Il Battery Innovation Center utilizza la termografia ad alta velocità per test invasivi sulle batterie

Il Battery Innovation Center (BIC), situato a Newberry, Indiana, USA, è un’organizzazione no profit collaborativa che si occupa di sviluppo rapido, test, convalida e commercializzazione di batterie sicure, affidabili e leggere per clienti commerciali e del settore della difesa. Parte del processo di valutazione prevede numerosi test invasivi, esponendo le batterie allo scenario peggiore per determinare e risolvere i problemi di sicurezza in esame. Per raccogliere il maggior numero possibile di dati da questi test, BIC utilizza una termocamera ad alta velocità Teledyne FLIR che rivela dettagli termici che altre tecnologie non sono in grado di acquisire.

“Quando svolgiamo un test, vogliamo raccogliere il maggior numero possibile di dati e avere la certezza che siano accurati”, spiega Ashley Gordon, Direttore di programmi presso BIC. La termografia ad alta velocità consente di disporre di dati il più possibile completi e precisi.

Test di penetrazione del chiodo nella batteria registrato nella termografia ad alta velocità.

Il ruolo importante di BIC nel settore

Attingendo a una conoscenza vasta e approfondita e collaborando con i leader del settore, il mondo accademico e le agenzie governative, BIC fornisce ai propri clienti dati accurati e basati su risultati per garantire che i loro prodotti siano il più sicuri possibile. “Realizziamo tutte le fasi del processo: dalla produzione alla progettazione, test e valutazione delle batterie. In tal modo prepariamo il settore ad accogliere la prossima generazione di sistemi di accumulo di energia avanzati”, afferma Ben Wrightsman, Presidente e CEO di BIC.

“I test sono assolutamente fondamentali”, continua spiegando come la domanda di batterie sia aumentata in modo esponenziale negli ultimi anni. Con l’evoluzione dei modelli di batterie per soddisfare questa domanda, la verifica di prestazioni e sicurezza diventa sempre più importante.

I loro clienti, che vanno dalle startup ai più grandi OEM e produttori mondiali, sono all’avanguardia nello sviluppo di tecnologie emergenti. “Abbiamo molti clienti nel settore dei veicoli elettrici, o EV, che richiedono sempre più una maggiore sicurezza”, afferma Gordon. “Stanno cercando di introdurre la nuova generazione di batterie affinché i dispositivi durino più a lungo per lo stoccaggio in rete e le batterie siano più sicure per ridurre i potenziali pericoli relativi all’uso.

“Dai prodotti di consumo ai veicoli elettrici ’e allo stoccaggio in rete, ci occupiamo di tutto… e gestiamo le rispettive composizioni chimiche attualmente impiegate per le batterie”.

Rodney Kidd, tecnico di laboratorio presso BIC, imposta una termocamera ad alta velocità per monitorare i test sulla batteria.

Il verificarsi di incidenti è inevitabile e, quando succede, è importante sapere quale sarà la reazione delle batterie’se prendono fuoco, con quale velocità lo fanno, e qual è la probabilità che prendano fuoco anche i materiali circostanti. “Riproduciamo lo scenario peggiore in modo da poter raccogliere i dati e quindi sapere cosa aspettarsi”, spiega Gordon.

La termocamera ad alta velocità di BIC, acquistata verso la fine del 2020, è diventata la chiave per la raccolta dati.

I limiti delle termocoppie

“Prima di avere una termocamera, usavamo principalmente termocoppie di grandi dimensioni e dispositivi IR più generici”, afferma il dott. James Fleetwood, Direttore della ricerca presso BIC. Le termocoppie, sensori di temperatura economici costituiti da due diversi fili, sono comunemente utilizzate nel settore per effettuare test sulla temperatura. Tuttavia, presentano una serie di limitazioni, in particolare per il tipo di test eseguito presso BIC.

Lo svantaggio principale delle termocoppie è che possono misurare solo un punto alla volta. “Se utilizzo una termocoppia, avrò una lettura della temperatura del punto di contatto. In altre parole, la lettura avverrà solo per quella posizione in cui la termocoppia si trova”, spiega Rodney Kidd, tecnico di laboratorio presso BIC.

Anche il posizionamento delle termocoppie è soggetto a polarizzazione. “È un feedback che si autodetermina”, afferma il dott. Fleetwood. “In realtà non sai dove si trovano i punti caldi. Le misurazioni sono associate al punto in cui si pensa che si trovino”.

Test invasivi per simulare il cortocircuito

Uno dei test invasivi a cui le batterie vengono sottoposte è la penetrazione del chiodo, che simula il cortocircuito e può causare il surriscaldamento e l’ignizione, o persino l’esplosione, della batteria. “Se eseguiamo un test di penetrazione del chiodo e ci limitiamo solo alle termocoppie, sarebbe necessario posizionare migliaia di termocoppie sul lato frontale della cella per comprendere chiaramente il profilo della temperatura che fuoriuscirà da tutta la cella”, afferma Kidd.

Primo piano del chiodo utilizzato durante il test invasivo della batteria.

Comprendere come il cortocircuito e il calore diffuso provochino l’accumulo di gas, dove questi gas e altri materiali delle celle vengono espulsi —e qual è il livello di calore che emettono —è fondamentale per gli ingegneri che si occupano della progettazione delle batterie. “Non saremo sempre in grado di arrestare l’ignizione della batteria”, spiega Kidd, “ma possiamo mitigare i danni e da lì possiamo poi fargli percorrere un sentiero più sicuro”.

“Si tratta di qualcosa che non siamo stati in grado di acquisire prima con le sole termocoppie e le normali telecamere IR”, afferma Kidd. Quando vedevano i detriti fuoriuscire dalla batteria, il materiale si raffreddava immediatamente al contatto con l’atmosfera. “Con la termocamera ad alta velocità”, spiega, “posso rallentare e acquisire immagini del materiale che a volte fuoriesce a 500, 600 o 700 °C, se non a temperature ancora più elevate”.

La termografia ad alta velocità FLIR mostra l’immagine ingrandita

A differenza delle termocoppie, che devono essere posizionate direttamente su un determinato punto per raccogliere i dati della temperatura, la termografia fornisce dati simultanei riguardo a ogni punto della batteria. “Abbiamo un quadro più ampio”, afferma Gordon, “e ovviamente otteniamo molti più punti dati che possono aiutarci con l’analisi e la realizzazione del prossimo test”.

Con la termografia, gli ingegneri possono vedere facilmente non solo cosa succede all’esterno della batteria quando è esposta a un test invasivo, ma anche cosa succede al suo interno e come progredisce il calore. “Possiamo immediatamente vedere come si propaga la temperatura e se stiamo acquisendo punti caldi, anche se non abbiamo una termocoppia su un determinato punto”, continua Gordon.

La termografia ad alta velocità registra la propagazione del calore in una batteria durante un test di penetrazione del chiodo.

Il risultato è che la termografia fornisce molte più informazioni rispetto alla semplice certificazione pass/fail. Secondo il dott. Fleetwood, “tale profilo termico offre molte informazioni più sul funzionamento del sistema di gestione termica, invece di specificare semplicemente se il sistema ha preso fuoco o meno.” Le immagini termiche non solo consentono l’accesso a grandi quantità di dati per ogni frame, ma forniscono anche un modo per comprendere visivamente cosa accade durante i test. “Penso che tutti possano generalmente comprendere meglio un’immagine — un video —rispetto a un foglio Excel con migliaia e migliaia di numeri e grafici generici”, afferma il dott. Fleetwood.

Scopri di più sulle soluzioni di termografia ad alta velocità Teledyne FLIR: www.flir.com/instruments/science/high-speed-ir/