Functional Safety in Battery Management Systems for Lithium-based Batteries

• DIRECTORES: Igor Villareal, Maitane Garmendia y José Antonio Cortajarena (UPV/EHU).
• UNIVERSIDAD: UPV/EHU

RESUMEN

Los sistemas de almacenamiento energético de baterías basadas en litio son una de las tecnologías más importantes para la transición energética y la descarbonización de los sectores energético y de movilidad urbana. Las baterías de litio son acumuladores químicos con una densidad energética y energía específica superior a otras tecnologías de almacenamiento. Su mayor inconveniente es que son seguras siempre y cuando se utilicen dentro de un área de operación segura. Para ello, los Sistemas de Gestión de Baterías se encargan de monitorizarlas y protegerlas. Sin embargo, numerosos accidentes donde las baterías han acabado incendiándose han demostrado que las técnicas convencionales de diseño de Sistemas de Gestión de Baterías no son suficientemente efectivas. Estos desafortunados eventos han llamado la atención de agentes de estandarización y certificación, fabricantes, desarrolladores y usuarios finales, presentando un gran impacto socioeconómico. De este modo, se ha hecho evidente la necesidad de medidas adicionales para un uso seguro de la tecnología.
En esta tesis se presenta una metodología de diseño de Sistemas de Gestión de Baterías para baterías basadas en litio fundamentada en técnicas de seguridad funcional. Una metodología de diseño de Sistemas de Gestión de Baterías proporciona un marco para el desarrollo de funciones automáticas de seguridad con una tasa de fallos controlada. La metodología desarrollada está basada en la metodología de diseño en V y es compatible con las normativas de seguridad IEC 61508 e ISO 26262.
Siguiendo la metodología propuesta, se han analizado los riesgos y los peligros de las baterías de litio-ion. A partir del análisis se han definido las funciones de seguridad relevantes para la operación de baterías, así como las medidas necesarias para controlar los riesgos. En este contexto, se ha desarrollado un concepto de seguridad de un Sistema de Gestión de Baterías para aplicaciones de automoción. El concepto de seguridad engloba requisitos funcionales, no funcionales y de seguridad del Sistema de Gestión de Baterías, una arquitectura de los subsistemas que lo componen un análisis de los fallos más importantes y las correspondientes medidas y diagnósticos para evitarlos. Adicionalmente, se ha desarrollado el hardware de la unidad esclava mejorada del Sistema de Gestión de Baterías. La unidad esclava del Sistema de Gestión de Baterías desarrollada cumple con un nivel de integridad de seguridad ASIL C de acuerdo con la normativa ISO 26262. En el diseño, se han propuesto los requisitos hardware principales y una arquitectura de detalle para integrar las funcionalidades de medida y todos los diagnósticos de una forma segura. Finalmente, se han propuesto una estrategia de ensayos de verificación y un Análisis Modal de Fallos, Efectos y Diagnósticos para comprobar la correcta integración de las funciones de seguridad y el cumplimiento de los requisitos de tasas de fallo y métricas de seguridad.