Когда что-то идет не так:устранение сбоев системы управления батареями

Что такое тепловой разгон в литий-ионных аккумуляторных системах? И как системы управления аккумуляторной батареей помогают снизить риск отказов для повышения безопасности? Подробнее читайте в этой технической статье.

Литий-ионные аккумуляторы обычно считаются безопасными при надлежащем контроле окружающей среды. Мы должны сказать «в основном безопасные», потому что системы управления батареями (BMS) и процессы производства литий-ионных элементов не всегда идеальны. Но если мы не можем бороться с физикой литий-ионной технологии, мы можем вместо этого стремиться к лучшей конструкции BMS.

В этой статье мы будем опираться на предыдущую часть, в которой обсуждались введение в системы управления батареями и их стандартные строительные блоки.

Здесь мы расскажем, что может случиться в случае сбоя и как смягчить такие эффекты. Мы также кратко рассмотрим возможные будущие компоненты BMS с учетом постоянного совершенствования аккумуляторных технологий.

Температурный разгон в системах управления батареями

Один из известных режимов отказа энергосистемы - это тепловой разгон, который часто связан с опасностью пожара. В случае неисправности BMS может произойти тепловой пробой из-за аппаратных сбоев или ошибок прошивки.

Например, забытая команда останова в балансировщике может продолжать чрезмерную разрядку элемента бесконечно долго. В таком случае даже обнаружение проблемы и срабатывание предохранителя не остановит разряд элемента. Это может привести к разложению и перфорации разделителя между анодом и катодом в элементе из-за чрезмерного разряда, вызывая мощное внутреннее короткое замыкание после новой попытки зарядки.

Рисунок 1. Образование внутренних медных коротких замыканий из-за чрезмерного разряда. Изображение предоставлено Xuning Feng

Вам может быть интересно, как такое короткое замыкание могло избежать обнаружения. Первоначальный контакт может иметь достаточное сопротивление, чтобы поддерживать высокое напряжение аккумулятора, но с очень высоким током саморазряда, что делает его не обнаруживаемым внешним датчиком тока или монитором напряжения.

Короткое замыкание приводит к теплой ячейке. Если он достигнет критической температуры выше 60 ° C, он взорвется и сгорит, нагревая соседние клетки и вызывая цепную реакцию. Это тепловой выброс, который может иметь катастрофические последствия.

Рисунок 2. Сгоревший высокоэнергетический аккумулятор от Chevrolet Volt 2011 года выпуска. Изображение из отчета об инциденте с аккумуляторной батареей Chevrolet Volt

Устранение сбоев

Одним из решений непредвиденных ошибок может быть внешний сторожевой таймер на случай фатальных ошибок MCU, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3. Типичная блок-схема BMS с реализацией сторожевого таймера MCU

Если MCU не зависает, но команда забыта, монитор ячейки может реализовать сторожевую систему, как показано на рисунке 4.

Рисунок 4. Блок-схема BMS с полной реализацией сторожевого таймера

В качестве альтернативы, в случае возникновения защелкивания из-за проблем с электромагнитной совместимостью или излучения, его можно погасить, сконструировав сторожевой таймер таким образом, чтобы он мог вызвать цикл включения питания, а не просто логический сброс. Эта архитектура менее распространена.

Дополнительные решения для устранения сбоев BMS

С увеличением плотности энергии и требований к мощности становится все проще требовать слишком многого от аккумуляторных элементов. Следовательно, должны быть реализованы еще более точные датчики уровня топлива, в которых импеданс ячейки является ключевой частью.

Очень полезен простой метод прямого измерения импеданса во время работы. Panasonic утверждает, что реализовала именно такой метод, используя новую технику локальной стимуляции переменного тока для контроля электрохимического импеданса ячейки. Существуют и другие методы, но они требуют опорного напряжения без нагрузки и калибровки.

Еще одно улучшение может быть связано с технологией FRAM, которая обычно используется микроконтроллерами в качестве системной RAM. FRAM сохраняет данные после цикла питания при буферизации выборки кулоновского счетчика, что означает, что у микропрограммного обеспечения меньше шансов потерять последние действительные данные в случае внезапного сброса.

Но, в конце концов, реальная разница - это химический состав клеток:есть и другие варианты помимо литий-ионных.

Если вы хотите узнать больше о аккумуляторных системах, оставьте комментарий ниже, чтобы поделиться своими мыслями и вопросами.