Überwachung von Lithium-Ionen-Batteriepacks zur Erkennung von thermischen Durchbrüchen bei Batterien

Batteriesätze, die aus mehreren Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion-Batterien) bestehen, stellen ein Sicherheitsrisiko in Elektrofahrzeugen (EVs) und Stromspeicheranwendungen dar, bei denen die Möglichkeit schwerwiegender Folgen aufgrund eines thermischen Durchgehens besteht. Den Nutzern ist dies in der Regel nicht bewusst, aber die Entwickler sind sich darüber im Klaren, dass bei Hunderten von einzelnen Li-Ionen-Batteriezellen, die in Reihe und parallel geschaltet sind, ein Ausfall einer einzigen Zelle zu einem raschen Temperaturanstieg und zum Austritt von Gasen und festen Partikeln führen kann.

Dieses Problem kann auf andere Batteriezellen übergreifen. Diese zusätzlichen Reaktionen erzeugen noch mehr Wärme und Gase, bis das gesamte Batteriesystem in Mitleidenschaft gezogen wird und es zum thermischen Durchgehen kommt.

Es wurden Maßnahmen ergriffen, um dies zu verhindern, aber sollte es doch passieren, ist die Erkennung eines thermischen Durchgehens kritisch. Zu diesem Zweck hat Honeywell Sensing and Productivity Solutions die BAS-Serie von Batterie-Aerosol-Sensoren für die Automobilindustrie entwickelt, die das Prinzip der Lichtstreuung nutzen, um thermische Ausreißer in Li-Ionen-Batteriepacks zu erkennen und zu melden. Sie nutzen die optische Streuung, um das Vorhandensein und die Konzentration von Aerosolen wie Rauch, Flüssigkeiten und festen Teilchen zu erkennen, die frühe Indikatoren für ein thermisches Durchgehen sind.

Beim Prozess der optischen Streuung wird ein Luftvolumen beleuchtet. Die Partikel innerhalb des beleuchteten Volumens streuen das Licht, das dann von einem Lichtsensor gemessen wird, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das proportional zur Dichte der Partikel ist.

Die Komponenten der BAS-Serie misst und meldet Aerosolkonzentrationen von 200 Mikrogramm pro Kubikmeter (μg/m³) bis 10000 μg/m³. Sie bieten eine werkseitig programmierte Warnschwelle für thermisches Durchgehen von 5000 μg/m³ mit einer Reaktionszeit von weniger als 1 Sekunde. Steuerung, Datenübertragung und Alarmierung im Dauerbetrieb erfolgen über das im Automobilbereich weit verbreitete Kommunikationsprotokoll CAN (Controller Area Network). Die CAN-Schnittstelle arbeitet mit einer Baudrate von 500 Kilobit pro Sekunde (kbit/s).

Beispielsensoren

Honeywell Sensing and Productivity Solutions bietet zwei Sensoren der BAS-Serie an, den BAS6C-X00 und den BAS6C-H00 (Abbildung 1). Die Geräte sind physisch identisch mit Abmessungen von 2,6 Zoll (in.) (66 Millimeter (mm)) lang, 1,42 Zoll (36 mm) tief und 1,46 Zoll (37 mm) hoch.

Abbildung 1: Honeywell Sensing and Productivity Solutions bietet zwei Batterie-Aerosolsensoren (BASC6X-X00 und BAS6C-H00) an, die physisch identisch sind. Der BAS6C-X00 ist die Version der Mediensteuerungseinheit 1 (MCU1), und die BAS6C-H00 ist die neuere Version der Mediensteuerungseinheit 2 (MCU2). (Bildquelle: Honeywell Sensing and Productivity)

Der BAS6C-X00 ist die Version der Mediensteuerungseinheit 1 (MCU1), und die BAS6C-H00 ist die neuere Version der Mediensteuerungseinheit 2 (MCU2).

Die BAS-Sensoren funktionieren in einem von zwei Betriebsmodi, je nach dem Zustand der vom Batteriemanagementsystem (BMS) eingestellten Eingangsleitung „Request“ (Anforderung). Der ECO-Modus, bei dem die Anforderungsleitung auf LOW-Pegel gehalten wird (weniger als 0,5 Volt), ist der Sparmodus und minimiert die Leistungsaufnahme. Der Sensor wacht auf und ist für 200 Millisekunden (ms) im Betrieb, dann geht er für die nächsten 12.000 ms in den Ruhezustand, um Strom zu sparen. Zusätzliche Energieeinsparungen werden durch die Deaktivierung des CAN-Busses erzielt. Wird ein Schwellenwert überschritten, d. h. eine Partikelkonzentration von mehr als 5000 mg/m³, sendet der Sensor ein Wecksignal an das BMS, um eine vollständige Überprüfung des Batteriesystems einzuleiten.

Im Dauermodus, wenn das BMS die Anforderungsleitung auf HIGH-Pegel (zwischen 8 und 16 Volt) setzt, überwacht der Sensor ständig die Aerosolkonzentration und meldet sie mit einer 8-Byte-Nachricht über den CAN-Bus an das BMS.

Beide Versionen arbeiten mit einer nominalen Versorgungsspannung von 12 Volt, mit einem Bereich von 8 bis 16 Volt. Der Versorgungsstrom hängt von der Betriebsart ab. Er beträgt weniger als 0,5 Milliampere (mA) im ECO-Modus und weniger als 30 mA im Dauerbetrieb.

Die Sensoren können in beliebiger Ausrichtung innerhalb des geschlossenen Batteriepakets montiert werden, solange auf beiden Seiten der hohlen Sensorkammer ein Abstand von 10 Zentimetern (cm) eingehalten wird (Abbildung 2).

Abbildung 2: Die BAS-Sensoren können an jeder beliebigen Stelle des Batteriepacks angebracht werden. In jedem Fall darf das Entlüftungsventil des Akkus nicht blockiert werden. (Bildquelle: Honeywell Sensing and Productivity)

Der Schnittstellenstecker ist eine sechspolige rechteckige Buchse mit den in Abbildung 3 gezeigten Anschlussbelegungen.

Abbildung 3: Die Pinbelegung für die Sensoren der BAS-Serie umfasst Stromversorgung (Vcc), Masse (GND), Anforderungs- (Request) und Wecksignale (Wake-up) sowie die differentiellen CAN-Bus-Signale. (Bildquelle: Honeywell Sensing and Productivity)

Der Gegensteckverbinder für die Batterie-Aerosolsensoren der BAS-Serie ist der 175507-2 von TE Connectivity AMP Connectors.

Fazit

Die frühzeitige Erkennung des thermischen Durchgehens von Lithium-Ionen-Batteriepacks mit den Batterie-Aerosol-Sensoren der Serie BAS von Honeywell Sensing and Productivity Solutions hat das Potenzial, Verletzungen, den Verlust von Menschenleben und Sachschäden zu verhindern. Ihre Verwendung ermöglicht auch die Einhaltung internationaler Empfehlungen und Vorschriften, da sie so konzipiert sind, dass sie den höchsten Qualitäts- und Zuverlässigkeitsstandards entsprechen.

Zusätzliche Ressourcen

• Batterie-Sicherheitssensoren der Serie BAS