Batterijbeheersystemen (BMS) zijn de hoeksteen van de veiligheid van moderne elektrische voertuigen en energieopslag. Ze bewaken de celspanningen, regelen het laden en ontladen, balanceren de celbelastingen en beschermen de packs tegen gebruik buiten het veilige temperatuurbereik. Voor het grootste deel van de industrie is het accumanagementsysteem de beschermer van de batterij, de laatste verdedigingslinie tegen catastrofale uitval.

Er is echter steeds meer bewijs dat het conventionele BMS, ondanks al zijn geavanceerdheid, kritieke blinde vlekken heeft. Het kan de eerste tekenen van thermische runaway niet detecteren, het kan geen vocht waarnemen dat zich ophoopt in een batterijpakket of de schokbelasting registreren die een batterij heeft opgenomen tijdens een botsing.

Dit zijn de hiaten die er in de praktijk voor zorgen dat accubranden onopgemerkt blijven tot ze al rampzalig zijn en dat ingenieurs, wagenparkbeheerders en verzekeraars niet over de gegevens beschikken die ze nodig hebben om weloverwogen beslissingen te nemen over de gezondheid van de accu. Begrijpen waar conventionele batterijbeheersystemen tekortschieten en wat er nodig is om deze tekortkomingen aan te pakken is essentieel voor iedereen die tegenwoordig lithium-ion batterijpakketten ontwerpt of gebruikt.

Wat is een batterijbeheersysteem?

Een accumanagementsysteem is een elektronisch regelsysteem dat in een batterijpack is ingebouwd. De belangrijkste functies zijn het meten en rapporteren van de celspanning en -temperatuur, voorkomen dat cellen te ver of te diep worden ontladen, de laadstatus van individuele cellen in evenwicht houden en een algemene schatting van de laadstatus (SoC) en gezondheidstoestand (SoH) geven aan het voertuig of systeem.

In een modern elektrisch voertuig communiceert het batterijbeheersysteem via een CAN-bus, waarbij gegevens worden doorgegeven aan de aandrijflijnbesturing van het voertuig en in veel implementaties ook aan telematicasystemen in de cloud. Het is een volwassen, goed begrepen technologie. De meeste regelgevende kaders voor de veiligheid van elektrische voertuigen gaan ervan uit dat het batterijbeheersysteem een gegeven is.

Het probleem is niet dat batterijbeheersystemen slecht ontworpen zijn. Het probleem is dat ze zijn ontworpen op basis van een relatief klein aantal meetbare parameters zoals spanning en temperatuur. Helaas vertellen spanning en temperatuur alleen niet het volledige verhaal van wat er in een accupack gebeurt.

De beperkingen van conventionele batterijbeheersystemen

Schaarse temperatuurbewaking

De meeste accubeheersystemen plaatsen temperatuursensoren op intervallen over het pakket, meestal één sensor per module, of zelfs één per meerdere cellen. Dit betekent dat een afwijkende cel tussen twee sensorpunten een aanzienlijke temperatuurstijging kan doormaken voordat een meting dit registreert. In een dicht opeengepakte lithium-ionmodule kan de afstand tussen een slecht functionerende cel en de dichtstbijzijnde temperatuursensor groot genoeg zijn om een thermische gebeurtenis onopgemerkt te laten plaatsvinden.

Spanningsafscherming

Het detecteren van vroegtijdige celdegradatie via spanningsmetingen is inherent moeilijk in parallelle celconfiguraties. Wanneer één cel in een parallelle groep defect begint te raken, houden de overige cellen de klemspanning van de groep als geheel op peil, waardoor de afwijking wordt gemaskeerd. Tegen de tijd dat een spanningsafwijking zichtbaar wordt bij het accumanagementsysteem, kan de falende cel al in een vergevorderd stadium van degradatie zijn. Het accumanagementsysteem kan in feite worden misleid door de architectuur van het pakket dat het moet beschermen.

Geen gasdetectie

Een van de belangrijkste beperkingen van conventionele batterijbeheersystemen is dat ze geen middelen hebben om de gassen te detecteren die batterijcellen uitstoten wanneer ze beginnen te ontluchten. Celontluchting, ook wel off-gassing genoemd, is het vroegst waarneembare teken van thermische runaway. In de minuten voordat een cel de temperaturen bereikt die een brand of explosie veroorzaken, komen er vluchtige organische stoffen (VOC's) vrij en, in sommige storingsscenario's, waterstof. Deze gassen zijn meetbaar en te onderscheiden. Een conventioneel batterijbeheersysteem kan ze niet meten.

Onafhankelijke tests door Sandia National Laboratories toonden aan dat VOC-detectie meer dan zeven minuten van tevoren kan waarschuwen voor thermische runaway, een venster dat temperatuursensoren alleen eenvoudigweg niet kunnen bieden.

Dat venster van zeven minuten is enorm belangrijk. Het is het verschil tussen een gecontroleerde uitschakeling van het systeem, een veilige evacuatie van het voertuig of een circuitisolatie en een brand die niet kan worden gestopt. De Global Technical Regulation on Electric Vehicle Safety (GTR20) gaat specifiek in op de noodzaak van vroegtijdige waarschuwingssystemen die een veilige evacuatie van inzittenden mogelijk maken. Een batterijbeheersysteem dat alleen op temperatuur werkt, kan niet op betrouwbare wijze aan die vereiste voldoen.

Geen vocht- of vochtigheidsbewaking

Het binnendringen van water is een ernstige bedreiging voor de levensduur en veiligheid van accu's. Vocht in een pack tast de celisolatie aan, bevordert corrosie en verhoogt het risico op kortsluiting. In vloeistofgekoelde packs kan condensatie ontstaan op interne componenten wanneer de temperatuur van het koelmiddel onder het dauwpunt van de lucht in de behuizing zakt, een scenario dat vooral waarschijnlijk is tijdens koude starts of na agressieve koelcycli. Conventionele batterijbeheersystemen hebben geen middelen om vocht te detecteren of het dauwpunt te traceren, waardoor deze storingsmodus volledig onbewaakt blijft.

Geen schok- of stootopname

Wanneer een elektrisch voertuig betrokken raakt bij een botsing, wordt de mechanische integriteit van het accupakket onmiddellijk in twijfel getrokken. De huidige batterijmanagementsystemen registreren de schokbelastingen die het pakket heeft ondergaan niet. Technici die belast zijn met het beoordelen van de toestand van de accu na een ongeval moeten vertrouwen op visuele inspectie en, indien beschikbaar, telemetriegegevens van het voertuig, die geen van beide een betrouwbaar beeld geven van de vraag of de interne structuur van het pakket is aangetast. Zonder die gegevens zijn de opties beperkt: het pakket afdanken of een onbekend risico accepteren.

De risico's die deze gaten creëren

Elk van deze beperkingen van batterijbeheersystemen vormt afzonderlijk een hiaat in de bewaking. Samen vormen ze een systemische kwetsbaarheid in de veiligheidsarchitectuur van lithium-ionbatterijen, een kwetsbaarheid die reële gevolgen heeft voor fabrikanten van EV's, wagenparkbeheerders, tweede leven batterijintegrators en eindgebruikers.

Thermische runaway-events bij elektrische voertuigen krijgen onevenredig veel media-aandacht in verhouding tot hun statistische frequentie. Maar de impact van die aandacht op de adoptie van EV is meetbaar. Elke in het oog springende batterijbrand versterkt het scepticisme van het publiek over de veiligheid van elektrische voertuigen. Het vermogen van de industrie om aan te tonen dat thermische gebeurtenissen detecteerbaar zijn voordat ze catastrofaal worden en dat de gegevens bestaan om adequaat te reageren, is niet alleen een technische kwestie. Het is een commerciële en reputatiekwestie.

Voor de groeiende markt van batterijen voor de tweede levensduur zijn de hiaten net zo belangrijk. Een EV-batterij die bestemd is voor hergebruik in een stationair energieopslagsysteem heeft een onbekende geschiedenis. Zonder een gedetailleerd verslag van de schokken die de batterij heeft ondergaan, de vochtigheidsomstandigheden waarin de batterij heeft gewerkt en de thermische gebeurtenissen (hoe klein ook) die de batterij heeft doorgemaakt, is het risicoprofiel van die batterij grotendeels giswerk. Dit zorgt voor terughoudendheid in de hele toeleveringsketen en beperkt de economische levensvatbaarheid van circulaire batterijmodellen.

De kloven dichten: De rol van celbewaking

De Cell Guard-sensor van Metis Engineering is speciaal ontwikkeld om de blinde vlekken in de bewaking aan te pakken die conventionele accumanagementsystemen openlaten. Cell Guard vervangt het accumanagementsysteem niet, maar werkt ernaast en biedt een aanvullende laag van omgevings- en fysieke gegevens die spannings- en temperatuurmetingen alleen niet kunnen leveren.

Cell Guard is een compacte, CAN-gebaseerde sensor die ontworpen is om geïnstalleerd te worden in de buurt van de ontluchtingspoort van een batterijpakket of energieopslagkast. Vanuit die positie bewaakt hij continu de vluchtige organische stoffen (VOC's), absolute druk, luchttemperatuur, relatieve vochtigheid, dauwpunt en in de uitgebreide configuratie de waterstofconcentratie. Een optionele versnellingsmeter met drie assen voegt de mogelijkheid toe om schokbelastingen tot 24 G te registreren, inclusief de omvang en duur van elke schok.

Elk van deze parameters richt zich direct op een specifiek hiaat in de mogelijkheden van conventionele batterijbeheersystemen. VOC-detectie zorgt voor de vroegst mogelijke waarschuwing voor celontluchting, waardoor een alarm wordt geactiveerd terwijl thermische runaway nog steeds kan worden voorkomen. Vochtigheids- en dauwpuntbewaking signaleert binnendringend vocht en het condensatierisico waarmee vloeistofgekoelde packs te maken hebben. Schokgegevens bieden een verifieerbare registratie van de mechanische spanningen die het pack heeft doorstaan, informatie die van onschatbare waarde is voor de beoordeling na een incident, de doorverkoop van batterijen en beslissingen over hergebruik.

Cell Guard detecteerde een thermische runaway in minder dan 60 seconden in onafhankelijke tests en leverde bruikbare waarschuwingsgegevens meer dan zeven minuten eerder dan concurrerende sensortechnologieën die alleen waterstofdetectie gebruiken.

Deze onafhankelijke validatie, uitgevoerd door Sandia National Laboratories en gepubliceerd in het Journal of the Electrochemical Society, bevestigt wat Metis Engineering met Cell Guard wilde aantonen, namelijk dat VOC-detectie een aanzienlijk effectievere methode voor vroegtijdige waarschuwing is dan waterstofdetectie, juist omdat VOC's worden uitgestoten tijdens de ontluchtingsfase van de cel voordat er waterstof wordt gegenereerd en ruim voordat de temperaturen de drempel voor een rampzalig defect bereiken.

Cell Guard is ook ontworpen voor praktische integratie. Dankzij de configureerbare CAN-bussnelheid en het adres, de Molex Nano-Fit connector en de compacte vorm kan het systeem worden geïnstalleerd in nieuwe accupacks of achteraf worden ingebouwd in bestaande architecturen zonder het ontwerp van de pack of de luchtstroom te verstoren. Hij werkt in een energiezuinige bewakingsmodus, waarbij hij alleen op CAN verzendt wanneer een vooraf ingestelde drempel wordt overschreden, waardoor de parasitaire belasting tot een minimum wordt beperkt en er toch onmiddellijk waarschuwingen worden gegenereerd wanneer deze van belang zijn.

Toepassingen voor de gehele levenscyclus van batterijen

De gebruikssituaties voor Cell Guard strekken zich uit over de volledige levenscyclus van de batterij, van de eerste installatie tot de tweede inzet. In elektrische voertuigen zoals personenauto's, commerciële bussen, eVTOL-vliegtuigen, zeeschepen en micromobiliteitsplatforms biedt Cell Guard de mogelijkheid voor vroegtijdige waarschuwing die een veilige evacuatie en gecontroleerde uitschakeling van het systeem mogelijk maakt voordat de batterij thermisch op hol slaat.

In stationaire energieopslagsystemen, op netwerkschaal, commercieel of residentieel, biedt Cell Guard continu milieutoezicht op installaties met variabele temperaturen waar de gevolgen van onopgemerkte vocht- of gasophoping even ernstig zijn.

Voor de tweede batterijmarkt zijn de versnellingsmetergegevens en milieugegevens die Cell Guard verzamelt tijdens de operationele levensduur van een batterij direct relevant voor het opkomende concept van het batterijpaspoort, een traceerbaar, verifieerbaar verslag van de staat van de batterij dat beslissingen over hergebruik en doorverkoop onderbouwt. Allye Energy, dat hergebruikte EV accu's integreert in energieopslagsystemen op netwerkschaal, heeft Cell Guard met versnellingsmeter ingezet om precies aan deze vereiste te voldoen.

Cell Guard is getest en gecertificeerd volgens ISO Automotive standaarden, waaronder ISO7637-2, ISO16750-2 en ISO16750-4, en wordt geassembleerd in het Verenigd Koninkrijk onder ISO9001-gecertificeerde kwaliteitsomstandigheden. Het wordt momenteel gebruikt in ASIL B-toepassingen in een reeks OEM- en Tier 1-programma's.

Een completer beeld van batterijgezondheid

Batterijbeheersystemen zijn een onmisbaar onderdeel van de veiligheidsarchitectuur van EV's en ESS. De aanname dat een batterijbeheersysteem alleen voldoende is om een lithium-ionbatterij te beschermen tegen alle voorzienbare faalwijzen is echter niet langer houdbaar, niet gezien wat we weten over hoe thermische runaway verloopt, hoe vochtschade zich ontwikkelt en hoe mechanische stress zich opstapelt tijdens de levensduur van een batterij.

Cell Guard is geen vervanging voor het batterijbeheersysteem. Het is de aanvullende laag die de gaten dicht die de batterijbeheersystemen niet kunnen dichten, zodat technici, wagenparkbeheerders en systeemintegrators de gegevens krijgen die ze nodig hebben om problemen eerder te detecteren, sneller te reageren en beter geïnformeerde beslissingen te nemen over de gezondheid van de batterij, van de productie tot het einde van de levensduur.

Voor organisaties die lithium-ion accusystemen ontwerpen of gebruiken is de vraag niet langer of aanvullende bewaking nodig is. De vraag is welke parameters bewaakt moeten worden en hoe die mogelijkheid zo effectief mogelijk in een bestaande systeemarchitectuur geïntegreerd kan worden. Cell Guard beantwoordt beide vragen.

Lees meer

Ga voor meer informatie over Cell Guard of om een productmonster aan te vragen naar Celbewaking - Metis Engineering of neem contact op met het Metis Engineering-team op info@metisengineering.com