario dell'asset, questa differenza ha anche una dimensione economica. Danni più estesi possono significare più attrezzature da ispezionare o sostituire e periodi più lunghi di disponibilità ridotta o fermo macchina. Il rilevamento precoce non può eliminare il rischio della batteria, ma può creare maggiori opportunità per affrontare un problema finché le sue conseguenze fisiche rimangono limitate.

La rilevazione e la soppressione degli incendi rimangono quindi elementi essenziali della sicurezza del BESS, ma affrontano una fase successiva della catena di rischio. Il monitoraggio predittivo sposta parte della strategia di sicurezza più a monte: l'obiettivo non è semplicemente rilevare un incendio più velocemente, ma identificare lo sviluppo anomalo delle celle prima che ci sia un incendio da rilevare.

Per sviluppatori, EPC e proprietari di asset che confrontano le tecnologie BESS, ciò solleva diverse domande: Quali parametri vengono monitorati a livello di cella? Il sistema è in grado di rilevare cambiamenti fisici oltre che elettrici? È in grado di identificare uno sviluppo anomalo prima di un significativo aumento della temperatura? E quanto presto questi indicatori possono fornire informazioni attuabili?

L'iCCS di LONGi affronta questa parte iniziale della catena di sicurezza combinando l'analisi DCR e il monitoraggio elettrico a livello di cella con indicatori fisici, tra cui pressione, stato della valvola di sicurezza e perdite di elettrolita. La rilevanza commerciale deriva dall'ingegneria: un'identificazione più precoce di un problema di cella in via di sviluppo crea maggiori opportunità di intervento prima che un'anomalia a livello di cella si trasformi in un evento di sistema più ampio.