Устранение сбоев BMS: предотвращение термического разгорания в Li-Ion батареях

Понимание термического разгорания в Li-Ion батареях и защита их системой управления батареей (BMS)

Li-Ion батареи считаются безопасными при эксплуатации в строго контролируемых параметрах. Однако ни одна BMS или производственный процесс не идеальны. Проектируя более надёжные BMS, мы можем противодействовать присущей физике Li-Ion технологий и повысить безопасность для критических применений.

Эта статья продолжает наше введение в BMS, углубляясь в потенциальные режимы отказа и стратегии их смягчения. Также мы заглянем в перспективные компоненты BMS, которые поддержат следующее поколение батарейных технологий.

Термическое разгорание в системах управления батареей

Термическое разгорание — хорошо известный режим отказа в системах питания, тесно связанный с пожарной опасностью. В BMS оно может быть вызвано аппаратными дефектами или ошибками прошивки. Например, если забыта команда остановки в балансировщике ячеек, ячейка может продолжать разряжаться за безопасными пределами. Даже если система обнаруживает аномалию и срабатывает предохранитель, ячейка может быть переразряжена, что приводит к деградации сепаратора и формированию внутреннего короткого замыкания при последующих попытках зарядки.

Рисунок 1. Формирование внутренних медных замыканий из-за переразрядки. Изображение предоставлено Xuning Feng

Такой замыкание может изначально иметь высокое сопротивление, удерживающее внешнее напряжение выше номинального, при этом потребляя огромный ток саморазряда — часто невидимый для внешних датчиков тока или мониторов напряжения. Возникающее внутреннее тепло поднимает температуру ячейки выше 60 °C, вызывая её разрыв и воспламенение. Тепло затем распространяется на соседние ячейки, запуская цепную реакцию, которая может привести к катастрофическому отказу.

Рисунок 2. Сгоревший высокоэнергетический батарейный пакет 2011 Chevrolet Volt. Изображение из отчёта Chevrolet Volt Battery Incident Overview Report

Смягчение отказов

Одно надёжное решение для непредвиденных багов — включение внешнего вотчдога, следящего за микроконтроллером (MCU) на предмет фатальных ошибок, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3. Типичная блок-схема BMS с реализацией вотчдога MCU

Если MCU работает, но критическая команда упущена, монитор ячейки может задействовать механизм вотчдога, изображенный на рисунке 4.

Рисунок 4. Блок-схема BMS с полной реализацией вотчдога

В редких случаях — например, защёлкивание (latch-up) от электромагнитных помех (EMI) или ионизирующего излучения — вотчдог, инициирующий полный цикл питания, а не просто логический сброс, может спасти систему. Эта архитектура менее распространена, но даёт дополнительный слой защиты.

Дополнительные решения для смягчения сбоев BMS

По мере роста энергоплотности и мощностных требований допуск для батарейных ячеек сужается. Следовательно, требуется ещё более точная оценка состояния заряда (SoC), где импеданс ячейки играет ключевую роль.

Прямое измерение импеданса в реальном времени высоко ценно. Panasonic, например, разработала локальную технику AC-стимуляции, следящую за электрохимическим импедансом без необходимости опорного напряжения в холостом ходу и длительной калибровки. Существуют и другие методы, но они часто требуют более сложных установок.

FRAM (ферроэлектрическая ОЗУ) — другая перспективная технология. Поскольку FRAM сохраняет данные после цикла питания, она может безопасно хранить последнее валидное значение кулоновского счётчика, снижая риск потери данных при внезапных сбросах.

В конечном счёте, химия самой ячейки определяет запасы безопасности. Помимо Li-Ion, исследуются химии Li-S, Li-FeS2 и твёрдотельные варианты для дальнейшего повышения безопасности и производительности.

Если вы хотите глубже погрузиться в проектирование батарейных систем или имеете конкретные вопросы, оставьте комментарий ниже.