Revolutionierung der Batteriesicherheit

Jul 05, 2023

Ein neuer Sensor, der die ersten Anzeichen eines Batterieausfalls „erkennen“ kann, stellt eine umfassende Lösung zur Vermeidung potenzieller Brandgefahren dar.

Da die Batterie das Herzstück jedes Elektrofahrzeugs (EV) ist, ist die Gewährleistung ihrer Sicherheit und Gesundheit von größter Bedeutung. Doch selbst die modernsten Batteriemanagementsysteme (BMS), die Zellen überwachen, um potenzielle Probleme durch thermische Ereignisse zu erkennen, haben ihre Grenzen.

„Eine einzelne fehlerhafte Zelle in einem Batteriepack kann zu einem großen Sicherheitsrisiko werden, wenn sie unentdeckt bleibt“, erklärt Joe Holdsworth, Gründer und CEO von Metis Engineering. „Typische Lithium-Ionen-Batteriemanagementsysteme in Elektroautos oder Energiespeichersystemen basieren in erster Linie auf einem BMS, das subtile Spannungsschwankungen und Zelltemperatur überwacht, um potenzielle Probleme zu erkennen. Das Problem bei der Verwendung dieser beiden Methoden besteht jedoch darin, dass Spannungsschwankungen durch andere Zellen maskiert werden können, wenn viele Zellen parallel angeordnet sind, wodurch eine fehlerhafte Zelle verdeckt wird.“

Metis Engineering wurde 2016 von Holdsworth gegründet, einem Experten für Luft- und Raumfahrttechnik, der an Projekten gearbeitet hat, die von unbemannten Atom-U-Booten bis zum Jet- und Raketenauto Bloodhound Land Speed ​​Record mit 1.000 Meilen pro Stunde reichen. Das Unternehmen ist auf Batteriesensorik spezialisiert und hat eine innovative Lösung namens Cell Guard entwickelt, die darauf abzielt, die Batteriesicherheit und -wartung zu verbessern.

Holdsworth verrät, dass es für viele überraschend sein könnte, dass nicht alle Zellen in Elektrofahrzeug-Batteriepaketen über Temperatursensoren verfügen, sodass ein Teil des Batteriepakets anfällig für thermische Ereignisse ist.

„Die meisten Batteriemanagementsysteme berücksichtigen nicht alle Temperaturen der Zellen. Bestenfalls verfügen 50 % von ihnen über einen Temperatursensor, sodass in den meisten Fällen die Temperatur von mehr als der Hälfte der Zellen in einem Akku nicht gemessen wird, wodurch die Batterien anfällig für unerkannte thermische Ereignisse sind.“

„Auch wenn Zellen identisch erscheinen mögen, gibt es geringfügige Unterschiede in der Herstellungsqualität, den Toleranzen und den Betriebsbedingungen, die zu unterschiedlichen Alterungsraten führen können. Ohne Temperaturüberwachung könnte eine Verschlechterung und Überhitzung einer Zelle unbemerkt bleiben“, fügt er hinzu. „Wenn die Entlüftung nicht behoben wird und der Akku unter Last bleibt, heizt sich die Zelle weiter auf. Dies kann zum Zusammenbruch der Membran zwischen Kathode und Anode führen, was je nach Chemie der Batterie zu einem internen Kurzschluss und möglicherweise zu einem Brand führen kann.“

Cell Guard, ein streichholzschachtelgroßer CAN-basierter Sensor, der über seinen 5-poligen, für die Automobilindustrie zugelassenen Molex Nano-Fit Power-Anschluss problemlos in fast jedes Batteriesystem integriert werden kann, begegnet diesen Herausforderungen, indem er einen neuen Ansatz zur Batteriesicherheit einführt. Der berührungslose Sensor fungiert als ergänzender Monitor neben dem BMS und ist im Inneren des Batteriepakets eingebaut, wo er die Umgebungsbedingungen messen und die von heißen Zellen emittierten Gase und Druckänderungen analysieren kann. Durch die Ergänzung vorhandener Batteriemanagementsysteme bietet Cell Guard eine umfassende Zellabdeckung und eine frühzeitige Erkennung potenzieller Gefahren.

„Die Früherkennungsfunktionen von Cell Guard, die sich auf die Entlüftungsphase konzentrieren, bieten die beste Chance, ein thermisches Durchgehen zu verhindern, ein Phänomen, bei dem überhitzte Zellen eine Kaskadenreaktion auslösen“, fährt Holdsworth fort. „Wenn Temperatur und Druck steigen, besteht die Gefahr, dass sich die Zellen entlüften und gasförmiger Elektrolyt freigesetzt wird. Hier spielt Cell Guard eine entscheidende Rolle, indem es Anzeichen einer Zellentlüftung erkennt. Eine frühzeitige Erkennung ermöglicht Maßnahmen wie das Entladen des Pakets, um eine weitere Erwärmung zu verhindern. Durch die sofortige Erkennung von Zellentlüftung ermöglicht Cell Guard ein rechtzeitiges Eingreifen, um eine weitere Eskalation potenzieller Gefahren zu verhindern.“

Mit der zunehmenden Verbreitung von Elektrofahrzeugen sei der Bedarf an einer integrierten Lösung offensichtlich geworden, fügt er hinzu und betont: „Die einzigartige Kombination von Funktionen hebt Cell Guard von anderen Produkten auf dem Markt ab und macht es zur Lösung der Wahl für umfassende Batteriesicherheit.“ .“

Cell Guard geht über die Erkennung der Zellentlüftung hinaus und bietet eine Reihe von Parametern, die eine umfassende Beurteilung des Batteriezustands ermöglichen. Seine Fähigkeit, Feuchtigkeit, Taupunkt, Wassereintritt und Druckänderungen zu messen, trägt zur Aufrechterhaltung einer optimalen Batterieumgebung bei. Darüber hinaus verfügt eine Variante von Cell Guard über einen Kfz-Beschleunigungsmesser, der die Beurteilung der Aufprallbelastung von Batteriepaketen ermöglicht und wichtige Informationen für die Analyse nach einem Unfall liefert.

Die erste innovative Lösung auf dem Markt verfügt über einen Beschleunigungsmesser zur Messung der Stoßbelastung und -dauer von bis zu +/-24 G und leitet alle Stoßdaten über eine konfigurierbare CAN-Schnittstelle an ein Steuergerät, beispielsweise das Steuergerät des Fahrzeugs, weiter.

Holdsworth betont, dass Fahrzeugbesitzer und Versicherungsunternehmen durch die Erfassung und Analyse dieser Daten fundierte Entscheidungen treffen können, um die Langlebigkeit und Sicherheit der Batterie zu gewährleisten und so die unhaltbare Praxis der unnötigen Verschrottung zu vermeiden, wenn ein Elektrofahrzeug in einen leichten Zusammenstoß verwickelt ist, was wiederum dazu beiträgt Versicherungsprämien senken. Die Daten geben auch Aufschluss darüber, ob der Akku in einer Second Life-Anwendung verwendet werden kann.

„Die Fähigkeit, Aufprallkräfte auf den Akku zu überwachen, ist wertvoll, insbesondere in Situationen wie Autounfällen, bei denen es entscheidend ist, festzustellen, ob der Akku die vorgesehene G-Bewertung überschritten hat“, sagt er. „Derzeit mangelt es an der Erfassung und Zugänglichkeit dieser Daten, was dazu führt, dass viele Akkupacks unnötigerweise entsorgt werden, auch wenn sie noch in gutem Zustand sind.“

Holdsworth räumt ein, dass der Übergang von einer Forschungs- und Entwicklungsversion des Sensors zur Massenproduktion erhebliche Herausforderungen mit sich brachte. Metis Engineering hat den Produktionsprozess jedoch erfolgreich gemeistert und so die Verfügbarkeit von Cell Guard auf dem Markt sichergestellt. Für die Zukunft plant das Unternehmen, sein Angebot durch die Einführung eines einfach anzuschließenden Systems zu erweitern, das die nahtlose Integration mehrerer, in Reihe geschalteter Sensoren in Energiespeichersysteme ermöglicht.

„Während die Batteriesicherheit ein berechtigtes Anliegen ist, stellt der datengesteuerte Ansatz von Cell Guard sicher, dass die Batterien innerhalb ihrer vorgesehenen Parameter bleiben“, schließt Holdsworth. „Durch kontinuierliche Überwachung und frühzeitige Erkennung potenzieller Gefahren bietet Cell Guard Herstellern, Eigentümern und der Öffentlichkeit gleichermaßen Sicherheit.“