電池管理系統(tǒng)中的熱失控

電力系統(tǒng)的故障模式之一是熱失控，它通常與火災(zāi)危險(xiǎn)相關(guān)。當(dāng) BMS 發(fā)生故障時(shí)，可能會(huì)因硬件故障或固件錯(cuò)誤而發(fā)生熱失控。

例如，平衡器中忘記的停止命令可能會(huì)繼續(xù)無限期地對電池過度放電。在這種情況下，即使檢測到問題并熔斷保險(xiǎn)絲也不會(huì)停止電池放電。由于過度放電，這可能會(huì)導(dǎo)致電池中陽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發(fā)嚴(yán)重的內(nèi)部短路。

圖 1. 由于過度放電而形成內(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)。初始接觸可能具有足夠的電阻來保持電池電壓較高，但自放電電流非常高，因此外部電流傳感器或電壓監(jiān)視器無法檢測到。

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

故障緩解

針對不可預(yù)見錯(cuò)誤的一種解決方案是使用外部看門狗，以防 MCU 出現(xiàn)致命錯(cuò)誤，如圖 3 所示。

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

如果 MCU 沒有卡住但忘記了命令，則單元監(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 問題或輻射而發(fā)生閂鎖，可以通過設(shè)計(jì)看門狗來消除閂鎖，使其可以發(fā)出電源周期而不僅僅是邏輯復(fù)位。這種架構(gòu)不太常見。

緩解 BMS 故障的其他解決方案

隨著能量密度和功率需求的增加，對電池的要求越來越高。因此，必須實(shí)現(xiàn)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)直接測量阻抗的簡單方法將非常有用。松下聲稱已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了這樣一種方法 ，使用新的局部交流刺激技術(shù)來監(jiān)測電池電化學(xué)阻抗。還存在其他方法，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 在緩沖庫侖計(jì)數(shù)器樣本時(shí)會(huì)在電源周期后保留數(shù)據(jù)，這意味著在突然重置的情況下固件丟失有效數(shù)據(jù)的可能性較小。