Monitoreo de paquetes de baterías de iones de litio para detectar eventos de fuga térmica en la batería

Los paquetes de baterías que consisten en múltiples baterías de iones de litio (li-ion) representan una amenaza para la seguridad de los vehículos eléctricos (EV) y aplicaciones de almacenamiento de energía donde existe la posibilidad de consecuencias graves debido a la fuga térmica. Por supuesto, los usuarios, por lo general, no se dan cuenta de esto, pero los diseñadores son plenamente conscientes de que con cientos de celdas de batería de iones de litio individuales que están conectadas en serie y en paralelo, una falla de una sola celda puede dar inicio a un rápido aumento de la temperatura y comenzar a ventilar gases y partículas sólidas.

Este modo de falla puede extenderse a otras celdas de batería. Estas reacciones adicionales producen aún más calor y gases hasta que todo el sistema de la batería se ve afectado y se produce una fuga térmica.

Existen medidas para evitar que esto suceda, pero si ocurriera, es fundamental detectar una condición de fuga térmica. Para tal fin, Honeywell Sensing and Productivity Solutions ha desarrollado la serie BAS de sensores de aerosol para baterías de grado automotriz que utilizan el principio de dispersión de luz para detectar e informar eventos de fuga térmica en paquetes de baterías de iones de litio. Utilizan la dispersión óptica para detectar la presencia y la concentración de aerosoles como humo, líquidos y desechos, que son indicadores tempranos de un evento de fuga térmica.

El proceso de dispersión óptica consiste en iluminar un volumen de aire. Las partículas dentro del volumen iluminado dispersan la luz, que luego es medida por un sensor de luz para generar una señal eléctrica que es proporcional a la densidad de las partículas.

La serie BAS mide e informa concentraciones de aerosol desde 200 microgramos por metro cúbico (μg/m³) hasta 10000 μg/m³. Tienen un umbral de advertencia de fuga térmica programado en fábrica de 5000 μg/m³ con un tiempo de respuesta de menos de 1 segundo. El control, la transferencia de datos y la alarma en el modo de funcionamiento continuo se realizan a través del protocolo de comunicaciones de la red de área del controlador (CAN), que se usa ampliamente en el entorno automotriz y vehicular. La interfaz CAN opera a una velocidad de transmisión de 500 kilobits por segundo (kbps).

Sensores de ejemplo

Honeywell Sensing and Productivity Solutions ofrece dos sensores de la serie BAS, el BAS6C-X00 y el BAS6C-H00 (Figura 1). Los dispositivos son físicamente idénticos con dimensiones de 2.6 pulgadas (in) (66 milímetros [mm]) de largo, 1.42 in (36 mm) de profundidad y 1.46 in (37 mm) de alto.

Figura 1: Honeywell Sensing and Productivity Solutions ofrece dos sensores de aerosol para batería, el BASC6X-X00 y el BAS6C-H00, que son físicamente idénticos. El BAS6C-X00 es la versión de la unidad de control de medios 1 (MCU1) y el BAS6C-H00 es la versión más reciente de la unidad de control de medios 2 (MCU2). (Fuente de imagen: Honeywell Sensing and Productivity)

El BAS6C-X00 es la versión de la unidad de control de medios 1 (MCU1) y el BAS6C-H00 es la versión más reciente de la unidad de control de medios 2 (MCU2).

Los sensores BAS funcionan en cualquiera de los dos modos operativos según el estado de la línea de entrada de solicitud establecida por el sistema de administración de batería (BMS). El modo ECO, cuando la línea de solicitud se mantiene baja (menos de 0.5 voltios), es el modo económico y minimiza el consumo de energía. El sensor se activa y está operativo durante 200 milisegundos (ms), y luego hiberna durante los siguientes 12,000 ms para ahorrar energía. Se obtienen ahorros de energía adicionales al deshabilitar el bus CAN. Si se produce un evento de umbral, es decir, una concentración de partículas superior a 5,000 mg/m³, el sensor envía una señal de activación al BMS para iniciar una verificación completa del sistema de batería.

En el modo continuo, cuando el BMS establece la línea de solicitud alta (entre 8 y 16 voltios), el sensor monitorea e informa constantemente la concentración de aerosol al BMS mediante un mensaje de 8 bytes a través del bus CAN.

Ambas versiones funcionan con un voltaje de alimentación nominal de 12 voltios, con un rango de 8 a 16 voltios. La corriente de alimentación depende del modo de funcionamiento. Es inferior a 0.5 miliamperios (mA) en modo ECO e inferior a 30 mA en modo continuo.

Los sensores se pueden montar en cualquier orientación dentro del paquete de baterías incluido, siempre que se permita un espacio libre de 10 centímetros (cm) a ambos lados de la cámara de detección hueca (Figura 2).

Figura 2: Los sensores BAS pueden montarse en cualquier lugar dentro del paquete de baterías. En todos los casos, la válvula de ventilación del paquete de baterías debe estar desbloqueada. (Fuente de imagen: Honeywell Sensing and Productivity)

El conector de la interfaz es un enchufe rectangular de seis pines con los patillajes designados que se muestran en la Figura 3.

Figura 3: En los patillajes para los sensores de la serie BAS, se incluyen señales de alimentación, tierra, solicitud y activación, y las señales diferenciales del bus CAN. (Fuente de imagen: Honeywell Sensing and Productivity)

El conector de acoplamiento para los sensores de aerosol de batería de la serie BAS es el 175507-2 de Conectores AMP de TE Connectivity.

Conclusión

La detección temprana de fugas térmicas del paquete de baterías de iones de litio mediante los sensores de aerosol para batería BAS de Honeywell Sensing and Productivity Solutions tiene el potencial de prevenir lesiones, la muerte y daños a la propiedad. Si los usa, también se puede cumplir con las recomendaciones y regulaciones internacionales, ya que están diseñados para cumplir con los más altos estándares de calidad y confiabilidad.

Recursos adicionales

• Sensores de seguridad de batería serie BAS