Als het mis gaat:beperking van storing in het batterijbeheersysteem

Wat is thermische runaway in Li-ion batterijsystemen? En hoe helpen batterijbeheersystemen storingen te verminderen voor meer veiligheid? Lees meer in dit technische artikel.

Op Li-ion gebaseerde batterijen worden over het algemeen als veilig beschouwd in een goed gecontroleerde omgeving. We moeten zeggen "meestal veilig", omdat batterijbeheersystemen (BMS'en) en productieprocessen voor Li-ioncellen niet altijd perfect zijn. Maar als we niet kunnen vechten tegen de fysica van Li-ion-technologie, kunnen we in plaats daarvan streven naar een beter GBS-ontwerp.

In dit artikel bouwen we voort op een eerder stuk dat de inleiding tot batterijbeheersystemen besprak en wat hun standaard bouwstenen zijn.

Hier bespreken we wat er kan gebeuren in het geval van een storing en hoe dergelijke effecten kunnen worden beperkt. We zullen ook een korte blik werpen op mogelijke toekomstige BMS-componenten met aandacht voor de constante verbetering van de batterijtechnologie.

Thermische runaway in batterijbeheersystemen

Een van de bekende faalwijzen van een voedingssysteem is thermische run-away, die vaak wordt geassocieerd met brandgevaar. In het geval van een BMS-storing kan thermische runaway optreden als gevolg van hardwarestoringen of firmware-bugs.

Een vergeten stopopdracht in de balancer kan bijvoorbeeld een cel voor onbepaalde tijd blijven ontladen. In een dergelijk geval zal zelfs het detecteren van het probleem en het doorslaan van een zekering de celontlading niet stoppen. Dit kan leiden tot ontleding en perforatie van de separator tussen de anode en de kathode in de cel als gevolg van overmatige ontlading, waardoor een krachtige interne kortsluiting ontstaat na een nieuwe oplaadpoging.

Figuur 1. Vorming van interne koperen kortsluitingen als gevolg van overontlading. Afbeelding gebruikt met dank aan Xuning Feng

Je vraagt ​​je misschien af ​​hoe zo'n kortsluiting detectie kan voorkomen. Het eerste contact kan voldoende weerstand hebben om de accuspanning hoog te houden, maar met een zeer hoge zelfontladingsstroom, waardoor het niet detecteerbaar is door de externe stroomsensor of spanningsmonitor.

Een kortsluiting leidt tot een warme cel. Als het de kritische temperatuur boven de 60°C bereikt, zal het barsten en verbranden, de aangrenzende cellen verhitten en een kettingreactie veroorzaken. Dit is de thermische run-away, die catastrofale gevolgen kan hebben.

Figuur 2. Een verbrande high-energy batterijpakket van een 2011 Chevrolet Volt. Afbeelding uit het overzichtsrapport over accu-incidenten van Chevrolet Volt

Beperking van mislukkingen

Een oplossing voor onvoorziene bugs zou een externe waakhond kunnen zijn in het geval van fatale MCU-fouten, zoals weergegeven in afbeelding 3.

Figuur 3. Een typisch BMS-blokdiagram met MCU-watchdog-implementatie

Als de MCU niet vastzit maar een commando is vergeten, kan de celmonitor een watchdog-systeem implementeren, zoals weergegeven in figuur 4.

Figuur 4. Een BMS-blokdiagram met volledige watchdog-implementatie

Als alternatief, als een vergrendeling als gevolg van EMC-problemen of straling optreedt, kan deze worden gedoofd door de waakhond zo te ontwerpen dat deze een stroomcyclus kan afgeven in plaats van alleen een logische reset. Deze architectuur komt minder vaak voor.

Aanvullende oplossingen voor het verminderen van BMS-storingen

Met toenemende energiedichtheid en stroombehoefte wordt het steeds gemakkelijker om te veel van batterijcellen te vragen. Daarom moeten nog nauwkeurigere brandstofmeters worden geïmplementeerd, waarbij de celimpedantie een belangrijk onderdeel is.

Een gemakkelijke methode om de impedantie tijdens runtime direct te meten, zou van groot nut zijn. Panasonic beweert precies zo'n methode te hebben bereikt met behulp van een nieuwe gelokaliseerde AC-stimulatietechniek om de elektrochemische impedantie van de cel te bewaken. Er bestaan ​​andere methoden, maar deze vereisen een onbelaste spanningsreferentie en kalibratie.

Een andere verbetering zou kunnen steunen op FRAM-technologie, die door MCU's vaak wordt gebruikt als systeem-RAM. FRAM behoudt gegevens na een stroomcyclus bij het bufferen van een Coulomb-tellermonster, wat betekent dat er minder kans is dat de firmware de laatste geldige gegevens verliest in het geval van een plotselinge reset.

Maar wat uiteindelijk het echte verschil maakt, is de celchemie:er zijn meer opties dan Li-ion die er zijn.

Als je meer wilt weten over batterijsystemen, laat dan hieronder een reactie achter om je gedachten en vragen te delen.