Revolucionando la seguridad de las baterías

Jul 05, 2023

Un nuevo sensor que puede "detectar" los primeros signos de fallo de la batería presenta una solución integral para evitar posibles riesgos de incendio.

Dado que la batería es el corazón de cualquier vehículo eléctrico (EV), garantizar su seguridad y salud es primordial. Sin embargo, incluso los sistemas de gestión de baterías (BMS) más sofisticados de la actualidad, que monitorean las celdas para detectar posibles problemas de eventos térmicos, tienen sus limitaciones.

"Una sola celda defectuosa dentro de un paquete de baterías puede convertirse en un peligro importante para la seguridad si no se detecta", explica Joe Holdsworth, fundador y director ejecutivo de Metis Engineering. “Los sistemas típicos de gestión de baterías de iones de litio en automóviles eléctricos o sistemas de almacenamiento de energía se basan principalmente en un BMS que monitorea fluctuaciones sutiles de voltaje y la temperatura de la celda para detectar posibles problemas. Sin embargo, el problema con el uso de ambos métodos es que si tiene muchas celdas en una disposición en paralelo, las fluctuaciones de voltaje pueden quedar enmascaradas por otras celdas, ocultando así una celda defectuosa”.

Ingeniería Métis fue fundada por Holdsworth en 2016, un experto en ingeniería aeroespacial que ha trabajado en proyectos que van desde submarinos nucleares no tripulados hasta el vehículo propulsado por cohetes y aviones Bloodhound Land Speed ​​Record de 1.000 mph. La empresa se especializa en tecnología de sensores de baterías y desarrolló una solución innovadora llamada Cell Guard, destinada a mejorar la seguridad y el mantenimiento de las baterías.

Holdsworth revela que puede sorprender a muchos que no todas las celdas de los paquetes de baterías de vehículos eléctricos tengan sensores de temperatura, lo que deja una parte del paquete de baterías vulnerable a eventos térmicos.

“La mayoría de los sistemas de gestión de baterías no analizan todas las temperaturas de las celdas. En el mejor de los casos, el 50% de ellas tendrá un sensor de temperatura, por lo que en la mayoría de los casos no se mide la temperatura de más de la mitad de las celdas de un paquete, lo que deja las baterías expuestas a eventos térmicos no detectados”.

“Aunque las células pueden parecer idénticas, existen variaciones sutiles en la calidad de fabricación, las tolerancias y las condiciones operativas que pueden provocar diferentes tasas de envejecimiento. Sin control de la temperatura, una célula que experimenta degradación y sobrecalentamiento podría pasar desapercibida”, añade. “Si no se aborda la ventilación y el paquete permanece bajo carga, la celda seguirá calentándose. Esto puede provocar la ruptura de la membrana entre el cátodo y el ánodo, lo que provocaría un cortocircuito interno y potencialmente un incendio, dependiendo de la química de la batería involucrada”.

Cell Guard, un sensor basado en CAN del tamaño de una caja de cerillas que se puede integrar fácilmente en casi cualquier sistema de batería a través de su conector de alimentación Molex Nano-Fit de 5 pines apto para automóviles, aborda estos desafíos introduciendo un nuevo enfoque para la seguridad de la batería. El sensor sin contacto, que funciona como monitor complementario junto con el BMS, está instalado dentro del paquete de baterías, donde tiene la capacidad de medir las condiciones ambientales y analiza los gases emitidos y los cambios de presión de las celdas calientes. Al complementar los sistemas de gestión de baterías existentes, Cell Guard proporciona una cobertura celular integral y una detección temprana de peligros potenciales.

"Las capacidades de detección temprana de Cell Guard, centradas en la etapa de ventilación, ofrecen la mejor oportunidad para evitar la fuga térmica, un fenómeno en el que el sobrecalentamiento de las células desencadena una reacción en cascada", continúa Holdsworth. “A medida que aumentan la temperatura y la presión, existe el riesgo de que la celda se ventile, liberando electrolito gaseoso. Aquí es donde Cell Guard juega un papel crucial al detectar los signos de ventilación celular. La detección temprana permite acciones como descargar el paquete para evitar un mayor calentamiento. Al identificar rápidamente la ventilación de las celdas, Cell Guard permite una intervención oportuna para evitar una mayor escalada de peligros potenciales”.

Con la creciente prevalencia de los vehículos eléctricos, se hizo evidente la necesidad de una solución integrada, añade, enfatizando que “la combinación única de características de Cell Guard lo distingue de otros productos en el mercado, convirtiéndolo en la solución ideal para la seguridad integral de las baterías. .”

Cell Guard va más allá de la detección de ventilación de celdas y ofrece una variedad de parámetros que brindan una evaluación integral del estado de la batería. Su capacidad para medir la humedad, el punto de rocío, la entrada de agua y los cambios de presión contribuye a mantener un entorno óptimo de la batería. Además, una variante de Cell Guard incorpora un acelerómetro automotriz, que permite evaluar las cargas de choque en los paquetes de baterías, proporcionando información vital para el análisis posterior al accidente.

La primera solución innovadora en el mercado cuenta con un acelerómetro para medir la carga y la duración del impacto hasta +/-24G, transmitiendo cualquier dato del impacto a través de una interfaz CAN configurable a una unidad de control, como la ECU del vehículo.

Al capturar y analizar estos datos, Holdsworth destaca que los propietarios de vehículos y las compañías de seguros pueden tomar decisiones informadas para garantizar la longevidad y seguridad de la batería, evitando la práctica insostenible de desguace innecesario si un vehículo eléctrico se ve involucrado en una colisión menor, lo que a su vez ayuda a reducir las primas de seguros. Los datos también informarán si la batería se puede utilizar en una aplicación de Second Life.

"Tener la capacidad de monitorear las fuerzas de impacto en el paquete de baterías es valioso, especialmente en situaciones como accidentes automovilísticos donde es crucial determinar si el paquete ha superado sus clasificaciones G designadas", afirma. "Actualmente, falta la recopilación y accesibilidad de estos datos, lo que resulta en que muchos paquetes de baterías se desechen innecesariamente, incluso si todavía están en buenas condiciones".

Holdsworth reconoce que la transición de una versión de investigación y desarrollo del sensor a la producción en masa planteó desafíos importantes. Sin embargo, Metis Engineering dominó con éxito el proceso de producción, asegurando la disponibilidad de Cell Guard en el mercado. De cara al futuro, la compañía planea mejorar su oferta mediante la introducción de un sistema fácil de conectar que permite integrar múltiples sensores conectados en cadena en sistemas de almacenamiento de energía sin problemas.

"Si bien la seguridad de la batería es una preocupación legítima, el enfoque basado en datos que ofrece Cell Guard garantiza que las baterías se mantengan dentro de los parámetros previstos", concluye Holdsworth. "A través del monitoreo continuo y la detección temprana de peligros potenciales, Cell Guard brinda tranquilidad tanto a los fabricantes como a los propietarios y al público en general".