Das Battery Innovation Center verwendet Hochgeschwindigkeits-Wärmebildgebung für missbräuchliche Batterietests

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 Batterien für kommerzielle Kunden und Kunden aus der Verteidigung konzentriert. Ein Teil ihres Testprozesses umfasst umfangreiche missbräuchliche Tests, bei denen Batterien 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, die Wärmedetails aufdeckt, die andere Technologien nicht erfassen können.

„Wenn wir einen Test durchführen, möchten wir so viele Daten wie möglich sammeln und darauf vertrauen können, dass unsere Daten korrekt sind“, erklärt Ashley Gordon, Director of Programs bei BIC. Die Hochgeschwindigkeits-Thermografie stellt sicher, dass sie die umfassendsten und genauesten Daten sammeln können.

Nagelpenetrations-Batterietest, aufgezeichnet in Hochgeschwindigkeits-Wärmebildgebung.

BICs wichtige Rolle in der Branche

Basierend auf einem breiten Fachwissen und durch die Zusammenarbeit mit Branchenführern, Hochschulen und Regierungsbehörden bietet BIC seinen Kunden die Sicherheit und ergebnisbasierte Daten, die sie benötigen, um sicherzustellen, dass ihre Produkte so sicher wie möglich sind. „Wir tun alles, von der Herstellung von Batterien über das Design von Batterien bis hin zum Testen und Bewerten von Batterien, um die Industrie für die nächste Generation fortschrittlicher Energiespeicher zu schulen“, sagt Ben Wrightsman, Präsident und CEO von BIC.

„Tests seien absolut kritisch“, fährt er fort und erklärt, wie stark die Anforderung, die wir an Batterien stellen, in den letzten Jahren gestiegen ist. Da sich Batteriemodelle weiterentwickeln, um dieser Anforderung gerecht zu werden, wird die Überprüfung sowohl ihrer Leistung als auch ihrer Sicherheit immer wichtiger.

Ihre Kunden reichen von Start-ups bis hin zu den größten globalen OEMs und Herstellern, die bei der Entwicklung neuer Technologien an der Spitze stehen. „Wir haben viele Kunden im E-Fahrzeugbereich oder im EV-Bereich, und sie konzentrieren sich wirklich auf Sicherheit“, sagt Gordon. „Sie versuchen, diese nächste Generation einzuführen, damit unsere Geräte länger für die Netzspeicherung halten, aber auch sicherere Batterien herstellen, damit die Risiken für die Menschen, die sie verwenden, geringer sind.

„Von Konsumgütern bis hin zu Elektrofahrzeugen und Netzspeichern sehen wir alles … und kümmern uns um alle relevanten Chemikalien, die derzeit für Batterien eingesetzt werden.“

Rodney Kidd, Labortechniker bei BIC, richtet Hochgeschwindigkeits-Wärmebildkamera ein, um Batterietests zu überwachen.

Unfälle passieren unweigerlich, und wenn doch, ist es wichtig zu wissen, wie die Batterien reagieren, wenn sie Feuer fangen, wie schnell und wie wahrscheinlich es ist, dass sie auch umliegendes Material in Brand geraten. „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 im Jahr 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 Vorspannung. „Es ist ein selbsterfüllendes Feedback“, sagt Dr. 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 Batterien 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.

Nahaufnahme des Nagels, der während missbräuchlicher Batterietests verwendet wurde.

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 Batterien wichtig. „Wir werden das Batteriefeuer nicht immer stoppen können“, erklärt Kidd, „aber wir können den Schaden und das Ausmaß davon mildern und in einen sicheren Weg 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.“

Die FLIR Hochgeschwindigkeits-Wärmebildkamera zeigt 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 Batterie. „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.

Die Hochgeschwindigkeits-Wärmebildkamera erfasst die Wärmeverteilung in einer Batterie während eines Nagelpenetrationstests.

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 Dr. Fleetwood. Wärmebildgebung liefert nicht nur große Datenmengen in jedem Frame, sondern bietet auch eine Möglichkeit, visuell zu verstehen, was während des Tests passiert. „Ich denke, im Allgemeinen kann jeder ein Bild, — ein Video —, das sein eigenes Profil zeigt, besser verstehen, als eine Excel-Tabelle, die Tausende und Abertausende von Zahlen und generischen Grafiken enthält.“

Erfahren Sie mehr über die Hochgeschwindigkeits-Wärmebildlösungen von Teledyne FLIR: www.flir.com/instruments/science/high-speed-ir/