O Battery Innovation Center (Centro de inovação de baterias) usa imagens térmicas de alta velocidade para testes abusivos de bateria

O Battery Innovation Center (BIC), localizado em Newberry, Indiana, é uma organização colaborativa e sem fins lucrativos que se concentra no rápido desenvolvimento, teste, validação e comercialização de baterias seguras, confiáveis e leves para clientes comerciais e de defesa. Parte de seu processo de teste inclui amplos testes abusivos, expondo baterias ao pior cenário possível para determinar e abordar os problemas de segurança resultantes. Para coletar o máximo de dados possível desses testes, BIC usa uma câmera térmica de alta velocidade Teledyne FLIR, que revela detalhes de calor que outra tecnologia não pode capturar.

“Quando fazemos um teste, queremos coletar o máximo de dados possível e ter a confiança de que nossos dados são precisos”, explica Ashley Gordon, diretor de programas do BIC. A geração de imagens térmicas de alta velocidade permite a coleta dos dados mais abrangentes e precisos possíveis.

Teste de penetração de pregos na bateria, registrado em imagens térmicas de alta velocidade.

A importante função do BIC no setor

Com base em uma ampla profundidade de conhecimento e pela colaboração com líderes do setor, universidades e agências governamentais, o BIC fornece aos seus clientes a garantia e os dados baseados em resultados que são necessários para garantir que seus produtos tenham a máxima segurança possível. “Nós fazemos tudo, desde fabricar, projetar, testar até avaliar baterias, para ajudar a treinar o setor para a próxima geração de armazenamento avançado de energia”, diz Ben Wrightsman, presidente e diretor executivo do BIC.

“O teste é absolutamente crítico”, ele continua, explicando como a demanda por baterias aumentou acentuadamente nos últimos anos. Conforme os modelos de bateria evoluem para atender a essa demanda, verificar seu desempenho e segurança é cada vez mais importante.

Seus clientes vão de startups até os maiores fabricantes e OEMS globais, que estão na vanguarda do desenvolvimento de tecnologia emergente. “Temos muitos clientes no setor de veículos eletrificados ou veículos elétricos, e eles estão realmente se concentrando na segurança”, diz Gordon. “Eles estão tentando trazer essa próxima geração para ajudar nossos dispositivos a durarem mais tempo para o armazenamento em rede, mas também para fabricar baterias mais seguras, portanto, há menos chance de perigos para as pessoas que as utilizam.

“Desde produtos de consumo até veículos elétricos e armazenamento em rede, vemos de tudo… e lidamos com todos os respectivos produtos químicos que estão atualmente implantados nas baterias.”

Rodney Kidd, técnico de laboratório do BIC, configura uma câmera térmica de alta velocidade para monitorar os testes de bateria.

Os acidentes inevitavelmente acontecerão e, ao acontecerem, é importante saber como as baterias responderão; se pegam fogo, com que rapidez e qual a probabilidade de incendiarem materiais ao seu redor. “Nós replicamos o pior cenário possível para que possamos reunir esses dados e, em seguida, saber o que esperar”, explica Gordon.

A câmera de imagem térmica de alta velocidade do BIC, adquirida ao final de 2020, tornou-se fundamental para a forma como coletam dados.

As limitações dos termopares

“Antes de termos uma câmera térmica, era praticamente termopares em massa e dispositivos IR mais genéricos”, diz o Dr. James Fleetwood, diretor de pesquisa do BIC. Os termopares, sensores de temperatura baratos que consistem em dois fios diferentes, são comumente usados pelo setor para testar a temperatura. No entanto, eles têm muitas limitações, particularmente para o tipo de teste realizado no BIC.

A principal desvantagem dos termopares é que eles só podem medir um ponto de cada vez. “Se eu usar apenas o termopar, terei a leitura da temperatura no ponto de contato. Isso significa que ele vai ler exatamente a posição em que está”, explica Rodney Kidd, técnico de laboratório do BIC.

A colocação de termopares também está sujeita a viés. “É um feedback que se autorrealiza”, diz o Dr. Fleetwood. “Você não sabe onde estão os pontos quentes. Você só tem medições associadas ao local onde você acha que elas estão.”

Testes abusivos para simular curto-circuito

Um dos testes abusivos ao qual as baterias são submetidas é a penetração por pregos, que simula curto-circuito e pode fazer com que a bateria superaqueça e pegue fogo ou até mesmo exploda. “Se fizermos um teste de pregos e você estiver limitado a termopares, seria realmente necessário colocar mil termopares na face daquela célula apenas para obter uma boa compreensão do perfil de temperatura que vai passar por toda a célula”, diz Kidd.

Imagem aproximada do prego usado durante o teste abusivo da bateria.

Para projetar baterias, é importante compreender como o curto-circuito e a propagação de calor farão com que os gases se acumulem, para onde esses gases e outros materiais da célula serão expelidos, bem como sua temperatura. “Nem sempre conseguiremos impedir que baterias peguem fogo”, explica Kidd, “mas podemos mitigar os danos e a extensão a partir disso e direcioná-los para um caminho seguro”.

“Isso é algo que não podíamos capturar antes com termopares e câmeras IR regulares”, diz Kidd. Embora pudessem ver a saída de detritos, o material esfriaria imediatamente ao atingir a atmosfera. “Com a câmera de alta velocidade”, ele explica, “eu posso desacelerar isso e capturar esse material que está saindo com temperatura superior a 500, 600, até mesmo 700 °C, e depois a temperaturas ainda maiores”.

A geração de imagem térmica de alta velocidade da FLIR mostra o contexto

Ao contrário dos termopares, que devem ser colocados diretamente no local para coletar dados de temperatura, a geração de imagens térmicas fornece dados simultâneos sobre cada ponto da bateria. “Isso abre um panorama mais amplo”, diz Gordon, “pois coletamos muito mais pontos de dados que podem ajudar na análise, como que sugerindo qual é o próximo teste que devemos fazer”.

Com a geração de imagens térmicas, os engenheiros podem ver facilmente não apenas o que está acontecendo fora da bateria quando ela é exposta a um teste abusivo, mas também o que está acontecendo dentro dela e como o calor está progredindo. “Podemos ver imediatamente como a temperatura está se propagando e se estamos ficando com pontos quentes, mesmo que não tenhamos um termopar direto nesse ponto”, Gordon continua.

A geração de imagens térmicas de alta velocidade captura a dispersão do calor em uma bateria durante um teste de penetração com pregos.

O resultado é que a geração de imagens térmicas fornece muito mais informações do que apenas uma certificação de aprovação/reprovação. “Esse perfil térmico diz muito mais sobre como o sistema de gerenciamento térmico está funcionando do que se o sistema pegou fogo ou não”, diz o Dr. Fleetwood. A geração de imagens térmicas não só fornece grandes quantidades de dados em cada quadro, mas também permite entender visualmente o que está acontecendo durante os testes. “Acho que todos geralmente podem entender uma imagem — um vídeo — mostrando seu próprio perfil, em relação a uma planilha do Excel com milhares e milhares de números e gráficos genéricos.”

Saiba mais sobre as soluções de imagem térmica de alta velocidade da Teledyne FLIR: www.flir.com/instruments/science/high-speed-ir/