Approche axée sur la sécurité pour les VE et le stockage sur batterie avec les capteurs de Honeywell

Le développement d'applications électrifiées nécessite le respect rigoureux des normes de sécurité afin de garantir des expériences fiables et conviviales. Après tout, personne ne souhaite subir un emballement thermique susceptible de provoquer de la fumée, voire un incendie, lorsqu'il conduit un véhicule électrique (VE) ou utilise un dispositif mobile à bord d'un avion à 10 000 mètres d'altitude. C'est pourquoi les concepteurs de batteries de VE et de systèmes de stockage d'énergie ont besoin de capteurs exceptionnellement précis et fiables, capables de garantir un fonctionnement sûr sans entraver les performances.

Les batteries lithium-ion (Li-ion) sont remarquables pour leur haute densité d'énergie et leur haut rendement, des caractéristiques essentielles pour les VE et de nombreuses autres applications électroniques. Cependant, comme le souligne la National Fire Protection Association, « la probabilité qu'elles surchauffent, prennent feu et provoquent même des explosions augmente lorsqu'elles sont endommagées ou utilisées, chargées ou stockées de manière inappropriée ».

Compte tenu des millions de VE en circulation dans le monde et des milliards d'appareils mobiles alimentés par batteries lithium-ion utilisés, les incidents liés à l'emballement thermique sont relativement rares, mais non négligeables — environ deux incidents par semaine sur les vols américains, selon les données de la FAA. Avec le développement des applications d'électrification, le nombre total d'incidents de ce type va inévitablement augmenter, ce qui pourrait avoir un impact négatif sur les ventes.

En outre, selon l'Agence internationale de l'énergie (AIE), plus de 90 % de la demande de batteries lithium-ion est désormais imputable au secteur de l'énergie, stimulée par des densités d'énergie plus élevées, des durées de vie plus longues et des réductions de coûts spectaculaires depuis 2010, surpassant les alternatives pour les applications de stockage d'énergie. Les système de stockage d'énergie sur batteries (BESS) à l'échelle commerciale sont adoptés à un rythme accéléré par les pays et les entreprises qui s'efforcent d'atteindre des objectifs de zéro émission nette.

Concevoir des applications d'électrification axées sur la sécurité

La demande de batteries Li-ion augmente dans tous les secteurs, imposant aux concepteurs de produits d'adopter une approche axée sur la sécurité lorsqu'ils les utilisent dans leurs applications.

L'emballement thermique se produit lorsqu'une batterie dont la température augmente génère une chaleur susceptible de provoquer un incendie, voire une explosion. Ces événements peuvent être causés par une charge excessive, des dommages physiques qui compromettent la structure interne et des courts-circuits résultant de défauts de fabrication.

Les batteries Li-ion peuvent se dégrader en raison d'une décharge excessive, de courts-circuits externes, d'une chaleur ambiante extrême et d'autres facteurs.

Honeywell Sensing and Productivity Solutions propose des capteurs de sécurité de courant et de batterie que les concepteurs d'applications peuvent utiliser pour améliorer la sécurité, le rendement et les performances. Ces capteurs surveillent et gèrent le flux de courant et l'état de la batterie. Ils peuvent être utilisés dans les systèmes de gestion des batteries pour les VE et les systèmes BESS, permettant une détection précoce des problèmes, des mesures précises et des fonctions personnalisables pour l'intégration dans diverses autres applications.

Les capteurs de courant en boucle ouverte série CSHV (Figure 1) de l'entreprise utilisent les technologies à effet Hall et propriétaires de Honeywell pour offrir performances et fiabilité dans les applications de détection du courant afin de mesurer le courant continu (CC) dans la plage de ±100 A_CC à ±1500 A_CC. Ils fournissent une sortie de tension analogique proportionnelle au flux de courant, facilitant l'intégration dans de multiples applications de véhicules électriques, telles que la détection de courant dans les systèmes de gestion de batterie (BMS), les unités de déconnexion de batterie (BDU), les unités de distribution d'énergie (PDU), la détection des défauts et l'isolation.

Figure 1 : Les capteurs série CSHC de Honeywell utilisent la technologie à effet Hall en boucle ouverte. (Source de l'image : Honeywell)

Les capteurs de courant série CSNV de Honeywell utilisent la technologie à effet Hall en boucle fermée pour offrir une haute précision et une haute stabilité sur une large plage de températures. Ils sont conçus pour mesurer le flux de courant dans les systèmes de gestion de batteries, les véhicules électriques, les systèmes de stockage d'énergie et d'autres applications exigeant une précision et une fiabilité élevées. Ils peuvent être utilisés pour détecter les défaillances des capteurs et du système hôte, ainsi que les tensions d'alimentation trop élevées ou trop faibles. Ils sont disponibles en trois modèles :

• Les unités CSNV500 peuvent mesurer jusqu'à ±500 A avec une précision totale < ±0,5 %
• Les dispositifs CSNV700 (Figure 2) peuvent mesurer jusqu'à ±700 A avec une précision totale < ±0,5 %
• Les dispositifs CSNV1500 peuvent mesurer jusqu'à ±1500 A avec une précision totale < ±1 %

Figure 2 : Capteur de courant série CSNV700 de Honeywell. (Source de l'image : Honeywell)

Les capteurs de courant à grille de flux avancés série CSSV (Figure 3) combinent les technologies à grille de flux et à effet Hall en boucle ouverte. Conçus pour les applications critiques en matière de sécurité, ces capteurs intègrent deux circuits indépendants de détection et de traitement des données pour les fonctions de détection et de diagnostic afin de fournir des mesures de courant précises. Ils sont conçus pour détecter les fuites de courant, les défauts et l'isolation dans les systèmes de contrôle de conduite des véhicules électriques.

Figure 3 : Capteur de courant à grille de flux avancé série CSSV. (Source de l'image : Honeywell)

Les capteurs de sécurité de batterie série BAS (Figure 4) sont conçus pour détecter et signaler les événements d'emballement thermique dans les blocs-batteries Li-ion fermés en mesurant la présence et la concentration d'aérosols, tels que la fumée, les liquides et les débris. Ils mesurent et signalent la concentration d'aérosols de 200 µg/m³ à 10 000 µg/m³ en utilisant le protocole de communication CAN (Controller Area Network). Ils ont un seuil d'alerte d'emballement thermique programmé en usine de 5000 µg/m³ et peuvent être intégrés dans les véhicules électriques et les systèmes de stockage d'énergie.

Figure 4 : Un capteur Honeywell série BAS permet de mesurer les concentrations de fumée, de liquide et d'autres aérosols dans les batteries Li-ion. (Source de l'image : Honeywell)

Les capteurs de pression de sécurité de batterie série BPS (Figure 5) sont conçus pour détecter et signaler les premiers signes d'emballement thermique dans les blocs-batteries Li-ion en surveillant les variations de pression dans les blocs-batteries de VE et les systèmes de stockage d'énergie. Ils détectent les variations de pression de batterie entre 50 kPa et 300 kPa de pression absolue, et ont des seuils d'alerte configurables pour la pression absolue et le taux de variation de la pression.

Figure 5 : Les capteurs de sécurité de batterie série BPS de Honeywell permettent de détecter rapidement les emballements thermiques des batteries Li-ion. (Source de l'image : Honeywell)

Conclusion

La demande croissante d'applications d'électrification augmente l'adoption déjà massive des batteries Li-ion. Cependant, les concepteurs de produits doivent intégrer des capteurs capables d'améliorer la sécurité, la fiabilité et le rendement des blocs-batteries de VE et des systèmes de stockage d'énergie, en veillant à ce qu'ils fonctionnent dans les limites des paramètres définis et réagissent rapidement à toute irrégularité. Les capteurs de Honeywell garantissent des performances et une sécurité optimales, en fournissant les informations requises pour gérer les processus de charge et de décharge, contrôler les systèmes de gestion thermique et exécuter des protocoles de sécurité si nécessaire.