Monitoraggio dei gruppi batterie agli ioni di litio per rilevare eventi di fuga termica

I gruppi batterie agli ioni di litio rappresentano una minaccia per la sicurezza nei veicoli elettrici (EV) e nelle applicazioni di immagazzinaggio dell'energia, dove esiste la possibilità di gravi conseguenze dovute alla fuga termica. In genere, gli utenti sono all'oscuro di tutto ciò, ma i progettisti sono pienamente consapevoli del fatto che, con centinaia di singole celle agli ioni di litio collegate in serie e in parallelo, il guasto di una sola di esse può innescare un rapido aumento della temperatura e causare la fuoriuscita di gas e particolati solidi.

Questa modalità di avaria può estendersi ad altre celle della batteria. Queste reazioni aggiuntive producono ancora più calore e gas, fino a coinvolgere l'intero sistema della batteria e provocare una fuga termica.

Per evitare che ciò accada, sono state adottate delle misure ma se dovesse verificarsi comunque una fuga termica è fondamentale rilevare tale condizione. A questo fine, Honeywell Sensing and Productivity Solutions ha sviluppato la serie BAS di sensori di aerosol per batterie di grado automotive che sfruttano il principio della diffusione della luce per rilevare e segnalare gli eventi di fuga termica nei gruppi batterie agli ioni di litio. Utilizzano la diffusione ottica per rilevare la presenza e la concentrazione di aerosol come fumo, liquidi e detriti, che sono indicatori precoci di un evento di fuga termica.

Il processo di diffusione ottica implica l'illuminazione di un volume d'aria. Le particelle all'interno del volume illuminato diffondono la luce, che viene poi misurata da un sensore per generare un segnale elettrico proporzionale alla densità delle particelle.

La serie BAS misura e segnala le concentrazioni di aerosol da 200 μg/m³ a 10.000 μg/m³. Hanno una soglia di avvertenza di fuga termica programmata in fabbrica di 5000 μg/m³ con un tempo di risposta inferiore a 1 secondo. Il controllo, il trasferimento dei dati e gli allarmi in modalità operativa continua avvengono tramite il protocollo di comunicazione Controller Area Network (CAN), molto diffuso nell'ambiente automotive e dei veicoli. L'interfaccia CAN opera a una velocità di trasmissione di 500 kbps.

Sensori di esempio

Honeywell Sensing and Productivity Solutions offre due sensori della serie BAS: BAS6C-X00 e BAS6C-H00 (Figura 1). I dispositivi sono fisicamente identici e misurano 66 mm di lunghezza x 36 mm di profondità x 37 mm di altezza.

Figura 1: Honeywell Sensing and Productivity Solutions offre due sensori di aerosol per batterie fisicamente identici: BASC6X-X00 e BAS6C-H00. BAS6C-X00 è la versione Media Control Unit 1 (MCU1), mentre BAS6C-H00 è la versione Media Control Unit 2 (MCU2) più recente. (Immagine per gentile concessione di Honeywell Sensing and Productivity Solutions)

BAS6C-X00 è la versione Media Control Unit 1 (MCU1), mentre BAS6C-H00 è la versione Media Control Unit 2 (MCU2) più recente.

I sensori del BAS hanno due modalità operative, in base allo stato della linea di ingresso della richiesta impostata dal sistema di gestione della batteria (BMS). ECO, quando la linea della richiesta viene mantenuta bassa (meno di 0,5 V), è la modalità economica e riduce al minimo l'assorbimento di potenza. Il sensore si risveglia ed è operativo per 200 ms, dopo di che si iberna per i successivi 12.000 ms per risparmiare energia. Ulteriori risparmi energetici si ottengono disabilitando il bus CAN. Se si verifica un evento soglia, ossia una concentrazione di particolato superiore a 5000 mg/m³, il sensore invia un segnale di riattivazione al BMS per avviare un controllo completo del sistema della batteria.

In modalità continua, quando il BMS imposta la linea della richiesta su valori elevati (tra 8 e 16 V), il sensore monitora costantemente e segnala la concentrazione di aerosol al BMS inviando un messaggio di 8 byte sul bus CAN.

Entrambe le versioni funzionano con una tensione di alimentazione nominale di 12 V, con un intervallo compreso tra 8 e 16 V. La corrente di alimentazione dipende dalla modalità operativa. È inferiore a 0,5 mA in modalità ECO e inferiore a 30 mA in modalità continua.

I sensori possono essere montati con qualsiasi orientamento all'interno del gruppo batterie, purché sia previsto uno spazio di 10 cm su entrambi i lati della camera di rilevamento cava (Figura 2).

Figura 2: I sensori BAS possono essere montati in qualsiasi punto del gruppo batterie. In ogni caso, la valvola di sfiato del gruppo batterie deve essere sbloccata. (Immagine per gentile concessione di Honeywell Sensing and Productivity Solutions)

Il connettore di interfaccia è una presa rettangolare a sei pin con la piedinatura indicata nella Figura 3.

Figura 3: La piedinatura dei sensori della serie BAS comprende l'alimentazione, la terra, i segnali di richiesta e di riattivazione e i segnali del bus CAN differenziale. (Immagine per gentile concessione di Honeywell Sensing and Productivity Solutions)

Il connettore di accoppiamento per i sensori di aerosol per batterie serie BAS è 175507-2 di TE Connectivity AMP Connectors.

Conclusione

Il rilevamento precoce di una fuga termica di un gruppo batterie agli ioni di litio mediante i sensori di aerosol per batterie BAS di Honeywell Sensing and Productivity Solutions può prevenire lesioni, perdite di vite umane e danni materiali. L'utilizzo di questi sensori consente inoltre di rispettare le raccomandazioni e le normative internazionali, poiché sono progettati per soddisfare i più elevati standard di qualità e affidabilità.

Altre risorse

• Sensori di sicurezza per batterie serie BAS