Das Battery Innovation Center (BIC) mit Sitz in Newberry, Indiana, ist eine gemeinnützige Organisation, die sich auf die schnelle Entwicklung, Prüfung, Validierung und Kommerzialisierung sicherer, zuverlässiger und leichter Akkus konzentriert. Ein Teil ihres Testprozesses umfasst umfangreiche missbräuchliche Tests, bei denen Energiespeicher dem Worst-Case-Szenario ausgesetzt werden, um die daraus resultierenden Sicherheitsprobleme zu ermitteln und zu beheben. Um möglichst viele Daten aus diesen Tests zu sammeln, verwendet BIC eine Teledyne Flir Hochgeschwindigkeits-Wärmebildkamera. Ben Wrightsman, Präsident und CEO von BIC, erläutert: „Tests sind absolut kritisch“. Denn die Anforderungen, die ein Akku erfüllen muss, ist in den letzten Jahren gestiegen. Da sich die Technik deshalb stetig weiterentwickelt, wird auch das Überprüfen der Leistung und Sicherheit immer wichtiger.
 

Unfälle mit batterieelektrischen Fahrzeugen passieren

Unfälle passieren unweigerlich. Und dann ist es wichtig zu wissen, wie die Akkus reagieren, wenn sie Feuer fangen, wie schnell und wie wahrscheinlich es ist, dass sie auch umliegendes Material in Brand setzen. „Wir replizieren das Worst-Case-Szenario, damit wir diese Daten sammeln und dann wissen, was uns erwartet“, erklärt Gordon. Die Hochgeschwindigkeits-Wärmebildkamera von BIC, die gegen Ende des Jahres 2020 erworben wurde, ist zu einem Schlüssel für die Datenerfassung geworden.

Die Einschränkungen der Thermoelemente

„Bevor wir eine Wärmebildkamera hatten, waren es so ziemlich Massenthermoelemente und allgemeinere IR-Geräte“, sagt Dr. James Fleetwood, Forschungsdirektor am BIC. Thermoelemente, kostengünstige Temperatursensoren, die aus zwei verschiedenen Drähten bestehen, werden in der Industrie häufig zur Temperaturmessung verwendet. Sie sind jedoch mit einer Reihe von Einschränkungen verbunden, insbesondere für die Art der Tests, die am BIC durchgeführt werden.

Der Hauptnachteil von Thermoelementen besteht darin, dass sie jeweils nur einen Punkt messen können. „Wenn ich nur das Thermoelement verwende, habe ich eine Kontaktpunkttemperaturmessung. Das bedeutet, dass es sich in dieser einen Position genau richtig lesen wird“, erklärt Rodney Kidd, Labortechniker bei BIC.
Auch die Platzierung von Thermoelementen unterliegt einer Vorannahme. „Es ist ein selbsterfüllendes Feedback“, sagt Fleetwood. „Sie wissen nicht wirklich, wo die Hot Spots sind. Sie haben nur Messungen, die mit den Stellen einhergehen, wo Sie denken, dass sie es sind.“

Missbräuchliche Tests zur Simulation von Kurzschlüssen

Einer der missbräuchlichen Tests, denen Akkus unterzogen werden, ist das Eindringen von Nägeln, die einen Kurzschluss simulieren und dazu führen können, dass die Batterie überhitzt und Feuer fängt oder sogar explodiert. „Wenn wir einen Nagelstifttest machen und Sie sich nur auf Thermoelemente beschränken, müssten Sie wirklich tausend Thermoelemente auf der Vorderseite dieser Zelle platzieren, um ein genaues Verständnis des Temperaturprofils zu erhalten, das in der gesamten Zelle heraustreten wird“, sagt Kidd.

Zu verstehen, wie sich durch den Kurzschluss und die sich ausbreitende Hitze Gase ansammeln, wo diese Gase und andere Zellmaterialien ausgestoßen werden — und wie heiß sie sind — ist für Ingenieure bei der Entwicklung von Akkus wichtig. „Wir werden das Feuer nicht immer stoppen können“, erklärt Kidd, „aber wir können den Schaden und das Ausmaß davon mildern und in sichere Bahnen lenken.“ „Das war etwas, das wir bisher nur mit Thermoelementen und normalen IR-Kameras nicht erfassen konnten“, sagt Kidd. Obwohl sie Trümmer austreten sehen konnten, kühlte das Material sofort ab, als es die Atmosphäre erreichte. „Mit der Hochgeschwindigkeitskamera“, erklärt er, „kann ich das verlangsamen und dieses Material auffangen, das manchmal über 5, 6, 700 °C und dann bei noch höheren Temperaturen herauskommt.“

Wärmebildkameras zeigen das Gesamtbild

Im Gegensatz zu Thermoelementen, die direkt vor Ort platziert werden müssen, um Temperaturdaten zu sammeln, liefert die Wärmebildkamera gleichzeitig Daten über jeden Punkt der Oberfläche. „Sie ergibt ein großes Gesamtbild“, sagt Gordon, „und sie sammelt offensichtlich viel mehr Datenpunkte, die bei der Analyse helfen und uns bei der Entwicklung des nächsten Tests helfen können, den wir durchführen möchten.“

Mit der Wärmebildkamera können Ingenieure nicht nur leicht sehen, was außerhalb des Akkus passiert, wenn er einem missbräuchlichen Test ausgesetzt wird, sondern auch, was im Inneren passiert und wie die Hitze voranschreitet. „Wir können sofort sehen, wie sich die Temperatur ausbreitet, und wir können sofort sehen, ob wir Hotspots bekommen, selbst wenn wir an dieser Stelle kein Thermoelement haben“, fährt Gordon fort.

Das Ergebnis ist, dass die Wärmebildkamera viel mehr Informationen liefert als nur eine Pass/Fail-Zertifizierung. „Dieses Wärmeprofil sagt Ihnen viel mehr darüber aus, wie das Wärmemanagementsystem funktioniert, als lediglich eine Aussage darüber zu treffen, ob das System in Flammen steht oder nicht“, sagt Fleetwood.

Autor
Joachim Templin, Sales Manager R&D/Science & Automation bei Teledyne Flir