Wenn etwas schief geht:Fehlerminderung des Batteriemanagementsystems

Was ist Thermal Runaway in Li-Ionen-Batteriesystemen? Und wie tragen Batteriemanagementsysteme dazu bei, Ausfälle zu minimieren und die Sicherheit zu erhöhen? Erfahren Sie mehr in diesem technischen Artikel.

Lithium-Ionen-Batterien gelten in einer ordnungsgemäß kontrollierten Umgebung als sicher. „Meistens sicher“ sollte man sagen, denn Batteriemanagementsysteme (BMS) und Herstellungsverfahren für Li-Ionen-Zellen sind nicht immer perfekt. Wenn wir jedoch nicht gegen die Physik der Lithium-Ionen-Technologie kämpfen können, können wir stattdessen nach einem besseren BMS-Design streben.

In diesem Artikel bauen wir auf einem vorherigen Artikel auf, in dem die Einführung in Batteriemanagementsysteme und ihre Standardbausteine ​​​​besprochen wurden.

Hier erfahren Sie, was bei einem Ausfall passieren kann und wie Sie solche Auswirkungen abmildern können. Wir werfen auch einen kurzen Blick auf mögliche zukünftige BMS-Komponenten unter Berücksichtigung der ständigen Verbesserung der Batterietechnologie.

Thermal Runaway in Batteriemanagementsystemen

Einer der bekanntesten Fehlermodi eines Stromsystems ist das thermische Durchgehen, das oft mit Brandgefahren verbunden ist. Im Falle einer BMS-Fehlfunktion kann es aufgrund von Hardwarefehlern oder Firmware-Fehlern zu einem thermischen Durchgehen kommen.

Zum Beispiel könnte ein vergessener Stoppbefehl im Balancer eine Zelle auf unbestimmte Zeit weiter überentladen. In einem solchen Fall wird selbst das Erkennen des Problems und das Durchbrennen einer Sicherung die Zellenentladung nicht stoppen. Dies kann zu einer Zersetzung und Perforation des Separators zwischen Anode und Kathode in der Zelle durch Tiefentladung führen, was nach einem erneuten Ladeversuch zu einem starken internen Kurzschluss führt.

Abbildung 1. Bildung von internen Kupferkurzschlüssen durch Tiefentladung. Bild mit freundlicher Genehmigung von Xuning Feng

Sie fragen sich vielleicht, wie ein solcher Kurzschluss die Erkennung vermeiden kann. Der anfängliche Kontakt könnte einen ausreichenden Widerstand haben, um die Batteriespannung hoch zu halten, jedoch mit einem sehr hohen Selbstentladestrom, sodass er vom externen Stromsensor oder Spannungsmonitor nicht erkannt werden kann.

Ein Kurzschluss führt zu einer warmen Zelle. Wenn es die kritische Temperatur über 60 °C erreicht, platzt es und verbrennt, wodurch seine Nachbarzellen erhitzt werden und eine Kettenreaktion ausgelöst wird. Dies ist das thermische Durchgehen, das katastrophale Folgen haben kann.

Abbildung 2. Ein verbrannter Hochenergie-Akku aus einem 2011er Chevrolet Volt. Bild aus dem Chevrolet Volt Battery Incident Overview Report

Fehlerbehebung

Eine Lösung für unvorhergesehene Fehler könnte ein externer Watchdog bei schwerwiegenden MCU-Fehlern sein, wie in Abbildung 3 gezeigt.

Abbildung 3. Ein typisches BMS-Blockdiagramm mit MCU-Watchdog-Implementierung

Wenn die MCU nicht hängen bleibt, aber ein Befehl vergessen wird, kann der Zellenmonitor ein Watchdog-System implementieren, wie in Abbildung 4 gezeigt.

Abbildung 4. Ein BMS-Blockdiagramm mit vollständiger Watchdog-Implementierung

Sollte alternativ ein Latch-up aufgrund von EMV-Problemen oder Strahlungen auftreten, kann es gelöscht werden, indem der Watchdog so ausgelegt wird, dass er einen Power-Cycle statt nur einen logischen Reset ausgeben könnte. Diese Architektur ist weniger verbreitet.

Zusätzliche Lösungen zur Minderung von BMS-Ausfällen

Mit steigender Energiedichte und steigendem Leistungsbedarf wird es immer einfacher, Batteriezellen zu überfordern. Daher müssen noch genauere Tankanzeigen implementiert werden, bei denen die Zellimpedanz ein Schlüsselelement ist.

Eine einfache Methode zur direkten Messung der Impedanz zur Laufzeit wäre von großem Nutzen. Panasonic behauptet, genau eine solche Methode mit einer neuen lokalisierten AC-Stimulationstechnik zur Überwachung der elektrochemischen Impedanz der Zelle entwickelt zu haben. Es gibt auch andere Methoden, die jedoch eine unbelastete Spannungsreferenz und eine Kalibrierung erfordern.

Eine weitere Verbesserung könnte auf der FRAM-Technologie beruhen, die üblicherweise von MCUs als System-RAM verwendet wird. Der FRAM behält die Daten nach einem Einschaltzyklus beim Puffern eines Coulomb-Zähler-Samples bei, was bedeutet, dass die Firmware weniger wahrscheinlich die letzten gültigen Daten verliert, wenn ein plötzlicher Reset erfolgt.

Aber was am Ende den wirklichen Unterschied macht, ist die Zellchemie:Es gibt mehr Möglichkeiten als Li-Ion.

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