リチウムイオン電池パックのモニタリングによる電池の熱暴走の検知

複数のリチウムイオン電池で構成される電池パックは、電気自動車（EV）や電力貯蔵用途において、熱暴走により重大な影響を及ぼす可能性があり、安全上の脅威となっています。しかし、一般的にユーザーはこの問題に対して無関心ですが、設計者はリチウムイオン電池のセルは何百個も直列または並列に接続されているため、1つのセルの故障で温度が急激に上昇し、ガスや固体微粒子が放出され始めることを十分に理解しています。

この故障モードは、他の電池セルにも広がる可能性があります。このような付加反応により、さらに熱とガスが発生し、電池システム全体が影響を受け、熱暴走が発生します。

このような事態を防ぐための対策は講じられていますが、万が一発生した場合には、熱暴走の状態を検知することが重要です。このため、Honeywell Sensing and Productivity Solutionsは、光散乱の原理を利用してリチウムイオン電池パックの熱暴走イベントを検出、報告する車載用グレードバッテリエアロゾルセンサBASシリーズを開発しました。熱暴走イベントの初期指標となる煙、液体、破片などのエアロゾルの存在と濃度を光散乱で検出します。

光を散乱させるプロセスには、空気中の体積に光を照射することが必要です。照射された体積内の粒子が光を散乱させ、その光を光センサで測定することで、粒子の密度に比例した電気信号が発生します。

BASシリーズは、200マイクログラム毎立方メートル（μg/m³）から10000μg/m³までのエアロゾル濃度を測定し報告します。工場でプログラムされた熱暴走警告の閾値は5000μg/m³で、応答時間は1秒未満です。連続動作モードでの制御、データ転送、アラームは、自動車や車両環境で広く使用されているコントローラエリアネットワーク（CAN）通信プロトコルを介して行われます。CANインターフェースは、500キロビット毎秒（kbps）のボーレートで動作します。

センサ例

Honeywell Sensing and Productivity Solutionsでは、BASシリーズとしてBAS6C-X00とBAS6C-H00の2種類のセンサを用意しています（図1）。デバイスは物理的に同一で、寸法は長さ2.6インチ（in.）（66ミリメートル（mm））、奥行き1.42インチ（36mm）、高さ1.46インチ（37mm）です。

図1：Honeywell Sensing and Productivity Solutionsは、物理的に同一の2つのバッテリエアロゾルセンサ（BASC6X-X00とBAS6C-H00）を提供しています。BAS6C-X00はメディア制御ユニット1（MCU1）バージョンで、BAS6C-H00は最新のメディア制御ユニット2（MCU2）バージョンです。（画像提供：Honeywell Sensing and Productivity Solutions）

BAS6C-X00はメディア制御ユニット1（MCU1）バージョンで、BAS6C-H00は最新のメディア制御ユニット2（MCU2）バージョンです。

BASセンサは、バッテリ管理システム（BMS）が設定するリクエスト入力ラインの状態に応じて、2つの動作モードのうち、どちらかが機能します。リクエストラインをLow（0.5V以下）に保持すると、ECOモードとなり、電力の消耗を最小限に抑えることができます。センサは、200ミリ秒（ms）の間、起動して動作し、その後12,000msの間、電力を節約するためにハイバネート（休止）します。CANバスを無効にすることで、さらなる省電力化が図れます。閾値イベントが発生、すなわち、5,000mg/m³を超える微粒子濃度の場合、センサはBMSに起動信号を送り、バッテリシステムの全チェックを開始します。

連続モードでは、BMSがリクエストラインをHigh（8～16ボルト）に設定すると、センサは常にエアロゾル濃度を監視し、CANバス上の8バイトのメッセージを使用してBMSに報告します。

両バージョンとも、公称12ボルトの電源電圧で動作し、8～16ボルトの範囲で使用可能です。供給電流は動作モードによって異なります。ECOモードでは0.5ミリアンペア（mA）未満、連続モードでは30mA未満となります。

センサは、中空のセンシングチャンバの両側に10cmのクリアランスがあれば、密閉された電池パック内でどのような向きでも取り付けることができます（図2）。

図2：BASセンサは、電池パック内のどこにでも取り付け可能です。どのような場合でも、電池パックのベントバルブは塞がれていない必要があります。（画像提供：Honeywell Sensing and Productivity Solutions）

インターフェースコネクタは6ピンの長方形ソケットで、図3に示す指定されたピン配列があります。

図3：BASシリーズのセンサのピン配列には、電源、グランド、リクエスト信号、起動信号、差動CANバス信号が含まれています。（画像提供：Honeywell Sensing and Productivity Solutions）

BASシリーズのバッテリエアロゾルセンサの相手側プラグコネクタは、TE Connectivity AMP Connectorsの175507-2です。

まとめ

Honeywell Sensing and Productivity SolutionsのBASバッテリエアロゾルセンサを用いたリチウムイオン電池パックの熱暴走の早期検知は、けが、人身事故、物的損害を防ぐ可能性があります。また、高品質および高信頼性規格に適合する設計のため、国際的な勧告や規制にも対応可能です。

関連リソース

• BASシリーズ バッテリ安全センサ