Verwendung intelligenter Luftqualitätssensoren für die Umweltüberwachung

Die Umweltüberwachung mit Hilfe von intelligenten Luftqualitätssensoren breitet sich in verschiedenen Anwendungsbereichen aus, von intelligenten Häusern, Gebäuden und Städten bis hin zu konventionellen und elektrischen Fahrzeugen und Batteriespeichersystemen (BESS). In intelligenten Häusern, Gebäuden und Städten können Luftqualitätssensoren dazu beitragen, Gesundheit und Sicherheit zu gewährleisten, indem sie Partikel und Gase in der Luft überwachen, die mit schlechter Luftqualität in Verbindung stehen, und indem sie Rauch erkennen, um frühzeitig vor Bränden zu warnen. In den Fahrgasträumen von Fahrzeugen können diese Sensoren flüchtige organische Verbindungen (VOC) und hohe CO₂-Konzentrationen erkennen, die gesundheitliche Probleme verursachen können. In EVs und BESS können sie eingesetzt werden, um einen Druckanstieg und hohe Wasserstoffkonzentrationen in einem Batteriegehäuse nach der ersten Entlüftungsphase einer Zelle zu erkennen, so dass das Batteriemanagementsystem (BMS) reagieren und ein zweites Entlüftungsereignis oder ein thermisches Durchgehen des gesamten Batteriesystems verhindern kann.

Intelligente Sensoren müssen kompakt sein, wenig Strom verbrauchen und sicheres Booten, sichere Firmware-Updates und ein breites Spektrum an Luftqualitätsüberwachung unterstützen. Sie müssen oft mehrere Sensoren umfassen, die ein breites Spektrum der Luftqualitätsüberwachung abdecken. Die Integration dieses Funktionsumfangs in ein kompaktes Gerät mit geringem Stromverbrauch kann ein entmutigender Prozess sein, bei dem es häufig zu Neustarts kommt, was zu hohen Kosten führt und die Markteinführung verzögert.

Um die Zeit bis zur Markteinführung zu verkürzen und die Kosten zu kontrollieren, können Entwickler auf Sensormodule zurückgreifen, die werkseitig kalibriert sind, sicheres Booten und Firmware-Updates unterstützen und Netzwerkoptionen bieten, darunter das Senden von Daten an die Cloud oder die Verwendung eines CAN- oder anderen Busses für lokale Verbindungen.

In diesem Artikel werden zunächst optische Partikelzähler, elektrochemische Siebdruck- und Multiparameter-Sensortechnologien verglichen. Er stellt Lösungen und Entwicklungsplattformen für Luftqualitätssensoren von Sensirion, Metis Engineering und Spec Sensors vor, zusammen mit Begleitgeräten von Infineon Technologies, und enthält Vorschläge zur Beschleunigung des Entwicklungsprozesses.

Feinstaubsensoren (PM-Sensoren) liefern Zählwerte für bestimmte Partikelgrößen wie PM2,5 und PM10, die Partikeln mit einem Durchmesser von 2,5 bzw. 10 Mikrometern entsprechen, sowie für andere Partikelgrößen, die für die jeweilige Anwendung erforderlich sind. Optische Partikelzähler (OPCs) sind eine spezielle PM-Technologie, bei der die zu messende Luft durch eine Messzelle mit einem Laser und einem Photodetektor geleitet wird (Abbildung 1). Partikel in der Luft streuen das Licht des Lasers, und der Detektor misst das gestreute Licht. Die Messung wird in eine Massenkonzentration in Mikrogramm pro Kubikmeter (μg/m³) umgerechnet und zählt die Anzahl der Partikel pro Kubikzentimeter (cm³). Das Zählen von Partikeln mit einem OPC ist einfach, aber die Umwandlung dieser Information in eine Massenkonzentrationszahl ist komplexer. Die für die Umwandlung verwendete Software muss die optischen Parameter der Partikel wie Form und Brechungsindex berücksichtigen. Infolgedessen können OPCs im Vergleich zu anderen PM-Erfassungsmethoden, wie z. B. direkte, gewichtsbasierte, gravimetrische Technologien, eine größere Ungenauigkeit aufweisen.

Abbildung 1: Ein OPC verwendet einen Laser und eine Fotodiode, um Partikel in der Luft zu zählen. (Bildquelle: Sensirion)

Nicht alle OPCs sind gleich. Hochgenaue und teure OPCs in Laborqualität können jedes Partikel in der Messzelle zählen. Es gibt kostengünstigere kommerzielle OPCs, die nur etwa 5 % der Aerosolpartikel beproben und softwarebasierte Schätzverfahren verwenden, um zu einer „Gesamtmessung“ zu gelangen. Insbesondere die Dichte großer Partikel wie PM10 ist in der Regel sehr gering, und sie können von preiswerten OPCs nicht direkt gemessen werden.

Mit zunehmender Partikelgröße nimmt die Anzahl der Partikel in einer bestimmten Partikelmasse drastisch ab. Im Vergleich zu einem Aerosol mit PM1.0-Partikeln enthält ein Aerosol mit PM8-Partikeln etwa 500-mal weniger Partikel bei gleicher Masse. Um größere Partikel mit der gleichen Genauigkeit wie kleine Partikel zu messen, muss ein kostengünstiger OPC die Daten über mehrere Stunden integrieren, um eine Schätzung zu erhalten. Glücklicherweise weisen Aerosole in der realen Welt eine relativ gleichmäßige Verteilung von kleinen und großen Partikeln auf. Mit richtig konzipierten Algorithmen ist es möglich, die Anzahl größerer Partikel, wie PM4.0 und PM10, anhand von Messungen von PM0.5, PM1.0 und PM2.5-Partikeln genau zu schätzen.

Amperometrische Gassensoren

Anstatt die Anzahl der Partikel zu zählen, messen amperometrische Sensoren die Gaskonzentration. Es handelt sich um elektrochemische Geräte, die einen Strom erzeugen, der linear proportional zum Volumenanteil des zu messenden Gases ist. Ein einfacher amperometrischer Sensor besteht aus zwei Elektroden und einem Elektrolyten. Die Gaskonzentration wird an der Sensorelektrode gemessen, die aus einem katalytischen Metall besteht, das die Reaktion des zu messenden Gases optimiert. Das Gas reagiert mit der Sensorelektrode, nachdem es durch eine Kapillardiffusionsbarriere in den Sensor gelangt ist. Die Gegenelektrode fungiert als Halbzelle und vervollständigt den Stromkreis (Abbildung 2). Ein externer Schaltkreis misst den Stromfluss und bestimmt die Gaskonzentration. In einigen Konstruktionen wird eine dritte „Referenzelektrode“ eingesetzt, um die Stabilität, das Signal-Rausch-Verhältnis und die Reaktionszeit des amperometrischen Basissensors zu verbessern.

Abbildung 2: Amperometrische Sensoren verwenden zwei Elektroden, die durch einen Elektrolyten getrennt sind, um die Konzentration von Gasen zu messen. (Bildquelle: Spec Sensor)

Multiparameter-Sensor für Akkupacks

Die Überwachung der Luftqualität ist nur der Anfang für Sensoren, die zum Schutz von Batteriepacks in Elektrofahrzeugen und BESS-Installationen entwickelt wurden. Diese Sensoren überwachen Druck, Lufttemperatur, Feuchtigkeit, Taupunkt und absoluten Wassergehalt sowie flüchtige organische Verbindungen (VOC) wie Methan (CH₄), Ethylen (C₂H₄), Wasserstoff (H₂), Kohlenmonoxid (CO) und Kohlendioxid (CO₂). In der ersten Phase der Batterieentlüftung hat das gasförmige Produkt einer herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterie mit einer Nickel-Mangan- und Kobalt-Kathode eine bekannte chemische Zusammensetzung (Abbildung 3). Die Wasserstoffkonzentration ist kritisch: Nähert sie sich 4 %, der unteren Explosionsgrenze von Wasserstoff, besteht die Möglichkeit einer Explosion oder eines Brandes. Es sollten Maßnahmen ergriffen werden, um zu verhindern, dass die Zelle überhitzt. Der Drucksensor kann kleine Druckanstiege innerhalb eines Akkupacks erkennen, die durch Entlüftung verursacht werden. Falschmeldungen können vermieden werden, indem jeder Druckanstieg mit den anderen Sensormessungen abgeglichen wird.

Abbildung 3: Ein spezifisches Gasgemisch ist charakteristisch für die erste Phase der Batterieentlüftung (Bildquelle: Metis Engineering)

Dieser Multiparameter-Sensor überwacht auch, ob der Betriebszustand zu kühl ist. Große Batteriesätze in E-Fahrzeugen und BESS verfügen oft über eine aktive Kühlung, um eine Überhitzung beim Laden oder Entladen zu verhindern. Wenn sie zu stark gekühlt werden, kann die Innentemperatur unter den Taupunkt sinken, was zu Kondensation im Inneren des Akkus führt, was einen Kurzschluss der Zellen und einen thermischen Durchschlag verursachen kann. Der Taupunktsensor alarmiert das BMS, bevor sich Kondenswasser an den Batteriepolen bilden kann.

Laser-AQ-Sensor

Entwickler von Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen (HVAC), Luftreinigern und ähnlichen Anwendungen können den PM-Sensor SPS30 von Sensirion zur Überwachung der Luftqualität in Innenräumen oder im Freien einsetzen. SPS-Sensoren messen die Massenkonzentrationen von PM1.0, PM2.5, PM4 und PM10 sowie die Partikelanzahl von PM0.5, PM1.0, PM2.5, PM4 und PM10. Sie bieten eine Massenkonzentrationsgenauigkeit von ±10 %, einen Massenkonzentrationsbereich von 0 bis 1000 μg/m³ und eine Betriebsdauer von über zehn Jahren. Der SPS30 verfügt über eine I²C-Schnittstelle für kurze Verbindungen und eine UART7 für Kabel, die länger als 20 Zentimeter sind.

Ein automatischer Lüfterreinigungsmodus kann in einem voreingestellten Intervall ausgelöst werden, um konsistente Messungen zu gewährleisten. Bei der Lüfterreinigung wird der Lüfter 10 Sekunden lang auf maximale Geschwindigkeit beschleunigt und der angesammelte Staub herausgeblasen. Die PM-Messfunktion ist während der Reinigung des Lüfters ausgeschaltet. Das Standard-Reinigungsintervall ist wöchentlich, aber es können auch andere Intervalle eingestellt werden, um spezifischen Anwendungsanforderungen gerecht zu werden.

Entwicklungskits und sicheres Booten

Mit der Evaluierungsplatine SEK-SPS30 für Luftqualitätssensoren kann der SPS30 an einen PC angeschlossen werden, um die Möglichkeiten dieses PM-Sensors zu erforschen. Darüber hinaus bietet DigiKey eine Plattform zur Kombination der Luftqualitätssensoren von Sensirion mit den PSoC-6-MCUs von Infineon, um intelligente Luftqualitätsüberwachungssysteme der nächsten Generation zu entwickeln. Für intelligente Gebäudesysteme, bei denen der Datenschutz eine Rolle spielt, unterstützt PSoC 6 sicheres Booten und sichere Firmware-Updates (Abbildung 4).

Abbildung 4: Mit diesem Entwicklungskit von Sensirion und Infineon lassen sich sicheres Booten und sichere Firmware-Updates implementieren. (Bildquelle: DigiKey)

Sensor für das Akkupaket

Entwickler von EV- und BESS-Batteriepacks können den CANBSSGEN1 von Metis Engineering für die Überwachung der Batteriesicherheit verwenden. Er wurde entwickelt, um frühzeitige Ausfälle aufgrund von Entlüftung der Zellen zu erkennen. Dieser CAN-Bus-basierte Sensor verfügt über einen austauschbaren Luftfilter und ist besonders bei Elektrofahrzeugen nützlich (Abbildung 5). Ein optionaler Beschleunigungsmesser kann Stöße bis zu 24 G und die Dauer des Aufpralls überwachen, so dass das System erkennen kann, wenn der Akku Stößen ausgesetzt war, die über das sichere Maß hinausgingen. Messoptionen:

• 0,2 bis 5,5 Bar Absolutdruck
• -30°C bis +120°C Lufttemperaturen
• VOCs, äquivalentes CO₂ (eCO₂) und H₂ in Teilen pro Milliarde (ppb)
• Absolute Luftfeuchtigkeit in Milligramm Wasserdampf pro Kubikmeter (mg/m³)
• Taupunkttemperatur

Abbildung 5: Dieser Batteriesicherheitsmonitor enthält einen austauschbaren Luftfilter (weißer Kreis in der Mitte). (Bildquelle: Metis Engineering)

CAN-Sensor-Entwicklungskit

Das Entwicklungskit DEVKGEN1V1 hilft, die Systemintegrationszeit bei der Verwendung von CAN-Sensoren von Metis zu verkürzen. Die Sensoren verfügen über eine konfigurierbare CAN-Bus-Geschwindigkeit und -Adresse sowie eine DBC-CAN-Datenbank, die die Integration in nahezu jedes Fahrzeug mit CAN-Bus unterstützt. Das einfache Entwicklungskit kann erweitert werden, so dass Entwickler weitere Sensoren zum CAN-Netzwerk hinzufügen können.

Sensor für die Luftqualität in Innenräumen

Entwickler von Systemen zur Überwachung der Luftqualität in Innenräumen und Fahrzeugen können den 110-801 von SPEC Sensors verwenden. Der 110-801 ist ein im Siebdruckverfahren hergestellter amperometrischer Gassensor, der eine breite Palette von Gasen nachweisen kann, die mit schlechter Luftqualität in Verbindung gebracht werden, darunter Alkohole, Ammoniak, Kohlenmonoxid, verschiedene Geruchsgase und Sulfide. Die Reaktion dieser Sensoren ist linear proportional zum Volumenanteil des gemessenen Gases, was die Systemintegration vereinfacht (Abbildung 6). Weitere Merkmale dieses 20 x 20 x 3 mm großen Sensors sind:

• Empfindlichkeit in Teile pro Million (ppm)
• Weniger als zehn Mikrowatt (μW) Sensorleistung
• -10°C bis +40°C Betriebstemperaturbereich (0°C bis +40°C Dauerbetrieb)
• Robuster und stabiler Betrieb bei Vorhandensein einer breiten Palette von Verunreinigungen

Abbildung 6: Dieser im Siebdruckverfahren hergestellte amperometrische Gassensor kann die Anwesenheit einer Vielzahl von Gasen messen. (Bildquelle: Spec Sensors)

Integration amperometrischer Gassensoren

Ein Potentiostat-Schaltkreis steuert das Potenzial der Arbeitselektrode in einem amperometrischen Gassensor und wandelt den Elektrodenstrom in eine Ausgangsspannung um (Abbildung 7). Die Spannung an Pin 2 des Operationsverstärkers U1 bestimmt die Spannung der Referenzelektrode, und das Potenzial der Arbeitselektrode wird durch Pin 6 des Operationsverstärkers U2 eingestellt. Der Operationsverstärker U2 wandelt auch den Stromausgang des Sensors in ein Spannungssignal um. Gleichzeitig versorgt der Operationsverstärker U1 die Gegenelektrode mit einem Strom, der dem Strom der Arbeitselektrode entspricht.

Abbildung 7: Vereinfachte Potentiostatschaltung für die Gasdetektion mit einem amperometrischen Sensor. (Bildquelle: Spec Sensors)

Zusammenfassung

Wie gezeigt, können Entwickler bei der Entwicklung von Umweltüberwachungssystemen aus einer Reihe von Luftqualitätssensortechnologien wählen. OPCs können zur Überwachung potenziell gefährlicher Feinstaubwerte in Innenräumen und im Freien eingesetzt werden. CAN-basierte Multisensorsysteme können die Entlüftung der ersten Stufe in EV- und BESS-Batteriepacks überwachen und dazu beitragen, ein thermisches Durchgehen und mögliche Brände oder Explosionen zu verhindern. Mit im Siebdruckverfahren hergestellten amperometrischen Gassensoren mit geringem Stromverbrauch lässt sich eine breite Palette von Gasen nachweisen, die eine schlechte Luftqualität verursachen.