Manutenzione predittiva antincendio e sicurezza nell'industria dei veicoli elettrici

INCENDI E SICUREZZA NELL'INDUSTRIA DEI VEICOLI ELETTRICI

Soluzioni per l'industria dei veicoli elettrici in crescita attraverso il monitoraggio della temperatura

Di Veronica Singh
Studentessa di BaSC, Università della Columbia Britannica, Vancouver

INTRODUZIONE
L'industria dei veicoli elettrici, o EV, è cresciuta in modo esponenziale negli ultimi anni. Ha guadagnato popolarità a causa della preoccupante crisi dei cambiamenti climatici e dell'urgente necessità di trovare un'alternativa ai veicoli attualmente alimentati a combustibile.

Poiché la domanda di veicoli elettrici è aumentata significativamente, lo stesso è accaduto per la produzione e la fabbricazione di batterie e le sfide ad esse associate. Questa impennata nella produzione di veicoli elettrici ha portato anche alla comparsa di molteplici notizie riguardo a incidenti causati dal fuoco. Questi incidenti non riguardano solo le piccole imprese, ma coinvolgono anche aziende come Tata, TESLA e OLA. Questo argomento è molto complesso e potrebbero esserci molte ragioni dietro a tutti questi incidenti.

Una delle soluzioni ad alta tecnologia che può contribuire a ridurre alcuni incidenti è la termografia. Questo articolo copre la manutenzione predittiva e la ricerca di materiali dei veicoli elettrici.

Per comprendere l'applicazione, è necessario comprendere prima alcuni concetti di base. Pertanto, inizierò fornendo alcune informazioni preliminari prima di discutere delle principali applicazioni.

FONDAMENTI DELLE BATTERIE AGLI IONI DI LITIO
Tra i molteplici fattori interessanti delle batterie agli ioni di litio, uno degli elementi più notevoli è la combinazione dell'elettronegatività del litio e della sua bassa densità. Questa combinazione è responsabile della produzione della più grande quantità di energia elettrica per unità di peso tra gli elementi solidi.

Una batteria agli ioni di litio standard contiene un'anodo e un catodo. Solitamente, il litio ossido viene utilizzato come materiale del catodo e un composto a base di carbonio per l'anodo. Il costante movimento interno degli elettroni tra il catodo e l'anodo crea la famosa cella ricaricabile.

Quando un composto che accoglie il litio viene collocato come catodo della cella chimica, gli ioni di litio iniziano a fluire nella direzione opposta durante il ciclo di carica e scarica. Reazioni di ossidazione e riduzione nella batteria causano la carica e la scarica della batteria. (fig. 1,2)

Figura 1. Fonte: Istituti di Ricerca UL

PRODUZIONE
1. Selezione
Di solito, le celle vengono importate dai produttori in India e, per garantire che nessuna cella difettosa entri nella linea di produzione, vengono selezionate manualmente verificando ciascuna cella alla ricerca di deformità visibili, danni, perdite e intervallo della resistenza interna. Questi fattori determinano le condizioni della cella e assicurano la qualità del prodotto finale.

2. Creazione di un pacco
Tutte le celle vengono saldate insieme in un pacco in una combinazione di serie o parallelo a seconda delle specifiche di output richieste. Questo forma la struttura di base del pacco batteria. Durante questo processo, il pacco viene controllato manualmente alla ricerca di deformità nella saldatura. La resistenza interna e la resistenza determinano se il pacco può essere fatto proseguire nella linea di produzione.

3. Combinazione dei pacchi batteria
I pacchi batteria vengono collegati utilizzando circuiti e un sistema di controllo. Questo conclude il processo di produzione di un pacco batteria al litio ed è distribuito alle aziende che producono veicoli elettrici.

4. Test
Il prodotto finito è sottoposto a test attraverso cicli di carica e scarica. Il comportamento della batteria viene monitorato durante questo processo. (fig. 3)

Figura 2. Immagine termica di un pacco batteria composto da celle al litio-ionico (Li-ion)

Fondamenti dell'immagine termica
I principi alla base dell'immagine termica si basano sulla radiazione infrarossa emessa da un oggetto. Questa radiazione è invisibile all'occhio umano ma può essere vista utilizzando telecamere ottimizzate per la sua lunghezza d'onda specifica. (figura 4)

Sebbene sia possibile ottenere una stima della temperatura di un punto utilizzando termocoppie, queste possono fornire dati solo per un singolo punto alla volta, ed è necessario che esse siano a contatto ravvicinato con l'oggetto da misurare. Utilizzando telecamere termiche è possibile visualizzare una vasta gamma di punti termici e monitorare la temperatura dell'oggetto senza contatto diretto, da una distanza sicura e anche in condizioni operative. Queste telecamere termiche possono misurare la temperatura con una precisione di 0,1 gradi Celsius.

La termografia è ampiamente utilizzata in altre industrie per scopi di sicurezza antincendio perché rappresenta un metodo di test e monitoraggio non invasivo e senza contatto.

Figura 3. Impianto Nissan, Sunderland, Regno Unito

VISIBILE VS IR
E' possibile vedere la firma termica di un oggetto solo quando raggiunge una temperatura di 1000 gradi Celsius. Tuttavia, una telecamera ad infrarossi può catturare le firme termiche di oggetti con temperature anche inferiori a -60 gradi Celsius utilizzando i suoi rilevatori infrarossi.

La tecnologia infrarossa è accessibile in assenza di luce, ma è molto diversa da una telecamera per la visione notturna. Le lunghezze d'onda delle due telecamere sono diverse. Una telecamera per la visione notturna amplifica piccole quantità di luce, mentre una telecamera termica rileva le firme termiche emesse dagli oggetti. Le telecamere infrarosse possono essere utilizzate in condizioni di assoluta oscurità. (figura 5)

Figura 4. Fonte: Istituti di Ricerca UL

Figura 5. Un leone nell'infrarosso rispetto alla visione notturna

ALCUNE CARATTERISTICHE
Questa tecnologia ha alcune limitazioni, ad esempio, una telecamera ad infrarossi non può vedere attraverso il vetro poiché legge solo le temperature superficiali.
Tuttavia, questa tecnologia ha la capacità di vedere attraverso la nebbia, il materiale plastico sottile e una finestra di ispezione ad infrarossi che può essere installata in fabbriche per vedere attraverso le superfici.

La risoluzione, le dimensioni delle lenti e il numero dei rilevatori determinano quanto lontano si può vedere dalla telecamera ad infrarossi. (fig. 6)

ALCUNE APPLICAZIONI
Le telecamere termiche vengono attivamente utilizzate per varie applicazioni in diverse industrie.

Alcuni esempi delle sue applicazioni sono:

• Servizi pubblici elettrici per la manutenzione predittiva
• Industria petrolifera e del gas per la manutenzione predittiva, la visualizzazione dei composti organici volatili (VOC), l'ispezione dei forni e il monitoraggio delle fiamme
• Aziende manifatturiere
  • Manutenzione predittiva
  • Controllo di qualità
  • Ricerca e sviluppo

Figura 6. Finestra di ispezione ad infrarossi

APPLICAZIONI DELLE TERMOCAMERE NEL SETTORE DEI VEICOLI ELETTRICI

SALDATURA
Le unità a celle di litio devono essere saldate insieme per formare un pacco batteria. Tuttavia, se la saldatura non viene effettuata correttamente, possono verificarsi difetti nel prodotto finale. La resistenza e l'uscita possono essere influenzate e la longevità della batteria ne è direttamente affetta. Di solito, la saldatura viene controllata manualmente dagli operai della fabbrica, il che è un metodo distruttivo di test, con cui la cella potrebbe essere danneggiata.

Un metodo non distruttivo e non a contatto per verificare la giunzione saldata è l'utilizzo della termografia. Possiamo facilmente rilevare una giunzione saldata in modo non adeguato a causa della temperatura leggermente diversa visualizzata dalla sua giuntura. Una giuntura non uniforme o una temperatura leggermente elevata indicano una saldatura difettosa.

Questo metodo di test è già diffuso in molte industrie negli Stati Uniti.

PERDITA DI CELLE
Quasi invisibile all'occhio nudo, la perdita di cellule può verificarsi in qualsiasi momento durante il processo di produzione e danneggiare il pacchetto batteria. Una cella che perde può essere estremamente pericolosa se entra in contatto con la pelle. Possiamo utilizzare metodi come lo spettrometro di massa per rilevare le perdite, ma esiste un metodo migliore per individuare queste piccole perdite: l'immagine termica.

Quando la guarnizione della cella si rompe, il liquido viene depositato sullo strato esterno della cella e viene rilevata una differenza di temperatura. Una telecamera termica ad alta risoluzione può identificare efficacemente queste minime perdite in pochi secondi senza contatto, come mostrato in figura. (fig. 7)

Figura 7. Identificazione delle perdite di cella utilizzando la telecamera della serie T

Riscaldamento non uniforme
Anche se viene effettuato un controllo accurato in ogni fase, talvolta una cella difettosa potrebbe comunque entrare nella linea di produzione. Durante la fase di test, le celle difettose possono mostrare una leggera differenza di temperatura. Questo potrebbe essere invisibile all'occhio umano ma può essere facilmente catturato utilizzando una telecamera termica.

Come si vede nella figura 8, la temperatura leggermente elevata è catturata dalla telecamera con una lettura della temperatura precisa al decimo di grado.

Un altro esempio di riscaldamento non uniforme durante la produzione avviene durante il test dei pacchi batteria dopo il loro assemblaggio. Durante i cicli di carica e scarica, i pacchi batteria tendono a riscaldarsi. Tuttavia, durante questa fase di test, c'è un alto rischio che il pacco batteria prenda fuoco se la temperatura non viene monitorata. Questo può essere fatto utilizzando un termocoppia, un metodo di contatto non distruttivo, ma è possibile monitorare la temperatura di un solo punto alla volta. Se un pacco batteria al litio prende fuoco nella struttura, sarà davvero difficile spegnerlo poiché il litio reagisce molto rapidamente e il fuoco è difficile da spegnere perché il litio reagisce con l'acqua a contatto. (fig. 8)

Figura 8. Riscaldamento non uniforme mostrato dall'unità di batteria al litio

RICARICA E SCARICA
L'ultima fase di test comprende la ricarica e la scarica della batteria al litio. Durante questa fase, la temperatura del pacco batterie al litio può aumentare di 5 o 6 gradi Celsius sopra la temperatura ambiente. Utilizzando una termocamera, possiamo registrare la temperatura superficiale del pacco batterie al litio e stimare la temperatura interna senza toccarla.

Possiamo chiaramente individuare i punti caldi nel pacco batterie attraverso la superficie mentre viene caricato. Ciò ci aiuta a isolare un potenziale problema e a identificarne la posizione. (fig. 9)

Le batterie in fase di test possono essere monitorate 24 ore su 24 per evitare potenziali incendi se una qualsiasi unità si surriscalda.

Figura 9. Un pacco batterie in ciclo di ricarica

VEICOLO ELETTRICO
Il veicolo elettrico è composto da 3 componenti principali: la batteria, il motore e l'inverter. Una volta che il veicolo è stato assemblato, la tecnologia termica può essere utilizzata per monitorare il suo comportamento termico durante l'uso. (figura 10)

Questa applicazione è estremamente preziosa alla luce dell'aumento recente degli incendi dei veicoli elettrici in India, poiché non fornisce solo soluzioni per la produzione di batterie, ma è anche in grado di monitorare altri componenti del veicolo. (figura 11)

Figura 10. Batteria

Batterie sottoposte a cicli di carica e scarica

Figura 11. Un'immagine dell'interno di un veicolo elettrico (EV)