Wärmebildkameras überwachen thermische Events bei EV-Batterien

Bei den Batteriepacks, die für den Antrieb von Elektrofahrzeugen verwendet werden, handelt es sich um große Module, die aus mehreren kleineren Batterien bestehen. Diese Module werden in einen starren Rahmen eingebaut und miteinander zu einem größeren, kompletten Batteriesatz verbunden. Unsachgemäße mechanische Verbindungen zwischen Modulen können einen hohen Widerstand verursachen, der einen Leistungsverlust oder sogar einen Batteriebrand zur Folge haben kann.

Die Inspektion der mechanischen Verbindungen zwischen den Batteriemodulen kann jedoch schwierig sein. Mithilfe von Inspektionssystemen mit sichtbaren Kameras können die Komponenten zwar auf ihre korrekte Position und Ausrichtung hin überprüft werden, doch lässt sich mit ihnen der Stromdurchgang der Verbindungen nicht prüfen und bestätigen. Darüber hinaus sind die Oberflächen der Steckverbinder reflektierend, was zu Problemen bei der Beleuchtung und der Kameraplatzierung führt.

Hersteller von Batteriemodulen für Elektrofahrzeuge müssen häufig historische Aufzeichnungen über die Leistung jeder Validierung und jedes End-of-Line-Tests führen. Hierzu müssen sie genaue und wiederholgenaue Messinstrumente verwenden, damit die resultierenden Testdaten zur Bestimmung von Trends und potenziellen Problemen schnell verglichen werden können. Diese Daten könnten auch bei Rechtsstreitigkeiten verwendet werden, wenn mangelhafte Verbindungen zu einem Schadensbrand führen.

Hersteller verwenden schon seit Langem Wärmebildkameras zur Inspektion von elektrischen Systemen. Diese Kameras können zur Erkennung von Temperaturanstiegen eingesetzt werden, deren Ursache ein erhöhter Widerstand aufgrund schlechter oder loser elektrischer Verbindungen ist. Sie können auch bei der Erkennung anderer potenzieller Probleme helfen, z. B. instabile Lasten, Überlastung von elektrischen Schaltkreisen sowie Schäden an der Isolierung oder am Kabel.

Festmontierte Wärmebildkameras wie die FLIR A-Serie Smart Sensor lassen sich mühelos in die zahlreichen automatisierten Prozesse in der Fertigung von Elektrofahrzeugen integrieren. Die Anschlussfähigkeit an die vorhandene Infrastruktur oder CMMS-Software mit der FLIR Bridge Pro bietet zusätzlichen Nutzen und erhöht die Benutzerfreundlichkeit. Wärmebildkameras können nicht nur Hotspots erkennen, sondern auch genaue Temperaturdaten für jedes Pixel im Bild ausgeben. Dies sorgt für Flexibilität bei der Größe und Art der Verbindungen, die der Endanwender überwachen kann. Abhängig von der physischen Größe des Batteriepacks, den Positionen der Anschlüsse und dem Ort, an dem die Kamera montiert werden kann, können mit einer einzigen Kamera auch mehrere Anschlüsse gleichzeitig überprüft werden.

Der Einsatz von Wärmebildkameras in Herstellungs- und Testverfahren für Elektrofahrzeugbatterien kann das Vertrauen in die Integrität der Batteriepacks und Kabelverbindungen erhöhen. Fest montierte Modelle wie die A70 können eine höhere Anzahl potenziell lockerer Verbindungen identifizieren und die Anzahl der End-of-line-Ausfälle des Batteriesystems reduzieren. Mit FLIR Bridge, einem Edge Gateway für das industrielle Internet der Dinge (IIoT), das Wärme- und Sensordaten in einem Hub sammelt, können Hersteller ferner die Übertragung von Wärmedaten in ihre bevorzugte Software optimieren. Bridge hilft bei der Integration von Wärmedaten mit anderen Sensordaten und Seriennummerninformationen, sodass Problemverbindungen zur Bewertung und möglichen Reparatur gekennzeichnet werden können. All dies sorgt für eine geringere Zahl von übersehenen Verbindungen, mehr Informationen und sicherere Batterien in unseren Fahrzeugen.

Die meisten Hersteller von EV-Batteriemodulen und -packs verwenden Batteriezellen, die beim Zusammenbau einen gewissen Ladezustand aufweisen, da im Allgemeinen davon ausgegangen wird, dass eine vollständig entladene Lithium-Ionen-Batterie gefährlicher ist als eine vollständig geladene. Wenn die einzelnen Batteriemodule miteinander verbunden sind, beginnt der Strom zwischen den Komponenten zu fließen. Dieser Stromfluss führt oft zu einem Temperaturanstieg in den Zellen und/oder Modulen. Mit steigender Temperatur sinkt die Spannung im System und führt zu einem Anstieg des Stroms, wodurch die Temperatur noch weiter ansteigt. Dieser Zyklus der Temperaturerhöhung wird als „thermisches Durchgehen“ bezeichnet und kann, wenn er nicht erkannt wird, zu Schäden an den Batterien und sogar zu Bränden in der Anlage führen.

Das Batteriemanagementsystem (BMS) überwacht die Temperaturen und kontrolliert die Batterie auf lose Verbindungen und interne Kurzschlüsse. Das BMS wird jedoch in der Regel erst später im Montageprozess in das System eingebaut. Die Überwachung der Temperaturen von Zellen und Modulen während der Erstmontage erfolgt daher mit tragbaren IR-Temperaturpistolen, die nur in einem kleinen Bereich Temperaturinformationen liefern, oder es wird gar nicht gemessen.

Wärmebildkameras bieten Herstellern von Batteriesystemen die Möglichkeit, die gesamte Batteriebaugruppe auf erhöhte Temperaturen und potenziell gefährliche Situationen aufgrund von thermischem Durchgehen zu überwachen. Da die Batteriekonfigurationen von Montagelinie zu Montagelinie stark variieren können, hilft die Fähigkeit von Wärmekameras, Temperaturen an Tausenden von verschiedenen Punkten zu messen, und sicherzustellen, dass kein kritischer Hotspot übersehen wird.

Die FLIR Advanced-Smart-Sensor-Kameras der A-Serie können so installiert werden, dass jede Abluftöffnung der Batteriebaugruppe überwacht wird. Über die Online-Kamerasteuerungsschnittstelle können mehrere Interessensbereiche erstellt werden, wobei für jeden ROI-Obergrenzen für Temperaturalarme definiert werden. Alarmsignale können zur Datenprotokollierung und Steuerung einer Alarmanzeige bei Überschreiten eines kritischen Temperaturschwellenwerts über EtherNet/IP an eine industrielle SPS gesendet werden. Diese Konfiguration ermöglicht die Aufzeichnung des Temperaturdatenverlaufs, eine visuelle Anzeige für Arbeiter, wenn gefährliche Bedingungen auftreten. Ferner beseitigt sie das Potenzial für menschliche Fehler bei der Verwendung eines tragbaren Temperaturmessgeräts.

Die Verwendung von Kameras der A-Serie wie der A70 bietet eine deutliche Verbesserung gegenüber der Verwendung von Handmessgeräten durch einzelne Bediener, da die Wiederholbarkeit und Zuverlässigkeit der Temperaturmessungen zur Erkennung von thermischem Durchgehen deutlich zunimmt. Die automatisierte und verbesserte thermische Überwachung bietet ein gewisses Maß an Sicherheit, dass potenzielle Gefahren schnell erkannt werden, was zur Reduzierung der Risiken sowohl für das Anlagenpersonal als auch für die Anlagen beiträgt. (na)

Der Beitrag beruht auf Material von Teledyne FLIR.