Sicherheitsorientierter Ansatz für EVs und Batteriespeicher mit Honeywell-Sensoren

Die Entwicklung elektrifizierter Anwendungen erfordert die strikte Einhaltung von Sicherheitsstandards, um zuverlässige und benutzerfreundliche Erfahrungen zu gewährleisten. Schließlich möchte niemand beim Fahren eines Elektrofahrzeugs (EV) oder beim Betrieb eines mobilen Geräts während eines Flugs in einem Jet in 10.000 Metern Höhe einen thermischen Durchschlag erleben, der zu Rauch oder sogar einem Brand führen könnte. Aus diesem Grund benötigen Produktentwickler von EV-Batterien und Energiespeichersystemen besonders genaue und zuverlässige Sensoren, die einen sicheren Betrieb ohne Leistungseinbußen gewährleisten.

Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion) zeichnen sich durch ihre hohe Energiedichte und Effizienz aus, die für Elektrofahrzeuge und eine Reihe anderer elektronischer Anwendungen unerlässlich sind. Doch wie die National Fire Protection Association betont, „steigt die Wahrscheinlichkeit, dass sie sich überhitzen, in Brand geraten und sogar zu Explosionen führen, wenn sie beschädigt oder unsachgemäß verwendet, aufgeladen oder gelagert werden.“

In Anbetracht der Millionen von E-Fahrzeugen, die weltweit unterwegs sind, und der Milliarden von Li-Ionen-betriebenen Mobilgeräten, die im Einsatz sind, sind Vorfälle von thermischen Durchschlägen relativ selten, aber nicht unbedeutend - laut FAA-Daten gibt es etwa zwei Vorfälle pro Woche auf US-Flügen. Da immer mehr Elektrifizierungsanwendungen entwickelt werden, wird die Anzahl solcher Vorfälle mit Sicherheit zunehmen, was sich negativ auf den Umsatz der Anbieter auswirken könnte.

Laut der Internationalen Energieagentur (IEA) entfallen inzwischen mehr als 90 % der Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien auf den Energiesektor, was auf die höhere Energiedichte, die längere Lebensdauer und die drastischen Kostensenkungen seit 2010 zurückzuführen ist, die Alternativen für Energiespeicheranwendungen in den Schatten stellen. Batteriespeichersysteme (BESS) werden immer häufiger eingesetzt, da Länder und Unternehmen bestrebt sind, Netto-Null-Emissionsziele zu erreichen.

Entwicklung von sicherheitsrelevanten Elektrifizierungsanwendungen

Die Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien steigt in allen Branchen. Daher ist es wichtig, dass die Produktentwickler bei der Verwendung von Lithium-Ionen-Batterien in ihren Anwendungen die Sicherheit in den Vordergrund stellen.

Thermische Durchschläge treten auf, wenn eine Batterie mit steigender Temperatur Hitze erzeugt, die zu einem Brand oder sogar zu einer Explosion führen kann. Diese Ereignisse können durch übermäßige Aufladung, physische Schäden, die die interne Struktur beeinträchtigen, und Kurzschlüsse aufgrund von Herstellungsfehlern verursacht werden.

Li-Ionen-Akkus können durch übermäßige Entladung, externe Kurzschlüsse, extreme Umgebungswärme und andere Faktoren beschädigt werden.

Honeywell Sensing and Productivity Solutions bietet Strom- und Batteriesicherheitssensoren, die von Anwendungsentwicklern zur Verbesserung von Sicherheit, Effizienz und Leistung eingesetzt werden können. Diese Sensoren überwachen und steuern den Stromfluss und den Zustand der Batterie. Sie können in Batteriemanagementsystemen für EVs und BESS eingesetzt werden und bieten eine frühzeitige Problemerkennung, genaue Messungen und anpassbare Funktionen zur Integration in verschiedene andere Anwendungen.

Die mit offenem Regelkreis betriebenen Stromsensoren der CSHV-Serie des Unternehmens (Abbildung 1) nutzen den Hall-Effekt und die firmeneigene Honeywell-Technologie für Performance und Zuverlässigkeit in Strommessanwendungen zur Messung von Gleichstrom (DC) im Bereich von ±100 A(DC) bis ±1500 A(DC). Sie liefern einen analoge Spannungsausgabe, die proportional zum Stromfluss ist, und erleichtern so die Integration in verschiedene Elektrofahrzeuganwendungen, wie z. B. die Stromerfassung in Batteriemanagementsystemen (BMS), Batterietrenneinheiten (BDU), Stromverteilungseinheiten (PDU), Fehlererkennung und Isolierung.

Abbildung 1: Die Sensoren der Serie CSHC von Honeywell verwenden die Hall-Effekt-Technologie mit offenem Regelkreis. (Bildquelle: Honeywell)

Die Stromsensoren der Serie CSNV von Honeywell verwenden die Hall-Effekt-Technologie mit geschlossenem Regelkreis, um eine hohe Genauigkeit und Stabilität über einen großen Temperaturbereich zu gewährleisten. Die Stromsensoren der Serie CSNV sind für die Messung des Stromflusses in Batteriemanagementsystemen, Elektrofahrzeugen, Energiespeichersystemen und anderen Anwendungen konzipiert, die eine hohe Genauigkeit und Zuverlässigkeit erfordern. Sie können zur Erkennung von Sensor- und Hostsystemfehlern sowie von Über- und Unterschreitungen der Versorgungsspannung verwendet werden. Sie sind in drei Modellen erhältlich:

• CSNV500-Komponenten können bis zu ±500 A mit einer Gesamtgenauigkeit von <±0,5% messen
• CSNV700-Komponenten (Abbildung 2) können bis zu ±700 A mit einer Gesamtgenauigkeit von <±0,5% messen.
• Der CSNV1500 kann bis zu ±1500 A mit einer Gesamtgenauigkeit von <±1 % messen.

Abbildung 2: Ein Stromsensor der Serie CSNV700 von Honeywell. (Bildquelle: Honeywell)

Die modernen Fluxgate-Stromsensoren der CSSV-Serie (Abbildung 3) kombinieren Fluxgate- und Hall-Effekt-Technologie mit geschlossenem Regelkreis. Diese Sensoren wurden für sicherheitskritische Anwendungen entwickelt und enthalten zwei unabhängige Mess- und Datenverarbeitungsschaltungen für Mess- und Diagnosefunktionen, die präzise Strommessungen ermöglichen. Sie sind für die Erkennung von Leckströmen, die Fehlererkennung und die Isolierung in EV-Antriebssteuerungssystemen konzipiert.

Abbildung 3: Ein moderner Fluxgate-Stromsensor der Serie CSSV. (Bildquelle: Honeywell)

Die Batteriesicherheitssensoren der BAS-Serie (Abbildung 4) dienen zur Erkennung und Meldung von thermischem Durchgehen in geschlossenen Li-Ionen-Batteriepacks durch Messung des Vorhandenseins und der Konzentration von Aerosolen wie Rauch, Flüssigkeit und Trümmern. Sie messen und melden Aerosolkonzentrationen von 200 µg/m³ bis 10000 µg/m³ unter Verwendung des Kommunikationsprotokolls CAN (Controller Area Network). Sie haben eine werkseitig programmierte Warnschwelle für thermisches Durchgehen von 5000 µg/m³ und können in Elektrofahrzeuge und Energiespeichersysteme integriert werden.

Abbildung 4: Ein Sensor der BAS-Serie von Honeywell misst die Konzentration von Rauch, Flüssigkeiten und anderen Aerosolen in Li-Ionen-Batteriepacks. (Bildquelle: Honeywell)

Die Batteriesicherheitsdrucksensoren der Serie BPS (Abbildung 5) wurden entwickelt, um durch die Überwachung von Druckveränderungen in EV-Batteriepacks und Energiespeichersystemen frühzeitig Anzeichen eines thermischen Durchgehens in Li-Ionen-Batteriepacks zu erkennen und zu melden. Sie erkennen Batteriedruckänderungen im Bereich von 50 kPa bis 300 kPa Absolutdruck und verfügen über konfigurierbare Warnschwellen für Absolutdruck und Druckänderungsrate.

Abbildung 5: Die Batteriesicherheitssensoren der Serie BPS von Honeywell ermöglichen eine frühzeitige Erkennung von thermischen Durchschlägen bei Lithium-Ionen-Batterien. (Bildquelle: Honeywell)

Fazit

Die steigende Nachfrage nach Elektrifizierungsanwendungen erhöht den bereits weit verbreiteten Einsatz von Li-Ionen-Batterien. Produktentwickler müssen jedoch Sensoren integrieren, die die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Effizienz von EV-Batteriepacks und Energiespeichersystemen verbessern und sicherstellen, dass sie innerhalb der vorgegebenen Parameter arbeiten und auf Unregelmäßigkeiten sofort reagieren. Honeywell-Sensoren arbeiten zusammen, um eine optimale Performance und Sicherheit zu gewährleisten, indem sie Informationen zur Steuerung von Lade- und Entladevorgängen, zur Kontrolle von Wärmemanagementsystemen und zur Ausführung von Sicherheitsprotokollen liefern, wenn dies erforderlich ist.