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Lösung von Cubic Automotive für einen Aerosolsensor zur Erkennung thermischer Ausreißer im Automobilbereich

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Frühzeitige Erkennung von thermischen Ausbrüchen durch Frühwarnsysteme auf Aerosol-Ebene in der indischen Automobilindustrie

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1. Verschärfung der Sicherheitsstandards für Elektrofahrzeuge in Indien

Angesichts des rasanten Wachstums des indischen Marktes für Elektrofahrzeuge (EV) ist die Batteriesicherheit sowohl für die regulatorischen Rahmenbedingungen als auch für die Entwicklung der Branche zu einem zentralen Thema geworden. Im Rahmen von Initiativen wie dem FAME-II-Programm und nachfolgenden E-Mobilitäts-Maßnahmen verschärft die indische Regierung weiterhin die Sicherheitsanforderungen für Elektrofahrzeuge, insbesondere in Bezug auf das Wärmemanagement und die Verhinderung von thermischem Durchgehen bei Lithium-Ionen-Batteriesystemen.

Seit Dezember 2022 sind die batteriebezogenen Normen AIS-038 Rev. 2 und AIS-156 verbindlich und bilden die unverzichtbare Grundlage des indischen Sicherheitsrahmens für Elektrofahrzeuge. AIS-038 Rev. 2 gilt für Antriebsbatteriesysteme in Fahrzeugen der Kategorien M und N, während AIS-156 Fahrzeuge der Kategorie L abdeckt, darunter Zweiräder, Dreiräder und Vierradfahrzeuge. Beide Normen verlangen Prüfungen zur Ausbreitung thermischer Ausreißer sowie ein mikroprozessorgesteuertes Batteriemanagementsystem (BMS) mit umfassenden Schutzfunktionen auf Zellebene.

Wie in der Norm AIS 308 festgelegt, „muss das REESS oder das Fahrzeugsystem ein Signal ausgeben, um die Vorwarnanzeige mindestens 5 Minuten vor dem Eintreten einer durch thermische Ausbreitung im REESS verursachten Gefahrensituation zu aktivieren“, was die Bedeutung der Einführung wirksamer Strategien zum Management thermischer Ausbrüche unterstreicht.

Unter realen Betriebsbedingungen stellt Indien zudem besondere Herausforderungen dar, darunter hohe Umgebungstemperaturen, Schwankungen der Luftfeuchtigkeit und häufige Verkehrsstaus. Diese Faktoren beschleunigen die Alterung der Batterien und erhöhen die Akkumulation thermischer Belastungen, wodurch das Risiko von thermischen Ausbrüchen steigt. Infolgedessen wächst die Nachfrage nach Technologien zur Batterieüberwachung, die früher, präziser und zuverlässiger sind.

2. Mechanismus des thermischen Durchgehens und Frühindikatoren

Das thermische Durchgehen bei Lithium-Ionen-Batterien ist ein mehrstufiger Prozess. In der Anfangsphase treten innerhalb der Batteriezellen interne Nebenreaktionen auf, die zur allmählichen Freisetzung von Spurengasen und Feinstaub führen – ein Phänomen, das typischerweise bei einem deutlichen Temperaturanstieg auftritt. Im weiteren Verlauf der Reaktion steigen Innendruck und Temperatur rapide an, was schließlich zu einer thermischen Ausbreitung und möglicherweise zu einem Brand oder einer Explosion führt.

Herkömmliche Batteriemanagementsysteme (BMS) stützen sich in erster Linie auf Spannungs-, Strom- und Temperatursignale. Diese makroskopischen Parameter erfassen jedoch häufig die chemische Zersetzung auf Mikroebene im Frühstadium nicht, was zu verzögerten Warnsignalen und einer begrenzten Reaktionszeit führt.

3. Frühwarnung vor thermischem Durchgehen durch Aerosolerkennung

Um diese Einschränkung zu beheben, stellt die Überwachung von Veränderungen der Partikelkonzentration im Batteriepack mithilfe aerosolbasierter Sensortechnologien eine wirksame Methode dar, um abnormale chemische Reaktionen im Frühstadium indirekt zu erkennen.

Im Vergleich zur herkömmlichen Überwachung elektrischer Parameter bietet die Aerosolerkennung mehrere wesentliche Vorteile, darunter die Erfassung von Zersetzungsvorgängen im Frühstadium, eine höhere Empfindlichkeit gegenüber Veränderungen auf Mikroebene, die eine Erkennung auch nach einem Temperaturanstieg ermöglicht, sowie ihre Rolle als ergänzende Datenquelle, die die Multiparameter-Fusion innerhalb der Sicherheitslogik des BMS stärkt. Zusammengenommen machen diese Vorteile die Aerosolmessung zu einem vielversprechenden Ansatz zur Verbesserung der Frühdiagnosefähigkeit und der allgemeinen Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien.

4. Aerosolsensorlösung von Cubic für die Batteriesicherheit – ATRS-1031

Als Tier-1-Zulieferer für die Automobilindustrie mit IATF-16949-Zertifizierung hat hat Cubic, ein führender Hersteller von Gassensoren und Gasanalysatoren, seine ausgereifte Lichtstreuungstechnologie genutzt und den Li-Batterie-Sicherheits-Aerosolsensor ATRS-1031 entwickelt – einen für die Automobilindustrie geeigneten Infrarot- (LED-) Lichtstreuungs-Partikelsensor, der speziell für die Frühwarnung vor thermischen Durchgeh-Ereignissen konzipiert wurde.

Der Cubic ATRS-1031 basiert auf einer ausgereiften Entwicklungsplattform in Automobilqualität, die auf langfristige Zuverlässigkeit, Umweltbeständigkeit und Flexibilität bei der Systemintegration optimiert ist. Er nutzt die Infrarot-LED-Lichtstreuungstechnologie, um die Partikelkonzentration in Echtzeit zu erfassen, Veränderungen der Aerosolkonzentration innerhalb von Batteriepacks kontinuierlich zu überwachen und Partikelemissionen im Frühstadium zu erkennen, die in engem Zusammenhang mit dem Einsetzen von thermischen Durchlaufereignissen stehen. Im Vergleich zu herkömmlichen Ansätzen ermöglicht diese Messmethode eine frühzeitigere Erkennung abnormaler chemischer Aktivitäten innerhalb des Batteriesystems.

Der Sensor ist auf einen kritischen Aerosolkonzentrationsschwellenwert von 5000 µg/m³ eingestellt, der als Auslösepunkt für eine Frühwarnung dient. Sobald dieser Schwellenwert überschritten wird, sendet der Sensor umgehend ein Signal an das Batteriemanagementsystem (BMS), wodurch die rechtzeitige Aktivierung von Sicherheitsmaßnahmen im Frühstadium ermöglicht wird. Dieser Mechanismus ermöglicht es dem Fahrzeugsystem, zu reagieren, bevor die thermische Eskalation ein gefährliches Niveau erreicht.

Zur besseren Integration in Fahrzeugsysteme unterstützt der Cubic ATRS-1031 die CAN-Bus-Kommunikation und ermöglicht so die Echtzeitübertragung der Messdaten an das BMS des Fahrzeugs, was eine nahtlose Einbindung in bestehende elektronische Fahrzeugarchitekturen gewährleistet. Darüber hinaus ist der Sensor mit Wake-up-Ausgangs- und Anforderungs-Eingangsfunktionen ausgestattet, die die Zuverlässigkeit der Interaktion zwischen Subsystemen verbessern und einen stabilen Betrieb in sicherheitskritischen Umgebungen gewährleisten, in denen eine schnelle und deterministische Reaktion erforderlich ist.

Der Sensor verfügt zudem über ein hochzuverlässiges Schnittstellendesign, bei dem die Wake-up-Ausgangs- und Anforderungs-Eingangsfunktionen eine stabile Systemkoordination und einen ausfallsicheren Betrieb innerhalb der Fahrzeugsteuerungssysteme unterstützen. Um Energieeffizienz zu gewährleisten, unterstützt er einen Modus mit geringem Stromverbrauch, der den Gesamtenergieverbrauch im Normalbetrieb reduziert und gleichzeitig die kontinuierliche Überwachungsfähigkeit aufrechterhält.

Darüber hinaus wurde der ATRS-1031 gemäß den Schaltungsstandards der Automobilindustrie entwickelt und bietet eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Vibrationen, elektromagnetische Störungen und andere raue Betriebsbedingungen, wie sie in Fahrzeugumgebungen häufig vorkommen. Wichtige Komponenten werden eigenständig im eigenen Haus entwickelt und gefertigt, was eine konsistente Qualitätskontrolle, eine verlängerte Lebensdauer und eine stabile Leistung über den gesamten Produktlebenszyklus hinweg gewährleistet. Der Sensor ist zudem für die Anpassung an raue Umgebungsbedingungen optimiert und eignet sich somit für den Einsatz unter Bedingungen mit hohen Temperaturen, starker Staubbelastung und starken Vibrationen auf dem indischen Markt.

Angesichts des stetig wachsenden indischen Marktes für Elektrofahrzeuge bleibt die Batteriesicherheit eine entscheidende Priorität. Die frühzeitige Erkennung eines thermischen Durchgehens ist nicht nur gesetzlich vorgeschrieben, sondern auch unerlässlich für den Schutz von Leben und Eigentum. Als nach IATF 16949 zertifizierter Tier-1-Zulieferer der Automobilindustrie arbeitet Cubic nach einem robusten Qualitätsmanagementsystem nach Automobilstandard und verfügt über umfangreiche Erfahrung in der automatisierten Massenproduktion. Dies gewährleistet eine hohe Zuverlässigkeit und Skalierbarkeit seiner Gassensoren für die Automobilindustrie und bietet OEMs eine zuverlässige und anpassungsfähige Sensorlösung zur Erkennung von thermischem Durchgehen, die eine verbesserte Batteriesicherheit und die nachhaltige Entwicklung der Elektromobilität unterstützt.

Weitere Produktinformationen finden Sie unter https://en.gassensor.com.cn/LibatteryThermalRunawaySensor/info_itemid_2280.html oder wenden Sie sich an: [email protected].