Approccio "sicurezza al primo posto" per EV e sistemi di immagazzinaggio a batteria con i sensori di Honeywell

Lo sviluppo di applicazioni elettrificate richiede il rigoroso rispetto degli standard di sicurezza per garantire esperienze affidabili e intuitive. Dopotutto, nessuno vuole trovarsi a far fronte a una fuga termica incontrollabile che potrebbe provocare fumo o addirittura un incendio mentre è alla guida di un veicolo elettrico (EV) o utilizza un dispositivo mobile mentre vola su un jet a 10.000 metri di altitudine. Ecco perché i progettisti di batterie per EV e sistemi di immagazzinaggio dell'energia necessitano di sensori eccezionalmente precisi e affidabili, in grado di garantire un funzionamento sicuro senza comprometterne le prestazioni.

Le batterie agli ioni di litio (Li-ion) sono straordinarie per la loro elevata densità energetica e per l'efficienza, caratteristiche essenziali per gli EV e per molte altre applicazioni elettroniche. Tuttavia, come sottolinea la National Fire Protection Association, "la probabilità che si surriscaldino, si incendino e addirittura provochino esplosioni aumenta quando vengono danneggiate o utilizzate, caricate o conservate in modo improprio".

Considerando i milioni di EV sulle strade di tutto il mondo e i miliardi di dispositivi mobili alimentati agli ioni di litio in uso, gli incidenti dovuti a fenomeni di fuga termica incontrollata sono relativamente rari, ma non insignificanti: circa due incidenti a settimana sui voli statunitensi, secondo i dati della FAA. Con lo sviluppo di un numero sempre maggiore di applicazioni di elettrificazione, è inevitabile che il numero effettivo di tali incidenti aumenti, e ognuno potrebbe avere un impatto negativo sulle vendite.

Inoltre, secondo l'Agenzia Internazionale per l'Energia (IEA), oltre il 90% della domanda di batterie agli ioni di litio è ora attribuibile al settore energetico, trainato da maggiori densità energetiche, durate maggiori e drastiche riduzioni dei costi a partire dal 2010, surclassando le alternative per le applicazioni di immagazzinaggio dell'energia. I sistemi di immagazzinaggio dell'energia a batteria (BESS) su scala industriale vengono adottati a un ritmo sempre più serrato, mentre i Paesi e le aziende si sforzano di raggiungere obiettivi di emissioni nette pari a zero.

Progettazione di applicazioni di elettrificazione con la sicurezza al primo posto

La domanda di batterie agli ioni di litio è in crescita in tutti i settori industriali, pertanto i progettisti di prodotti devono adottare un approccio che dia priorità alla sicurezza quando le utilizzano nelle loro applicazioni.

Gli eventi di fuga termica si verificano quando una batteria sottoposta a temperature crescenti genera calore che può potenzialmente provocare un incendio o addirittura un'esplosione. Questi eventi possono essere causati da una carica eccessiva, da danni fisici che compromettono la struttura interna e da cortocircuiti derivanti da difetti di fabbricazione.

Le batterie agli ioni di litio possono deteriorarsi a causa di scariche eccessive, cortocircuiti esterni, calore ambientale estremo e altri fattori.

Honeywell Sensing and Productivity Solutions fornisce sensori di sicurezza per corrente e batteria che i progettisti di applicazioni possono sfruttare per migliorare sicurezza, efficienza e prestazioni. Questi sensori monitorano e gestiscono il flusso di corrente e lo stato della batteria. Possono essere utilizzati nei sistemi di gestione delle batterie per EV e BESS, garantendo il rilevamento precoce dei problemi, misurazioni accurate e funzionalità personalizzabili per l'integrazione in numerose altre applicazioni.

I sensori di corrente ad anello aperto serie CSHV dell'azienda (Figura 1) utilizzano l'effetto Hall e la tecnologia proprietaria di Honeywell per prestazioni e affidabilità in applicazioni di rilevamento della corrente per misurare la corrente continua (c.c.) nell'intervallo da ±100 A c.c. a ±1500 A c.c. Offrono un'uscita di tensione analogica proporzionale al flusso di corrente, che facilita l'integrazione in diverse applicazioni dei veicoli elettrici, come il rilevamento della corrente nei sistemi di gestione delle batterie (BMS), nelle unità di disconnessione della batteria (BDU), nelle unità di distribuzione dell'energia elettrica (PDU), nel rilevamento guasti e nell'isolamento.

Figura 1: I sensori serie CSHC di Honeywell utilizzano la tecnologia a effetto Hall a circuito aperto. (Immagine per gentile concessione di Honeywell)

I sensori di corrente serie CSNV di Honeywell utilizzano la tecnologia a effetto Hall ad anello chiuso per fornire precisione e stabilità superiori in un ampio intervallo di temperatura. Sono progettati per misurare il flusso di corrente in sistemi di gestione delle batterie, veicoli elettrici, sistemi di immagazzinaggio dell'energia e in altre applicazioni che richiedono alta precisione e affidabilità. Possono essere utilizzati per rilevare guasti ai sensori e al sistema host, nonché tensioni di alimentazione oltre o sotto una determinata soglia. Sono disponibili in tre modelli:

• CSNV1500 può misurare fino a ±500 A con una precisione totale di <±0,5%
• CSNV700 (Figura 2) può misurare fino a ±700 A con una precisione totale di <±0,5%
• CSNV1500 può misurare fino a ±1500 A con una precisione totale di <±1%

Figura 2: Un sensore di corrente serie CSNV700 di Honeywell. (Immagine per gentile concessione di Honeywell)

I sensori di corrente Fluxgate avanzati serie CSSV (Figura 3) combinano le tecnologie Fluxgate e di effetto Hall ad anello aperto. Progettati per applicazioni critiche per la sicurezza, questi sensori incorporano due circuiti indipendenti di rilevamento e di elaborazione dati per funzionalità di rilevamento e diagnostica, al fine di fornire misurazioni precise della corrente. Sono progettati per rilevare perdite di corrente, guasti e isolamento nei sistemi di controllo della guida dei veicoli elettrici.

Figura 3: Un sensore di corrente Fluxgate avanzato serie CSSV. (Immagine per gentile concessione di Honeywell)

I sensori di sicurezza per batterie serie BAS (Figura 4) sono progettati per rilevare e segnalare eventi di fuga termica in gruppi batteria agli ioni di litio a telaio chiuso, misurando la presenza e la concentrazione di aerosol, come fumo, liquidi e detriti. Misurano e segnalano la concentrazione di aerosol da 200 µg/m³ a 10000 µg/m³ utilizzando il protocollo di comunicazione CAN (Controller Area Network). Hanno una soglia di allarme per fuga termica programmata in fabbrica di 5000 µg/m³ e possono essere integrati nei veicoli elettrici e nei sistemi di immagazzinaggio dell'energia.

Figura 4: Un sensore serie BAS di Honeywell misura le concentrazioni di fumo, liquidi e altri aerosol nei gruppi batteria agli ioni di litio. (Immagine per gentile concessione di Honeywell)

I sensori di pressione per la sicurezza delle batterie serie BPS (Figura 5) sono progettati per rilevare e segnalare i primi segni di eventi di fuga termica nei gruppi batteria agli ioni di litio monitorando le variazioni di pressione nei gruppi batteria EV e nei sistemi di immagazzinaggio dell'energia. Rilevano variazioni di pressione della batteria che vanno da 50 kPa a 300 kPa di pressione assoluta e hanno soglie di avviso configurabili sia per la pressione assoluta sia per la velocità di variazione della pressione.

Figura 5: I sensori per la sicurezza delle batterie serie BPS di Honeywell forniscono il rilevamento precoce di eventi di fuga termica degli ioni di litio. (Immagine per gentile concessione di Honeywell)

Conclusione

La crescente domanda di applicazioni di elettrificazione sta aumentando l'adozione, già su vasta scala, delle batterie agli ioni di litio. Tuttavia, i progettisti di prodotti devono integrare sensori in grado di migliorare la sicurezza, l'affidabilità e l'efficienza dei gruppi batteria e dei sistemi di immagazzinaggio dell'energia EV, assicurando che funzionino entro i parametri designati e rispondano prontamente a eventuali irregolarità. I sensori di Honeywell garantiscono prestazioni e sicurezza ottimali, fornendo le informazioni necessarie per gestire i processi di carica e scarica, controllare i sistemi di gestione termica ed eseguire protocolli di sicurezza quando necessario.