Устранение сбоев BMS: стратегии предотвращения термического разгорания

Что такое термическое разгорание в системах Li-Ion батарей? И как системы управления батареей помогают смягчать отказы для повышения безопасности? Подробнее в этой технической статье.

Li-Ion батареи обычно безопасны при эксплуатации в контролируемых средах. Однако гарантия безопасности так же хороша, как сама BMS и процесс производства ячеек. На практике BMS не безупречны, поэтому проектировщики должны ставить во главу угла устойчивую архитектуру BMS, чтобы противостоять внутренней физике Li-Ion химии.

Опираясь на наш обзор основ BMS, эта статья исследует режимы отказа, особенно термическое разгорание, и представляет проверенные стратегии смягчения. Мы также заглядываем в новые компоненты BMS, соответствующие растущим требованиям высокоэнергоплотных батарейных технологий.

Термическое разгорание в системах управления батареей

Термическое разгорание — критический режим отказа, могущий привести к пожару. В BMS его могут спровоцировать аппаратные дефекты или баги прошивки. Например, упущенная команда остановки в балансировщике ячеек может допустить их бесконечный переразряд. Даже если система обнаруживает аномалию и срабатывает предохранитель, продолжение разряда может повредить сепаратор, создав внутреннее короткое замыкание при следующей попытке зарядки.

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

Внутреннее замыкание может остаться необнаруженным, если начальный контакт имеет высокое сопротивление, но допускает значительный ток саморазряда. Результирующее событие с высоким током нагревает ячейку. Когда температура превышает ~60 °C, ячейка может разорваться и воспламениться, передавая тепло к соседним ячейкам и запуская цепную реакцию — это и есть термическое разгорание.

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

Смягчение отказов

Развёртывание внешнего вотчдога, следящего за микроконтроллером (MCU), позволяет обнаружить фатальные ошибки и инициировать системный сброс, как показано на рисунке 3.

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

Если MCU отзывчив, но критическая команда пропущена, вотчдог на базе монитора ячейки может вмешаться, как показано на рисунке 4.

Рисунок 4. Блок-схема BMS с комплексной реализацией вотчдога

В сценариях с защёлкиванием от электромагнитных помех или излучении вотчдог, запускающий полный цикл питания — а не просто логический сброс — даёт более надёжную защиту, хотя эта архитектура менее распространена.

Дополнительные решения для смягчения сбоев BMS

По мере роста энергоплотностей запас допуска сокращается. Точная оценка состояния заряда (SoC) должна учитывать измерение импеданса ячейки. Недавний метод Panasonic использует локальную AC-стимуляцию для мониторинга электрохимического импеданса в реальном времени, устраняя необходимость в опорном напряжении холостого хода и калибровке.

Ещё одно улучшение надёжности — внедрение FRAM для буферов кулоновского счётчика. Поскольку FRAM сохраняет данные через циклы питания, прошивка теряет меньше критических измерений при неожиданных сбросах.

В конечном счёте, химия ячейки играет решающую роль; химии следующего поколения за пределами Li-Ion могут предложить улучшенные запасы безопасности.

Для более глубоких инсайтов в батарейные системы оставляйте комментарии ниже.