當(dāng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)：電池管理系統(tǒng)故障緩解

在適當(dāng)控制的環(huán)境中，鋰離子電池往往被認(rèn)為是安全的。我們應(yīng)該說(shuō)“基本安全”，因?yàn)殡姵毓芾硐到y(tǒng) (BMS) 和鋰離子電池制造工藝并不總是完美的。但是，如果我們不能與鋰離子技術(shù)的物理特性作斗爭(zhēng)，我們可以改為爭(zhēng)取更好的 BMS 設(shè)計(jì)。

在本文中，我們將以上一篇討論電池管理系統(tǒng)簡(jiǎn)介 及其標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建塊的文章為基礎(chǔ)。 

在這里，我們將介紹在失敗的情況下可能發(fā)生的情況以及如何減輕此類影響。我們還將簡(jiǎn)要了解未來(lái)可能的 BMS 組件，同時(shí)考慮到電池技術(shù)的不斷改進(jìn)。

 

電池管理系統(tǒng)中的熱失控

電力系統(tǒng)的一種故障模式是熱失控，它通常與火災(zāi)隱患有關(guān)。在 BMS 故障的情況下，由于硬件故障或固件錯(cuò)誤，可能會(huì)發(fā)生熱失控。

例如，忘記平衡器中的停止命令可能會(huì)無(wú)限期地繼續(xù)過(guò)度放電電池。在這種情況下，即使檢測(cè)到問(wèn)題并熔斷保險(xiǎn)絲也不會(huì)停止電池放電。由于過(guò)度放電，這可能導(dǎo)致電池中陽(yáng)極和陰極之間的隔膜分解和穿孔，從而在新的充電嘗試后引起強(qiáng)大的內(nèi)部短路。

 

圖 1. 由于過(guò)放電形成內(nèi)部銅短路。圖片由馮旭寧提供

 

您可能想知道這樣的短路如何避免被發(fā)現(xiàn)。初始接觸可能有足夠的電阻來(lái)保持電池電壓高，但具有非常高的自放電電流，使其無(wú)法被外部電流傳感器或電壓監(jiān)視器檢測(cè)到。

短路會(huì)導(dǎo)致電池發(fā)熱。如果它達(dá)到 60°C 以上的臨界溫度，它就會(huì)爆裂燃燒，加熱鄰近的細(xì)胞并引發(fā)連鎖反應(yīng)。這就是熱失控，有可能造成災(zāi)難性后果。

故障緩解

一種針對(duì)不可預(yù)見(jiàn)錯(cuò)誤的解決方案是在 MCU 致命錯(cuò)誤的情況下使用外部看門狗，如圖 3 所示。

 

圖 3. 帶有 MCU 看門狗實(shí)現(xiàn)的典型 BMS 框圖

 

如果 MCU 沒(méi)有卡住但忘記了一條命令，單元監(jiān)視器可以實(shí)現(xiàn)看門狗系統(tǒng)，如圖 4 所示。

 

圖 4. 具有完整看門狗實(shí)現(xiàn)的 BMS 框圖

 

或者，如果由于 EMC 問(wèn)題或輻射發(fā)生閂鎖，可以通過(guò)設(shè)計(jì)看門狗來(lái)消除它，使其可以發(fā)出電源循環(huán)而不只是邏輯復(fù)位。這種架構(gòu)不太常見(jiàn)。

 

減輕 BMS 故障的其他解決方案

隨著能量密度和功率需求的增加，對(duì)電池的要求越來(lái)越高。因此，必須實(shí)施更的電量計(jì)，其中電池阻抗是關(guān)鍵部分。

一種在運(yùn)行時(shí)直接測(cè)量阻抗的簡(jiǎn)單方法會(huì)有很大用處。松下聲稱已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了這種方法， 使用一種新的局部交流刺激技術(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)電池的電化學(xué)阻抗。存在其他方法，但它們需要空載電壓基準(zhǔn)和校準(zhǔn)。

另一項(xiàng)改進(jìn)可能依賴于 FRAM 技術(shù)，該技術(shù)通常被 MCU 用作系統(tǒng) RAM。FRAM 在緩沖庫(kù)侖計(jì)數(shù)器樣本時(shí)會(huì)在電源循環(huán)后保留數(shù)據(jù)，這意味著固件在突然重置的情況下丟失有效數(shù)據(jù)的可能性較小。

但是，終，真正不同的是電池化學(xué)：除了鋰離子之外，還有更多選擇。