문제가 발생하는 경우:배터리 관리 시스템 오류 완화

리튬 이온 배터리 시스템에서 열폭주란 무엇입니까? 그리고 배터리 관리 시스템은 개선된 안전을 위해 고장을 완화하는 데 어떻게 도움이 됩니까? 이 기술 문서에서 자세히 알아보세요.

리튬 이온 기반 배터리는 적절하게 제어되는 환경에서 안전한 것으로 간주되는 경향이 있습니다. 배터리 관리 시스템(BMS) 및 리튬 이온 전지 제조 공정이 항상 완벽하지는 않기 때문에 "대부분 안전"하다고 해야 합니다. 그러나 리튬 이온 기술의 물리학에 맞서 싸울 수 없다면 대신 더 나은 BMS 설계를 위해 노력할 수 있습니다.

이 기사에서 우리는 배터리 관리 시스템에 대한 소개와 표준 빌딩 블록이 무엇인지 논의한 이전 기사를 기반으로 할 것입니다.

여기에서는 실패 시 발생할 수 있는 일과 그러한 영향을 완화하는 방법에 대해 설명합니다. 또한 배터리 기술의 지속적인 개선을 고려하여 향후 가능한 BMS 구성 요소에 대해서도 간략히 살펴보겠습니다.

배터리 관리 시스템의 열 폭주

전력 시스템의 유명한 고장 모드 중 하나는 종종 화재 위험과 관련된 열 폭주입니다. BMS 오작동의 경우 하드웨어 고장이나 펌웨어 버그로 인해 열폭주가 발생할 수 있습니다.

예를 들어, 밸런서에서 중지 명령을 잊어버리면 셀이 무기한 계속 과방전될 수 있습니다. 이 경우 문제를 감지하고 퓨즈를 끊어도 셀 방전이 멈추지 않습니다. 이는 과방전으로 인해 셀의 양극과 음극 사이의 분리막이 분해 및 천공되어 새로운 충전 시도 후 강력한 내부 단락을 유발할 수 있습니다.

그림 1. 과방전으로 인한 내부 구리 단락 형성. 이미지 사용:Xuning Feng 제공

그러한 단락이 어떻게 감지를 피할 수 있는지 궁금할 것입니다. 초기 접점은 배터리 전압을 높게 유지하기에 충분한 저항을 가질 수 있지만 자체 방전 전류가 매우 높아 외부 전류 센서나 전압 모니터에서 감지할 수 없습니다.

단락은 웜 셀로 이어집니다. 60°C 이상의 임계 온도에 도달하면 파열되어 연소되어 주변 세포를 가열하고 연쇄 반응을 촉발합니다. 이것은 치명적인 결과를 초래할 수 있는 열 폭주입니다.

그림 2. 2011년 Chevrolet Volt에서 태워진 고에너지 배터리 팩. Chevrolet Volt 배터리 사고 개요 보고서의 이미지

실패 완화

예상치 못한 버그에 대한 한 가지 솔루션은 그림 3과 같이 MCU 치명적인 오류의 경우 외부 감시 장치가 될 수 있습니다.

그림 3. MCU 워치독 구현이 있는 일반적인 BMS 블록 다이어그램

MCU가 멈춘 것이 아니라 명령을 잊어버린 경우 셀 모니터는 그림 4와 같이 워치독 시스템을 구현할 수 있습니다.

그림 4. 완전한 워치독 구현이 포함된 BMS 블록 다이어그램

또는 EMC 문제 또는 방사선으로 인한 래치업이 발생하는 경우 단순한 로직 리셋이 아닌 전원 사이클을 발행할 수 있도록 워치독을 설계하여 래치업을 끌 수 있습니다. 이 아키텍처는 덜 일반적입니다.

BMS 장애 완화를 위한 추가 솔루션

에너지 밀도와 전력 수요가 증가함에 따라 배터리 셀에 너무 많은 것을 요구하는 것이 점점 더 쉬워지고 있습니다. 따라서 셀 임피던스가 핵심 부분인 훨씬 더 정밀한 연료 게이지를 구현해야 합니다.

런타임에 임피던스를 직접 측정하는 쉬운 방법은 매우 유용할 것입니다. Panasonic은 세포의 전기화학적 임피던스를 모니터링하기 위해 새로운 국소 AC 자극 기술을 사용하여 그러한 방법을 달성했다고 주장합니다. 다른 방법이 있지만 무부하 전압 기준 및 교정이 필요합니다.

또 다른 개선 사항은 일반적으로 MCU에서 시스템 RAM으로 사용되는 FRAM 기술에 의존할 수 있습니다. FRAM은 쿨롱 카운터 샘플을 버퍼링할 때 전원을 껐다 켠 후에도 데이터를 유지합니다. 즉, 갑작스러운 재설정의 경우 펌웨어가 마지막 유효한 데이터를 잃을 가능성이 줄어듭니다.

그러나 결국 실제 차이를 만드는 것은 전지 화학입니다. 리튬 이온 외에 더 많은 옵션이 있습니다.

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