Cuando algo sale mal:Mitigación de fallas del sistema de administración de la batería

¿Qué es la fuga térmica en los sistemas de baterías de iones de litio? ¿Y cómo ayudan los sistemas de administración de baterías a mitigar fallas para mejorar la seguridad? Obtenga más información en este artículo técnico.

Las baterías de iones de litio tienden a considerarse seguras cuando se encuentran en un entorno adecuadamente controlado. Deberíamos decir "mayormente seguro", porque los sistemas de gestión de baterías (BMS) y los procesos de fabricación de celdas de iones de litio no siempre son perfectos. Pero, si no podemos luchar contra la física de la tecnología de iones de litio, podemos luchar por un mejor diseño de BMS.

En este artículo, nos basaremos en un artículo anterior que discutía la introducción a los sistemas de administración de baterías y cuáles son sus componentes básicos estándar.

Aquí, cubriremos lo que podría suceder en caso de falla y cómo mitigar dichos efectos. También echaremos un vistazo breve a los posibles componentes futuros de BMS teniendo en cuenta la mejora constante de la tecnología de la batería.

Fugas térmicas en sistemas de gestión de baterías

Uno de los famosos modos de falla de un sistema de energía es la fuga térmica, que a menudo se asocia con peligros de incendio. En el caso de un mal funcionamiento de BMS, puede producirse una fuga térmica debido a fallas de hardware o errores de firmware.

Por ejemplo, un comando de parada olvidado en el equilibrador podría continuar descargando en exceso una celda de forma indefinida. En tal caso, incluso detectar el problema y soplar un fusible no detendrá la descarga de la celda. Esto puede provocar la descomposición y la perforación del separador entre el ánodo y el cátodo en la celda debido a una descarga excesiva, lo que induce un potente cortocircuito interno después de un nuevo intento de carga.

Figura 1. Formación de cortocircuitos de cobre internos debido a sobredescarga. Imagen utilizada por cortesía de Xuning Feng

Quizás se esté preguntando cómo un corto tan corto podría evitar ser detectado. El contacto inicial podría tener suficiente resistencia para mantener alto el voltaje de la batería pero con una corriente de autodescarga muy alta, por lo que no es detectable por el sensor de corriente externo o el monitor de voltaje.

Un cortocircuito conduce a una celda caliente. Si alcanza la temperatura crítica por encima de los 60 ° C, estallará y arderá, calentando las células vecinas y provocando una reacción en cadena. Esta es la fuga térmica, que tiene el potencial de consecuencias catastróficas.

Figura 2. Una batería de alta energía quemada de un Chevrolet Volt 2011. Imagen del Informe de descripción general del incidente de la batería del Chevrolet Volt

Mitigación de fallas

Una solución para errores imprevistos podría ser un perro guardián externo en caso de errores fatales de MCU, como se muestra en la Figura 3.

Figura 3. Un diagrama de bloques típico de BMS con implementación de control de MCU

Si la MCU no se atasca pero se olvida un comando, el monitor de celda puede implementar un sistema de vigilancia, como se muestra en la Figura 4.

Figura 4. Un diagrama de bloques de BMS con implementación de vigilancia completa

Alternativamente, si se produce un enclavamiento debido a problemas de EMC o radiaciones, se puede extinguir diseñando el perro guardián de modo que pueda emitir un ciclo de energía en lugar de solo un reinicio lógico. Esta arquitectura es menos común.

Soluciones adicionales para mitigar las fallas de BMS

Con el aumento de las densidades de energía y las demandas de energía, es cada vez más fácil pedir demasiado a las celdas de la batería. Por lo tanto, se deben implementar medidores de combustible aún más precisos en los que la impedancia de la celda sea una parte clave.

Un método sencillo para medir directamente la impedancia en tiempo de ejecución sería de gran utilidad. Panasonic afirma haber logrado tal método utilizando una nueva técnica de estimulación de CA localizada para monitorear la impedancia electroquímica de la celda. Existen otros métodos, pero requieren una referencia de voltaje sin carga y calibración.

Otra mejora podría depender de la tecnología FRAM, que las MCU suelen utilizar como RAM del sistema. FRAM retiene los datos después de un ciclo de energía cuando almacena en búfer una muestra de contador de Coulomb, lo que significa que hay menos posibilidades de que el firmware pierda los últimos datos válidos en el caso de un reinicio repentino.

Pero, al final, lo que realmente marca la diferencia es la química celular:hay más opciones más allá del Li-ion.

Si desea obtener más información sobre los sistemas de batería, deje un comentario a continuación para compartir sus pensamientos y preguntas.