Mengatasi Kegagalan Sistem Manajemen Baterai: Mencegah Thermal Runaway pada Baterai Li-Ion
Memahami Thermal Runaway pada Baterai Li-Ion dan Bagaimana BMS Melindunginya
Baterai Li-ion dianggap aman saat dioperasikan dalam parameter yang terkontrol dengan baik. Namun tidak ada BMS atau proses manufaktur yang sempurna. Dengan merancang desain BMS yang lebih tangguh, kita dapat melawan fisika inherent teknologi Li-ion dan meningkatkan keamanan untuk aplikasi kritis.
Artikel ini melanjutkan perkenalan kami sebelumnya tentang BMS, mengeksplorasi mode kegagalan potensial dan strategi untuk memitigasi mereka. Kami juga menampilkan komponen BMS emerging yang akan mendukung teknologi baterai generasi berikutnya.
Thermal Runaway dalam Sistem Manajemen Baterai
Thermal runaway adalah mode kegagalan yang dikenal dalam sistem daya dan erat kaitannya dengan bahaya kebakaran. Dalam malfungsi BMS, ia dapat dipicu oleh kesalahan hardware atau bug firmware. Misalnya, jika perintah stop dalam cell balancer dilupakan, sel dapat terus meledak di luar batas aman. Bahkan jika sistem mendeteksi anomali dan meledakkan sekring, sel masih dapat over-discharged, mengakibatkan degradasi separator dan pembentukan internal short circuit selama upaya pengisian berikutnya.
Gambar 1. Pembentukan internal copper shorts akibat over-discharge. Gambar kredit Xuning Feng
Short ini pada awalnya mungkin menunjukkan resistensi tinggi yang menjaga tegangan eksternal di atas level nominal sambil menarik arus self-discharge yang besar—sering tidak terlihat oleh sensor arus atau monitor tegangan eksternal. Panas internal yang dihasilkan meningkatkan suhu sel di atas 60 °C, menyebabkan sel meledak dan menyala. Panas kemudian menyebar ke sel tetangga, memicu reaksi rantai yang dapat menyebabkan kegagalan katastrofik.
Gambar 2. Paket baterai energi tinggi yang terbakar dari Chevrolet Volt 2011. Gambar dari Chevrolet Volt Battery Incident Overview Report
Mitigasi Kegagalan
Salah satu solusi tangguh untuk bug yang tidak terduga adalah inklusi watchdog eksternal yang memantau microcontroller unit (MCU) untuk kesalahan fatal, seperti diilustrasikan dalam Gambar 3.
Gambar 3. Diagram blok BMS umum dengan implementasi watchdog MCU
Jika MCU operasional tetapi perintah tidak sengaja dihilangkan, cell monitor dapat menerapkan mekanisme watchdog, seperti ditunjukkan dalam Gambar 4.
Gambar 4. Diagram blok BMS dengan implementasi watchdog lengkap
Dalam kasus jarang—seperti latch-up yang disebabkan oleh interferensi elektromagnetik (EMI) atau radiasi—watchdog yang dirancang untuk mengeluarkan siklus daya penuh daripada reset logika sederhana dapat menjadi penyelamat. Arsitektur ini kurang umum tetapi memberikan lapisan perlindungan tambahan.
Solusi Tambahan untuk Memitigasi Kegagalan BMS
Seiring meningkatnya kepadatan energi dan permintaan daya, toleransi margin untuk sel baterai menyusut. Akibatnya, estimasi state-of-charge yang lebih presisi diperlukan, dengan impedance sel memerankan peran kunci.
Pengukuran impedance real-time secara langsung sangat berharga. Panasonic, misalnya, telah melahirkan teknik stimulasi AC lokal yang memantau impedance elektrokimia tanpa perlu referensi tegangan tanpa beban atau kalibrasi ekstensif. Metode lain ada, tetapi sering memerlukan pengaturan yang lebih kompleks.
FRAM (Ferroelectric RAM) adalah teknologi menjanjikan lainnya. Karena FRAM mempertahankan data setelah siklus daya, ia dapat menyimpan dengan aman sampel terakhir Coulomb counter yang valid, mengurangi risiko kehilangan data selama reset tiba-tiba.
Pada akhirnya, kimia sel itu sendiri yang menentukan margin keamanan. Di luar Li-ion, kimia seperti Li-S, Li-FeS₂, dan varian solid-state sedang dieksplorasi untuk meningkatkan keamanan dan performa lebih lanjut.
Jika Anda ingin mengetahui lebih dalam tentang desain sistem baterai atau memiliki pertanyaan tertentu, silakan tinggalkan komentar di bawah.
