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Neuartiger Batteriesensor ermöglicht Predictive Maintenance

01. Februar 2021, 08:54 Uhr   |  Ralf Higgelke

Neuartiger Batteriesensor ermöglicht Predictive Maintenance
© RVmagnetics

Kann ein Lithium-Ionen-Akku eine chemische Reaktion in seinem Inneren detektieren und den Benutzer benachrichtigen, dass dieser in zwei Wochen explodiert? Diesen Wunsch hegen viele Batteriehersteller. Ein neuartiger Sensor von RVmagnetics namens MicroWire könnte dies ermöglichen.

Eines der Hauptprobleme bei Lithium-Ionen-Akkus ist das thermische Durchgehen (Thermal Runaway). Wird zum Beispiel eine Akkuzelle überladen, erhöht sich die Temperatur in ihr. Dies kann schließlich dazu führen, dass sich die Elektroden und der Elektrolyt exotherm zersetzen, der Separator schrumpft und die Batterie intern kurzschließt – mit verheerenden Folgen wie einem Batteriebrand. Andere Gründe für thermisches Durchgehen sind unsachgemäßer Gebrauch, physische Beschädigung z. B. durch einen Autounfall oder zu hohe Umgebungstemperaturen.

Schon seit geraumer Zeit versucht der Markt, diese Herausforderungen zu meistern. Zwar gibt es verschiedene Lösungen für das Wärmemanagement von Lithium-Ionen- und Blei-Säure-Batterien, aber bislang hat sich noch keine durchgesetzt. Dies liegt vor allem daran, dass smartere Batterien größer und/oder teurer sind.

Die Lösung, die RVmagnetics nun präsentiert hat, heißt MicroWire. Dieser kann physikalische Größen wie Druck, Temperatur, Position in einem Magnetfeld direkt messen, indirekt auch Größen wie elektrischer Strom, Torsion, Biegung, Belastung und Vibration. Mit 3 µm bis 70 µm ist dieser Sensor so dünn wie ein menschliches Haar und beständig gegen chemisch aggressive Umgebungen. Dadurch lässt er sich direkt in die Batteriezelle einbetten, also selbst in gefährlichen, säurehaltigen Umgebungen. Letztendlich handelt es sich um ein System zur zerstörungsfreien, kontaktfreien Prüfung und Messung aus dem Inneren der Batterie heraus – ohne jegliche Verdrahtung.

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Ein RVmagnetics-Sensor kann mehrere physikalische Größen gleichzeitig messen. Ein Spulenpaar aus Erreger- und Sensorspule kann die Signale von 15 MicroWire-Sensoren erfassen. Dadurch lassen sich alle Sensoren beispielsweise in einem ganzen Batterie-Pack gleichzeitig erfassen. Dabei darf der Abstand zwischen Spulen und MicroWires bis zu 10 cm betragen. Somit lässt sich eine ganze Batterieeinheit auf eine sichere Weise vorausschauend warten (Predictive Maintenance).

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© RVmagnetics

Dies ist das Messprinzip des MicroWire von RVmagnetics.Eine Erregerspule erzeugt ein magnetisches Wechselfeld, die magnetische Antwort des MicroWire wird von einer Empfängerspule registriert.

Messprinzip

MicroWires bestehen aus einer magnetischen Metalllegierung als Kern (Durchmesser ca. 1 µm bis 50 µm), die von einer chemisch resistenten Glasschicht umhüllt ist (Dicke 2 µm bis 20 µm) und 1 cm bis 4 cm lang sind. Zunächst erzeugt eine Erregerspule ein magnetisches Wechselfeld, wobei wenige Milliampere ausreichen, sofern sie sich nicht in störenden magnetischen oder elektrischen Feldern befindet. Die magnetische Antwort der MicroWires (mit hoher Empfindlichkeit gegenüber Temperatur, Druck und Position im Magnetfeld) in Form einer Änderung der Magnetisierung registriert eine Empfängerspule. Sein Betriebstemperaturbereich reicht von –273 °C bis +600 °C, seine Abtastfrequenz liegt bei bis zu 10.000 Messungen pro Sekunde.

Die Messung von Temperatur und mechanischer Belastung bleibt vom magnetischen Rauschen unbeeinflusst, auch wenn der Sensor magnetisch ist. Die Messung unterscheidet sich stark von der Methode, die in konventionellen Magnetsensoren verwendet wird. Konventionelle Sensoren benötigen eine hohe Permeabilität, um höchst empfindlich zu sein, und ein hohes Sättigungsfeld, um den Messbereich zu maximieren. MicroWires dagegen haben eine relative Permeabilität µr von etwa 1 (wie Vakuum) und eine Sättigungsfeldstärke von ca. 300 µT (3 Oe).

Signalaufbereitung

Das Ausgangssignal der Messspule enthält magnetisches und elektrisches Rauschen, das während der Messungen in der Umgebung der Messspule vorhanden ist. Das empfangene Signal muss von den Störungen befreit und anschließend verstärkt werden. Das gefilterte und verstärkte Signal wird in einer Steuereinheit (z. B. die STM32-Nucleo-Boards von STMicroelectronics oder Arduino) digitalisiert. Danach können die Daten per USB oder Bluetooth, Wi-Fi, SigFox übertragen und in der vom Kunden bevorzugten Software bearbeitet werden.

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