Systemy zarządzania akumulatorami (BMS) są podstawą bezpieczeństwa nowoczesnych pojazdów elektrycznych i magazynów energii. Monitorują one napięcia ogniw, regulują ładowanie i rozładowywanie, równoważą obciążenia ogniw i chronią pakiety przed pracą poza bezpiecznymi zakresami temperatur. Dla większości branży system zarządzania baterią jest jej strażnikiem, ostatnią linią obrony przed katastrofalną awarią.

Jednak rosnąca liczba dowodów sugeruje, że konwencjonalny system BMS, pomimo całego swojego wyrafinowania, ma krytyczne martwe punkty. Nie jest on w stanie wykryć najwcześniejszych oznak ucieczki termicznej, wyczuć wilgoci gromadzącej się wewnątrz akumulatora, ani zarejestrować obciążenia udarowego, jakie akumulator zaabsorbował w przypadku kolizji.

Są to luki, które w rzeczywistych warunkach pozwalają na niewykrycie pożaru akumulatora, dopóki nie stanie się on katastrofalny w skutkach, i które pozostawiają inżynierów, operatorów flot i ubezpieczycieli bez danych potrzebnych do podejmowania świadomych decyzji dotyczących stanu akumulatora. Zrozumienie, gdzie konwencjonalne systemy zarządzania akumulatorami zawodzą i co jest potrzebne, aby zaradzić tym niedociągnięciom, jest niezbędne dla każdego, kto obecnie projektuje lub obsługuje akumulatory litowo-jonowe.

Co to jest system zarządzania akumulatorem?

System zarządzania akumulatorem to elektroniczny system sterowania wbudowany w zestaw akumulatorów. Jego podstawowymi funkcjami są pomiar i raportowanie poziomu napięcia i temperatury ogniw, zapobieganie przeładowaniu lub nadmiernemu rozładowaniu ogniw, równoważenie stanu naładowania poszczególnych ogniw oraz dostarczanie do głównego pojazdu lub systemu szacunkowych informacji o ogólnym stanie naładowania (SoC) i stanie zdrowia (SoH).

W nowoczesnym pojeździe elektrycznym system zarządzania akumulatorem komunikuje się za pośrednictwem magistrali CAN, przekazując dane do sterownika układu napędowego pojazdu, a w wielu implementacjach do systemów telematycznych w chmurze. Jest to dojrzała, dobrze poznana technologia. Większość ram regulacyjnych dotyczących bezpieczeństwa pojazdów elektrycznych zakłada, że system zarządzania akumulatorem jest czymś oczywistym.

Problem nie polega na tym, że systemy zarządzania akumulatorami są źle zaprojektowane. Problem polega na tym, że zostały one zaprojektowane w oparciu o stosunkowo wąski zestaw mierzalnych parametrów napięcia i temperatury. Niestety samo napięcie i temperatura nie mówią wszystkiego o tym, co dzieje się wewnątrz akumulatora.

Ograniczenia konwencjonalnych systemów zarządzania akumulatorami

Skąpe monitorowanie temperatury

Większość architektur systemów zarządzania akumulatorami umieszcza czujniki temperatury w odstępach w całym pakiecie, zazwyczaj jeden czujnik na moduł lub nawet jeden na kilka ogniw. Oznacza to, że nieprawidłowo działające ogniwo znajdujące się pomiędzy dwoma punktami czujników może doświadczyć znacznego wzrostu temperatury, zanim jakikolwiek pomiar to wychwyci. W gęsto upakowanych modułach litowo-jonowych odległość między nieprawidłowo działającym ogniwem a najbliższym czujnikiem temperatury może być wystarczająca, aby zdarzenie termiczne nie zostało wykryte.

Maskowanie napięcia

Wykrywanie wczesnej degradacji ogniw poprzez pomiary napięcia jest z natury trudne w konfiguracjach ogniw równoległych. Gdy jedno ogniwo w grupie równoległej zaczyna szwankować, pozostałe ogniwa podtrzymują napięcie końcowe całej grupy, maskując anomalię. Zanim odchylenie napięcia stanie się widoczne w systemie zarządzania akumulatorem, uszkodzone ogniwo może być już w zaawansowanym stanie degradacji. W efekcie system zarządzania akumulatorem może zostać oszukany przez samą architekturę pakietu, który chroni.

Brak wykrywania gazu

Jednym z najważniejszych ograniczeń konwencjonalnych systemów zarządzania akumulatorami jest to, że nie mają one możliwości wykrywania gazów emitowanych przez ogniwa akumulatorów, gdy zaczynają się one odpowietrzać. Wentylacja ogniw, czasami nazywana odgazowywaniem, jest najwcześniejszą obserwowalną oznaką niekontrolowanego wzrostu temperatury. Na kilka minut przed osiągnięciem przez ogniwo temperatury, która wywołuje pożar lub eksplozję, uwalnia ono lotne związki organiczne (VOC), a w niektórych scenariuszach awarii także wodór. Gazy te są mierzalne i rozróżnialne. Konwencjonalny system zarządzania akumulatorem nie jest w stanie ich zmierzyć.

Niezależne testy przeprowadzone przez Sandia National Laboratories wykazały, że wykrywanie lotnych związków organicznych może zapewnić ponad siedem minut ostrzeżenia przed niekontrolowanym wzrostem temperatury.

To siedmiominutowe okno ma ogromne znaczenie. Jest to różnica między kontrolowanym wyłączeniem systemu, bezpieczną ewakuacją pojazdu lub izolacją obwodu a pożarem, którego nie można powstrzymać. Globalne przepisy techniczne dotyczące bezpieczeństwa pojazdów elektrycznych (GTR20) wyraźnie odnoszą się do potrzeby systemów wczesnego ostrzegania, które umożliwiają bezpieczną ewakuację pasażerów. System zarządzania wyłącznie temperaturą akumulatora nie jest w stanie niezawodnie spełnić tego wymogu.

Brak monitorowania wilgotności

Wnikanie wody jest poważnym zagrożeniem dla trwałości i bezpieczeństwa akumulatora. Wilgoć wewnątrz akumulatora pogarsza izolację ogniw, sprzyja korozji i zwiększa ryzyko zwarć. W akumulatorach chłodzonych cieczą, kondensacja może tworzyć się na wewnętrznych komponentach, gdy temperatura płynu chłodzącego spadnie poniżej punktu rosy powietrza wewnątrz obudowy, co jest szczególnie prawdopodobne podczas zimnych rozruchów lub po agresywnych cyklach chłodzenia. Konwencjonalne systemy zarządzania akumulatorami nie mają możliwości wykrywania wilgoci lub śledzenia punktu rosy, pozostawiając ten tryb awarii całkowicie bez monitorowania.

Brak nagrywania uderzeń lub wstrząsów

Gdy pojazd elektryczny bierze udział w kolizji, mechaniczna integralność akumulatora jest natychmiast kwestionowana. Obecne systemy zarządzania akumulatorami nie rejestrują obciążeń udarowych, jakich doświadczył akumulator. Inżynierowie, których zadaniem jest ocena stanu akumulatora po zdarzeniu, muszą polegać na oględzinach i, jeśli są dostępne, danych telemetrycznych pojazdu, z których żaden nie zapewnia wiarygodnego obrazu tego, czy wewnętrzna struktura akumulatora została naruszona. Bez tych danych opcje są ograniczone: złomowanie akumulatora lub zaakceptowanie nieznanego ryzyka.

Zagrożenia powodowane przez te luki

Każde z tych ograniczeń systemów zarządzania akumulatorami z osobna stanowi lukę w monitorowaniu. Łącznie stanowią one systemową lukę w architekturze bezpieczeństwa akumulatorów litowo-jonowych, która ma realne konsekwencje dla producentów pojazdów elektrycznych, operatorów flot, integratorów akumulatorów drugiego życia i użytkowników końcowych.

Przypadki niekontrolowanego wzrostu temperatury w pojazdach elektrycznych cieszą się nieproporcjonalnie dużym zainteresowaniem mediów w stosunku do ich statystycznej częstotliwości. Jednak wpływ tego zainteresowania na adopcję pojazdów elektrycznych jest wymierny. Każdy głośny pożar akumulatora zwiększa sceptycyzm opinii publicznej co do bezpieczeństwa pojazdów elektrycznych. Zdolność branży do wykazania, że zdarzenia termiczne są wykrywalne, zanim staną się katastrofalne i że istnieją dane umożliwiające odpowiednią reakcję, nie jest jedynie kwestią techniczną. Jest to kwestia handlowa i reputacyjna.

Dla rosnącego rynku akumulatorów drugiego życia luki są równie istotne. Akumulator EV przeznaczony do ponownego wykorzystania w stacjonarnym systemie magazynowania energii niesie ze sobą nieznaną historię. Bez szczegółowego zapisu wstrząsów, które zaabsorbował, warunków wilgotności, w których działał, oraz zdarzeń termicznych (nawet niewielkich), których mógł doświadczyć, profil ryzyka tej baterii jest w dużej mierze zgadywaniem. Powoduje to niezdecydowanie w całym łańcuchu dostaw i ogranicza ekonomiczną opłacalność cyrkularnych modeli baterii.

Zamykanie luk: Rola Cell Guard

Czujnik Cell Guard firmy Metis Engineering został opracowany specjalnie z myślą o monitorowaniu martwych punktów, które pozostawiają otwarte konwencjonalne systemy zarządzania akumulatorami. Zamiast zastępować system zarządzania baterią, Cell Guard działa obok niego, zapewniając dodatkową warstwę danych środowiskowych i fizycznych, których same pomiary napięcia i temperatury nie są w stanie dostarczyć.

Cell Guard to kompaktowy, oparty na sieci CAN czujnik przeznaczony do instalacji w pobliżu portu odpowietrzającego akumulatora lub obudowy magazynu energii. Z tej pozycji stale monitoruje lotne związki organiczne (VOC), ciśnienie bezwzględne, temperaturę powietrza, wilgotność względną, punkt rosy, a w rozszerzonej konfiguracji także stężenie wodoru. Opcjonalny trzyosiowy akcelerometr umożliwia rejestrowanie obciążeń udarowych do 24G, w tym wielkości i czasu trwania każdego uderzenia.

Każdy z tych parametrów bezpośrednio odnosi się do konkretnej luki w możliwościach konwencjonalnego systemu zarządzania akumulatorem. Wykrywanie VOC zapewnia najwcześniejsze możliwe ostrzeżenie o odpowietrzeniu ogniwa, wyzwalając alarm, gdy można jeszcze zapobiec niekontrolowanemu wzrostowi temperatury. Monitorowanie wilgotności i punktu rosy sygnalizuje wnikanie wilgoci i ryzyko kondensacji, na które narażone są pakiety chłodzone cieczą. Dane dotyczące wstrząsów zapewniają weryfikowalny zapis naprężeń mechanicznych, których doświadczył pakiet, informacje, które są bezcenne dla oceny po incydencie, odsprzedaży baterii i decyzji o zmianie przeznaczenia.

Cell Guard wykrył zdarzenie ucieczki termicznej w czasie poniżej 60 sekund w niezależnych testach i dostarczył dane ostrzegawcze umożliwiające podjęcie działań ponad siedem minut wcześniej niż konkurencyjne technologie czujników wykorzystujące wyłącznie wykrywanie wodoru.

Ta niezależna walidacja, przeprowadzona przez Sandia National Laboratories i opublikowana w Journal of the Electrochemical Society, potwierdza to, co Metis Engineering zaprojektował Cell Guard, aby wykazać, że wykrywanie LZO jest znacznie skuteczniejszą metodą wczesnego ostrzegania niż wykrywanie wodoru, właśnie dlatego, że LZO są emitowane podczas fazy odpowietrzania ogniwa przed wytworzeniem wodoru i na długo przed osiągnięciem przez temperaturę progu katastrofalnej awarii.

Cell Guard został również zaprojektowany z myślą o praktycznej integracji. Jego konfigurowalna prędkość i adres magistrali CAN, złącze Molex Nano-Fit i kompaktowa obudowa pozwalają na instalację w nowych zestawach akumulatorów lub modernizację istniejących architektur bez zakłócania konstrukcji zestawu lub przepływu powietrza. Działa w trybie monitorowania o niskim poborze mocy, przesyłając dane na magistralę CAN tylko wtedy, gdy zostanie przekroczony wstępnie ustawiony próg, minimalizując pobór pasożytniczy, zapewniając jednocześnie, że alerty są generowane bez opóźnień, gdy mają znaczenie.

Aplikacje w całym cyklu życia baterii

Przypadki użycia Cell Guard obejmują cały cykl życia akumulatora, od pierwszej instalacji do wdrożenia w drugim cyklu życia. W pojazdach elektrycznych, w tym samochodach osobowych, autobusach komercyjnych, samolotach eVTOL, statkach morskich i platformach mikromobilności, Cell Guard zapewnia funkcję wczesnego ostrzegania, która umożliwia bezpieczną ewakuację i kontrolowane wyłączenie systemu przed wystąpieniem niekontrolowanego wzrostu temperatury.

W stacjonarnych systemach magazynowania energii, zarówno w skali sieciowej, komercyjnej, jak i mieszkaniowej, Cell Guard zapewnia ciągły nadzór środowiskowy w instalacjach o zmiennej temperaturze, gdzie konsekwencje niewykrytej wilgoci lub nagromadzenia gazu są równie poważne.

Dla rynku baterii drugiego życia, dane z akcelerometru i zapisy środowiskowe, które Cell Guard gromadzi przez cały okres eksploatacji baterii, są bezpośrednio związane z wyłaniającą się koncepcją paszportu baterii, identyfikowalnym, weryfikowalnym zapisem stanu baterii, który stanowi podstawę pewnych decyzji dotyczących zmiany przeznaczenia i odsprzedaży. Firma Allye Energy, która integruje ponownie wykorzystane zestawy akumulatorów EV z systemami magazynowania energii na skalę sieciową, wdrożyła Cell Guard z akcelerometrem właśnie w celu spełnienia tego wymogu.

Cell Guard jest testowany i certyfikowany zgodnie z normami ISO Automotive, w tym ISO7637-2, ISO16750-2 i ISO16750-4, i jest montowany w Wielkiej Brytanii w warunkach jakościowych certyfikowanych przez ISO9001. Jest on obecnie wdrażany w aplikacjach ASIL B w wielu programach OEM i Tier 1.

Pełniejszy obraz stanu baterii

Systemy zarządzania akumulatorami są nieodzowną częścią architektury bezpieczeństwa pojazdów elektrycznych i ESS. Jednak założenie, że sam system zarządzania akumulatorem jest wystarczający do ochrony zestawu akumulatorów litowo-jonowych przed wszystkimi możliwymi do przewidzenia trybami awarii, nie jest już możliwe do utrzymania, biorąc pod uwagę to, co wiemy o tym, jak postępuje niekontrolowany wzrost temperatury, jak rozwijają się uszkodzenia spowodowane wilgocią i jak naprężenia mechaniczne kumulują się przez cały okres eksploatacji akumulatora.

Cell Guard nie zastępuje systemu zarządzania baterią. Jest to warstwa uzupełniająca, która wypełnia luki, których systemy zarządzania akumulatorami nie są w stanie rozwiązać, zapewniając inżynierom, operatorom flot i integratorom systemów dane potrzebne do wcześniejszego wykrywania problemów, szybszego reagowania i podejmowania bardziej świadomych decyzji dotyczących stanu baterii od momentu wyprodukowania do końca okresu eksploatacji.

Dla organizacji zajmujących się inżynierią lub obsługą systemów akumulatorów litowo-jonowych pytanie nie brzmi już, czy dodatkowe monitorowanie jest konieczne. Chodzi o to, które parametry monitorować i jak najskuteczniej zintegrować tę funkcję z istniejącą architekturą systemu. Cell Guard odpowiada na oba pytania.

Dowiedz się więcej

Aby dowiedzieć się więcej o Cell Guard lub poprosić o próbkę produktu, odwiedź stronę Cell Guard - Metis Engineering lub skontaktować się z zespołem Metis Engineering pod adresem info@metisengineering.com