يكتشف مستشعر الهيدروجين MEMS الهروب الحراري لـ BMS

تضمن أنظمة إدارة البطارية (BMS) شحن البطاريات وتفريغها بأمان وكفاءة. على هذا النحو، يعد نظام إدارة المباني (BMS) جزءًا مهمًا من أي سيارة كهربائية (EV) تعتمد على بطاريات الليثيوم أيون (Li-ion) اليوم. أحد أهم التحديات التي تواجه اعتماد تقنية الليثيوم أيون هو الانفلات الحراري. عندما تواجه البطارية انفلاتًا حراريًا، يمكن أن يؤدي ذلك إلى مشكلات في الإدارة الحرارية، وتلف البطارية، وحتى التسبب في نشوب حريق أو انفجار.

ما هو الهروب الحراري؟

تحدث حالة تعرف باسم الانفلات الحراري عندما تنتج البطارية حرارة أكثر مما يمكنها تبديده بشكل فعال. قد يحدث هذا بسبب عدة أشياء، بما في ذلك الشحن الزائد أو الشحن الزائد، والتعرض لدرجات حرارة عالية، وعيوب التصنيع. يمكن للبطارية التي تعاني من الهروب الحراري أن تنتج حرارة بمعدل لا يمكن التحكم فيه وتفشل بشكل كارثي.

يستخدم المصنعون العديد من الاستراتيجيات، مثل أنظمة الإدارة الحرارية ونظام إدارة المباني (انظر الشكل 1)، لوقف الهروب الحراري. المشكلة الصعبة هي معرفة متى تعمل البطارية بشكل غريب. يجب على نظام إدارة المباني (BMS) إيقاف تشغيل البطارية عندما ترتفع درجة حرارتها فوق عتبة معينة لتجنب الهروب الحراري.

يتحكم نظام إدارة المباني (BMS) في شحن البطارية وتفريغها، والذي يتحقق بشكل مستمر من جهد البطارية ودرجة حرارتها ومستوى الشحن. يضمن تشغيل البطارية بأمان أثناء الشحن والتفريغ. يعمل نظام إدارة المباني (BMS) على إبطاء تدفق الطاقة أو إيقافه عندما ترتفع درجة حرارة البطارية فوق نطاق التشغيل الآمن.

26.09.2023

26.09.2023

26.09.2023

يطلق الهروب الحراري لـ BMS سلسلة من الأحداث التي قد تؤدي إلى أعراض يمكن ملاحظتها:

• الحرارة: ارتفاع درجة حرارة البطارية هو المؤشر الأكثر وضوحا. عند لمس البطارية، ستشعر بالدفء، وقد تبدأ في إصدار دخان أو إطلاق روائح.
• انخفاض الجهد: انخفاض الجهد المفاجئ هو علامة أخرى. ينتج الانخفاض المفاجئ في الجهد عن التفاعلات الكيميائية للبطارية التي أصبحت غير متوازنة بسبب ارتفاع درجة الحرارة.
• انفجار أو حريق: إذا لم يتم فحص البطارية، فقد تنفجر أو تشتعل فيها النيران، مما يؤدي إلى حدوث أضرار جسيمة وربما تعريض الحياة للخطر.

ومع ذلك، قد ينشأ أحيانًا حدث حراري هارب من نظام إدارة المباني نفسه. قد لا يتمكن نظام إدارة المباني المعيب من التعرف على ظروف البطارية المتغيرة أو الاستجابة لها، مما قد يؤدي إلى الشحن الزائد أو التفريغ وكارثة حرارية هاربة. ونتيجة لذلك، يعد وجود نظام BMS جدير بالثقة أمرًا ضروريًا لضمان عمل البطارية بشكل آمن.

ومن المثير للاهتمام أن الهيدروجين الموجود في الهواء يرتبط بالتسرب الحراري للبطارية. عندما تتعرض بطاريات الليثيوم أيون للهروب الحراري، يتم إطلاق غازات قابلة للاشتعال، بما في ذلك الهيدروجين، مما يشكل مخاطر الانفجار. ولذلك، فإن اكتشاف تركيز الهيدروجين في الهواء المحيط بحزمة البطارية يمكن أن يساعد في الكشف المبكر عن الانفلات الحراري ومنع وقوع الحوادث. بالإضافة إلى ذلك، من المهم مراعاة حدود القابلية للاشتعال لمخاليط الهيدروجين والهواء عند منع الانفلات الحراري وتخفيفه.

لتحديد تسربات البطارية، تقوم أجهزة الاستشعار بقياس H₂ التركيزات وإرسال تلك البيانات إلى وحدة التحكم الإلكترونية في السيارة. يوجد المستشعر في وحدة يتم إدخالها في حاوية البطارية، مما يمكنه من اكتشاف H₂ الغاز الناتج خلال وضع الفشل. يجب تعريض المستشعر للكشف المستمر عن تركيز الهيدروجين في الهواء المحيط بحزمة البطارية. يجب أن يكون عنصر المستشعر متينًا قدر الإمكان ليتحمل الظروف المحيطة ببيئة السيارة.

مستشعر الهيدروجين من Posifa Technologies

طرحت شركة Posifa Technologies، وهي شركة متخصصة في تصميم وتصنيع تقنيات استشعار الهواء المتقدمة، سلسلة جديدة من أجهزة استشعار الهيدروجين للكشف عن الانفلات الحراري BMS. تأسست شركة Posifa Technologies في عام 2014، ومنذ إنشائها، ركزت على تطوير وتحسين تقنيات استشعار الهواء الخاصة بها. تم تصميم منتجات الشركة لتوفير دقة عالية واستهلاك منخفض للطاقة واستقرار طويل الأمد في البيئات القاسية.

من الخصائص ذات الصلة بشركة Posifa Technologies اعتمادها لتكنولوجيا التصنيع الدقيقة. تستخدم الشركة هذه التقنية لإنتاج رقائق مستشعر MEMS ذات الأغشية الرقيقة في مستشعرات الهواء الخاصة بها. تسمح هذه التقنية بإنتاج أجهزة استشعار صغيرة وعالية الدقة مع استهلاك منخفض للطاقة.

أجهزة استشعار الهيدروجين PGS4100 الجديدة، الموضحة في الشكل 2، مبنية على تقنية مستشعر الهيدروجين MEMS الخاصة بالشركة. ومن خلال مراقبة التغير في التوصيل الحراري لخليط الغاز داخل حجرات BMS، من الممكن تحديد كمية الهيدروجين في الهواء بدقة. تساعد هذه التقنية السيارات الكهربائية على الامتثال للوائح السلامة من خلال إطلاق تنبيهات فشل البطارية بسرعة أكبر.

بسبب اختلاف التوصيل الحراري للهيدروجين والهواء، فإن التغيرات في تركيز الهيدروجين لها تأثير كبير على انتقال الحرارة في خليط الغاز.

تم دمج مستشعر الرطوبة النسبية ومستشعر الضغط الجوي في سلسلة PGS4100. يتم زيادة دقة قياس تركيز الهيدروجين من خلال قدرة المستشعر على موازنة تقلبات التوصيل الحراري الناتجة عن التغيرات في الارتفاع ورطوبة الهواء. يمكن لجهاز PGS4100 اكتشاف الغازات القابلة للاحتراق بدقة كافية للوفاء بمعايير الصناعة.

يستخدم PGS4100 شكل موجة نابض (400 مللي ثانية للتشغيل و1000 مللي ثانية للإيقاف) وهو مبني على قالب التوصيل الحراري من الجيل الثاني من Posifa، ومعبأ في عامل شكل SMD. تضمن طريقة التصميم هذه أن درجة حرارة سخان المستشعر تتطابق تقريبًا مع درجة حرارة الهواء المحيط، وبالتالي ضمان السلامة المتأصلة.

ستتضمن الأجيال القادمة من سلسلة PGS4100 دعمًا لناقل MODBUS/UART وCAN والجهد التناظري وI²ج- المخرجات الرقمية. توفر سلسلة PGS4100 متانة ممتدة لأنها موجودة في حاوية معتمدة من IP6K9 ومزودة بحزام سلكي منتهي بموصل من فئة السيارات.

تشتمل الخصائص الرئيسية لسلسلة PGS4100 على تصحيح الرطوبة والضغط، مما يضمن الأداء الدقيق في الظروف الصعبة. والجدير بالذكر أن المستشعر يظل غير متأثر بـ “السموم” أو الشوائب الأخرى، مما يضمن الاستقرار طوال الوقت والأداء المتسق.

خضع مستشعر التوصيل الحراري من Posifa لاختبارات واسعة النطاق في الظروف القاسية، بما في ذلك التجميد ومئات الدورات الحرارية. لقد أظهر ثباتًا وصلابة استثنائيين.

الميزات الرئيسية الرئيسية لمستشعر PGS4100 هي ما يلي:

• تعويض الرطوبة والضغط.
• عملية دقيقة في البيئات القاسية.
• غير متفاعل مع “السموم” أو العوامل الملوثة.
• استقرار على المدى الطويل.

يمكن استخدام مستشعر Posifa Technologies الجديد في التطبيقات التالية:

• كشف تسرب الهيدروجين .
• الكشف المبكر عن الانفلات الحراري للبطارية.
• عملية الرصد.

خاتمة

إحدى المشاكل الحاسمة في بطاريات الليثيوم أيون هي الانفلات الحراري. يمكن استخدام أنظمة الإدارة الحرارية الفعالة وأنظمة إدارة المباني لتقليل الانفلات الحراري وضمان التشغيل الآمن والفعال للبطارية. يجب على الشركات المصنعة تحسين أنظمة إدارة المباني التي يمكن الاعتماد عليها باستمرار من خلال الابتكار لمنع حوادث الانفلات الحراري وتعزيز التشغيل الآمن والفعال للبطارية.

تقدم Posifa Technologies حلول الكشف عن الهيدروجين لنظام إدارة البطارية (BMS) استنادًا إلى مستشعر الهيدروجين MEMS الذي يقيس التغيرات في التوصيل الحراري لخليط الغاز داخل حجرة BMS للكشف عن تركيزات الهيدروجين في الهواء. بالمقارنة مع أجهزة استشعار الهيدروجين التي يتم تنشيطها بواسطة التفاعلات الكيميائية التي تؤدي في النهاية إلى تحلل المستشعر، فإن طريقة القياس هذه توفر استقرارًا محسنًا على المدى الطويل وتسمح بعامل شكل أصغر. نظرًا لتقنية Posifa القابلة للتكرار للغاية وذات الحجم الكبير CMOS MEMS، يمكن أيضًا تحقيق قدرات الكشف عن الهيدروجين بتكلفة أرخص بكثير.