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Quando as coisas dão errado:Mitigação de falha do sistema de gerenciamento de bateria

O que é fuga térmica em sistemas de bateria de íon-lítio? E como os sistemas de gerenciamento de bateria ajudam a mitigar falhas para aumentar a segurança? Saiba mais neste artigo técnico.


Baterias baseadas em íons de lítio tendem a ser consideradas seguras quando em um ambiente devidamente controlado. Devemos dizer "principalmente seguro", porque os sistemas de gerenciamento de bateria (BMSs) e os processos de fabricação de células de íons de lítio nem sempre são perfeitos. Mas, se não podemos lutar contra a física da tecnologia de íons de lítio, podemos, em vez disso, nos empenhar por um design BMS melhor.

Neste artigo, vamos construir em uma parte anterior que discutiu a introdução aos sistemas de gerenciamento de bateria e quais são seus blocos de construção padrão.

Aqui, vamos cobrir o que pode acontecer em caso de falha e como mitigar esses efeitos. Também daremos uma breve olhada nos possíveis componentes do BMS no futuro, levando em consideração o aprimoramento constante da tecnologia de bateria.


Fuga térmica em sistemas de gerenciamento de bateria


Um dos famosos modos de falha de um sistema de energia é o escape térmico, que geralmente está associado a riscos de incêndio. No caso de mau funcionamento do BMS, pode ocorrer fuga térmica devido a falhas de hardware ou erros de firmware.

Por exemplo, um comando de parada esquecido no balanceador pode continuar a descarga excessiva de uma célula indefinidamente. Nesse caso, mesmo detectar o problema e queimar um fusível não interromperá a descarga da célula. Isso pode levar à decomposição e perfuração do separador entre o ânodo e o cátodo na célula devido à descarga excessiva, induzindo um poderoso curto-circuito interno após uma nova tentativa de carga.




Figura 1. Formação de curtos-circuitos internos de cobre devido à descarga excessiva. Imagem usada cortesia de Xuning Feng



Você pode estar se perguntando como tal curto poderia evitar a detecção. O contato inicial pode ter resistência suficiente para manter a tensão da bateria alta, mas com uma corrente de autodescarga muito alta, tornando-a não detectável pelo sensor de corrente externo ou monitor de tensão.

Um curto-circuito leva a uma célula quente. Se atingir a temperatura crítica acima de 60 ° C, ele explodirá e queimará, aquecendo as células vizinhas e desencadeando uma reação em cadeia. Esta é a fuga térmica, que tem potencial para consequências catastróficas.




Figura 2. Uma bateria de alta energia queimada de um Chevrolet Volt 2011. Imagem do Relatório de visão geral do incidente de bateria do Chevrolet Volt


Mitigação de Falhas


Uma solução para bugs imprevistos poderia ser um watchdog externo no caso de erros fatais de MCU, conforme mostrado na Figura 3.




Figura 3. Um diagrama de blocos BMS típico com implementação de watchdog MCU



Se o MCU não estiver travado, mas um comando for esquecido, o monitor de célula pode implementar um sistema de watchdog, conforme mostrado na Figura 4.




Figura 4. Um diagrama de blocos BMS com implementação completa de watchdog



Alternativamente, caso ocorra um travamento devido a problemas de EMC ou radiações, ele pode ser extinto projetando-se o watchdog de modo que possa emitir um ciclo de energia em vez de apenas uma reinicialização lógica. Essa arquitetura é menos comum.


Soluções adicionais para atenuar a falha de BMS


Com o aumento das densidades de energia e demandas de energia, está ficando mais fácil pedir muito das células da bateria. Portanto, medidores de combustível ainda mais precisos devem ser implementados nos quais a impedância da célula é uma parte fundamental.

Um método fácil de medir diretamente a impedância em tempo de execução seria de grande utilidade. A Panasonic afirma ter alcançado esse método usando uma nova técnica de estimulação AC localizada para monitorar a impedância eletroquímica da célula. Existem outros métodos, mas eles requerem uma referência de tensão sem carga e calibração.

Outra melhoria pode contar com a tecnologia FRAM, que é comumente usada como RAM do sistema por MCUs. O FRAM retém os dados após um ciclo de energia ao armazenar em buffer uma amostra do contador Coulomb, o que significa que há menos chance do firmware perder os últimos dados válidos no caso de uma reinicialização repentina.

Mas, no final das contas, o que faz a diferença real é a química celular:existem mais opções além do íon-lítio.

Se você gostaria de aprender mais sobre sistemas de bateria, deixe um comentário abaixo para compartilhar suas idéias e perguntas.

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