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Quand les choses tournent mal :atténuation des défaillances du système de gestion de la batterie

Qu'est-ce que l'emballement thermique dans les systèmes de batterie Li-ion ? Et comment les systèmes de gestion de batterie aident-ils à atténuer les défaillances pour une sécurité améliorée ? Apprenez-en plus dans cet article technique.

Les batteries à base de Li-ion ont tendance à être considérées comme sûres lorsqu'elles sont dans un environnement correctement contrôlé. Nous devrions dire « surtout sûr », car les systèmes de gestion de batterie (BMS) et les processus de fabrication de cellules Li-ion ne sont pas toujours parfaits. Mais, si nous ne pouvons pas lutter contre la physique de la technologie Li-ion, nous pouvons à la place nous efforcer d'améliorer la conception du BMS.

Dans cet article, nous nous appuierons sur un article précédent qui traitait de l'introduction aux systèmes de gestion de batterie et de leurs éléments constitutifs standard.

Ici, nous couvrirons ce qui pourrait arriver en cas d'échec et comment atténuer ces effets. Nous examinerons également brièvement les futurs composants BMS possibles en tenant compte de l'amélioration constante de la technologie des batteries.

Emballage thermique dans les systèmes de gestion de batterie

L'un des modes de défaillance célèbres d'un système électrique est l'emballement thermique, qui est souvent associé à des risques d'incendie. En cas de dysfonctionnement du BMS, un emballement thermique peut se produire en raison de pannes matérielles ou de bugs du micrologiciel.

Par exemple, une commande d'arrêt oubliée dans l'équilibreur pourrait continuer à surcharger une cellule indéfiniment. Dans un tel cas, même détecter le problème et faire sauter un fusible n'arrêtera pas la décharge de la cellule. Cela peut entraîner une décomposition et une perforation du séparateur entre l'anode et la cathode dans la cellule en raison d'une décharge excessive, induisant un puissant court-circuit interne après une nouvelle tentative de charge.

Figure 1. Formation de courts-circuits internes en cuivre dus à une décharge excessive. Image utilisée avec l'aimable autorisation de Xuning Feng

Vous vous demandez peut-être comment un tel court-circuit pourrait éviter la détection. Le contact initial peut avoir une résistance suffisante pour maintenir la tension de la batterie élevée mais avec un courant d'autodécharge très élevé, ce qui le rend indétectable par le capteur de courant externe ou le moniteur de tension.

Un court-circuit conduit à une cellule chaude. S'il atteint la température critique supérieure à 60°C, il éclatera et brûlera, chauffant ses cellules voisines et déclenchant une réaction en chaîne. Il s'agit de l'emballement thermique, qui peut avoir des conséquences catastrophiques.



Figure 2. Une batterie à haute énergie brûlée d'une Chevrolet Volt 2011. Image du rapport d'aperçu d'incident de batterie Chevrolet Volt

Atténuation des défaillances

Une solution aux bogues imprévus pourrait être un chien de garde externe en cas d'erreurs fatales du MCU, comme le montre la figure 3.

Figure 3. Un schéma fonctionnel BMS typique avec la mise en œuvre du chien de garde MCU

Si le MCU n'est pas bloqué mais qu'une commande est oubliée, le moniteur de cellule peut mettre en œuvre un système de surveillance, comme illustré à la figure 4.

Figure 4. Un schéma fonctionnel BMS avec une implémentation de chien de garde complète

Alternativement, si un verrouillage dû à des problèmes CEM ou à des radiations se produit, il peut être éteint en concevant le chien de garde de telle sorte qu'il puisse émettre un cycle d'alimentation plutôt qu'une simple réinitialisation logique. Cette architecture est moins courante.

Solutions supplémentaires pour atténuer les défaillances du BMS

Avec des densités d'énergie et des demandes de puissance croissantes, il devient de plus en plus facile de demander trop aux cellules de batterie. Par conséquent, des jauges de carburant encore plus précises doivent être mises en œuvre dans lesquelles l'impédance de la cellule est un élément clé.

Une méthode simple pour mesurer directement l'impédance au moment de l'exécution serait d'une grande utilité. Panasonic prétend avoir réalisé une telle méthode en utilisant une nouvelle technique de stimulation CA localisée pour surveiller l'impédance électrochimique de la cellule. D'autres méthodes existent, mais elles nécessitent une référence de tension non chargée et un étalonnage.

Une autre amélioration pourrait s'appuyer sur la technologie FRAM, qui est couramment utilisée comme RAM système par les MCU. La FRAM conserve les données après un cycle d'alimentation lors de la mise en mémoire tampon d'un échantillon de compteur de Coulomb, ce qui signifie qu'il y a moins de chance que le micrologiciel perde les dernières données valides en cas de réinitialisation soudaine.

Mais, en fin de compte, ce qui fait la vraie différence, c'est la chimie cellulaire :il y a plus d'options que le Li-ion.

Si vous souhaitez en savoir plus sur les systèmes de batterie, laissez un commentaire ci-dessous pour partager vos réflexions et vos questions.


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