Batteriemanagementsystem (bms) für Elektrofahrzeuge

Am 7. ^th Januar 2013 wurde eine Boeing 787 Flug für die Wartung geparkt, während, dass ein Mechaniker beachteten Flammen und Rauch aus der Auxiliary Power Unit (Lithium - Akku) des Fluges kommen, die an der Macht der elektronischen Flugsysteme verwendet wird. Anstrengungen wurden unternommen, um die Feuer beiseite zu legen, aber 10 Tage später vor diesem Problem behoben, am 16. werden kann ^th Januar in einem 787 Flug eines anderer Batterieausfall von All Nippon Airways, die verursachten eine Notlandung auf dem japanischen Flughafen betrieben aufgetreten. Diese beiden häufigen katastrophalen Batterieausfälle führten dazu, dass der Flug der Boeing 787 Dreamliner auf unbestimmte Zeit eingestellt wurde, was den Ruf des Herstellers trübte und enorme finanzielle Verluste verursachte.

Nach einer Reihe gemeinsamer Untersuchungen zwischen den USA und Japanern durchlief das Lithium-Batteriepaket B-787 einen CT-Scan und ergab, dass eine der acht Li-Ionen-Zellen beschädigt war und einen Kurzschluss verursachte, der ein thermisches Durchgehen mit Feuer auslöste. Dieser Vorfall hätte leicht vermieden werden können, wenn das Batteriemanagementsystem des Li-Ionen-Akkus so ausgelegt wäre, dass Kurzschlüsse erkannt / verhindert werden. Nach einigen Konstruktionsänderungen und Sicherheitsbestimmungen begann die B-787 wieder zu fliegen, aber der Vorfall bleibt ein Beweis dafür, wie gefährlich Lithiumbatterien werden können, wenn sie nicht richtig gehandhabt werden.

15 Jahre später haben wir heute Elektroautos mit denselben Li-Ionen-Batterien, die zu Hunderten, wenn nicht Tausenden zusammengepackt sind. Diese massiven Akkus mit einer Nennspannung von ca. 300 V sitzen im Auto und liefern während des Betriebs bis zu 300 A (grobe Zahlen) Strom. Jedes Missgeschick hier würde zu einer großen Katastrophe führen, weshalb das Batteriemanagementsystem in Elektrofahrzeugen immer betont wird. In diesem Artikel erfahren Sie mehr über dieses Batteriemanagementsystem (BMS) und erläutern dessen Design und Funktionen, um es besser zu verstehen. Da die Batterien und das BMS eng miteinander verbunden sind, wird dringend empfohlen, unsere vorherigen Artikel über Elektrofahrzeuge und die Batterien von Elektrofahrzeugen zu lesen.

Warum brauchen wir ein Batteriemanagementsystem (BMS)?

Die Lithium-Ionen-Batterien haben sich aufgrund ihrer hohen Ladungsdichte und ihres geringen Gewichts als die Batterie von Interesse für Hersteller von Elektrofahrzeugen erwiesen. Obwohl diese Batterien aufgrund ihrer Größe viel Schlagkraft haben, sind sie von Natur aus sehr instabil. Es ist sehr wichtig, dass diese Batterien unter keinen Umständen überladen oder entladen werden, was die Überwachung von Spannung und Strom erforderlich macht. Dieser Prozess wird etwas schwieriger, da viele Zellen zu einem Batteriepack in EV zusammengesetzt sind und jede Zelle einzeln auf ihre Sicherheit und ihren effizienten Betrieb überwacht werden sollte, was ein spezielles System namens Batteriemanagementsystem erfordert. Um die maximale Effizienz eines Akkus zu erzielen, sollten wir alle Zellen gleichzeitig vollständig mit derselben Spannung laden und entladen, was wiederum ein BMS erfordert. Abgesehen davon ist das BMS für viele andere Funktionen verantwortlich, die nachstehend erörtert werden.

Überlegungen zum Design des Batteriemanagementsystems (BMS)

Beim Entwurf eines BMS sind viele Faktoren zu berücksichtigen. Die vollständigen Überlegungen hängen von der genauen Endanwendung ab, in der das BMS verwendet wird. Abgesehen von EVs werden BMS auch überall dort eingesetzt, wo es sich um einen Lithiumbatteriesatz handelt, z. B. ein Solarpanel-Array, Windmühlen, Wände usw. Unabhängig von der Anwendung sollte ein BMS-Design alle oder viele der folgenden Faktoren berücksichtigen.

Entladekontrolle: Die Hauptfunktion eines BMS besteht darin, die Lithiumzellen im sicheren Betriebsbereich zu halten. Beispielsweise hat eine typische Lithium 18650-Zelle eine Unterspannungsnennleistung von etwa 3 V. Es liegt in der Verantwortung des BMS, sicherzustellen, dass keine der Zellen in der Packung unter 3 V entladen wird.

Ladesteuerung: Neben dem Entladen sollte der Ladevorgang auch vom BMS überwacht werden. Die meisten Batterien neigen dazu, beschädigt zu werden oder ihre Lebensdauer zu verkürzen, wenn sie nicht ordnungsgemäß aufgeladen werden. Für das Lithium-Ladegerät wird ein zweistufiges Ladegerät verwendet. Die erste Stufe wird als Konstantstrom (CC) bezeichnet, während der das Ladegerät einen Konstantstrom zum Laden des Akkus ausgibt. Wenn die Batterie fast voll ist, wird die zweite Stufe als Konstantspannung (CV) bezeichnet.Es wird eine Stufe verwendet, in der der Batterie eine konstante Spannung mit einem sehr geringen Strom zugeführt wird. Das BMS sollte sicherstellen, dass sowohl die Spannung als auch der Strom während des Ladevorgangs die durchlässigen Grenzwerte nicht überschreiten, um die Batterien nicht zu überladen oder schnell zu laden. Die maximal zulässige Ladespannung und den Ladestrom finden Sie im Datenblatt der Batterie.

Bestimmung des Ladezustands (SOC): Sie können sich den SOC als Kraftstoffindikator für den EV vorstellen. Es gibt tatsächlich die Batteriekapazität des Packs in Prozent an. Genau wie in unserem Handy. Aber es ist nicht so einfach, wie es sich anhört. Die Spannung und der Lade- / Entladestrom des Packs sollten immer überwacht werden, um die Kapazität der Batterie vorherzusagen. Sobald die Spannung und der Strom gemessen sind, gibt es viele Algorithmen, mit denen der Ladezustand des Akkus berechnet werden kann. Die am häufigsten verwendete Methode ist die Coulomb-Zählmethode. Wir werden später in diesem Artikel mehr darüber diskutieren. Das Messen der Werte und das Berechnen des SOC liegt ebenfalls in der Verantwortung eines BMS.

Bestimmung des Gesundheitszustands (SOC): Die Kapazität der Batterie hängt nicht nur von ihrem Spannungs- und Stromprofil ab, sondern auch von ihrem Alter und ihrer Betriebstemperatur. Die SOH-Messung gibt Auskunft über das Alter und den erwarteten Lebenszyklus der Batterie basierend auf ihrer Nutzungshistorie. Auf diese Weise können wir wissen, um wie viel sich die Laufleistung (zurückgelegte Strecke nach vollständiger Aufladung) des Elektrofahrzeugs mit zunehmendem Alter der Batterie verringert, und wir können auch wissen, wann der Akku ausgetauscht werden sollte. Der SOH sollte auch vom BMS berechnet und verfolgt werden.

Zellausgleich: Eine weitere wichtige Funktion eines BMS ist die Aufrechterhaltung des Zellausgleichs. Beispielsweise sollte in einer Packung mit 4 in Reihe geschalteten Zellen die Spannung aller vier Zellen immer gleich sein. Wenn eine Zelle weniger oder Hochspannung als die andere hat, wirkt sich dies auf die gesamte Packung aus, z. B. wenn eine Zelle bei 3,5 V liegt, während die anderen drei bei 4 V liegen. Während des Ladens erreichen diese drei Zellen 4,2 V, während die andere gerade 3,7 V erreicht hätte. In ähnlicher Weise ist diese Zelle die erste, die sich vor den anderen drei auf 3 V entlädt. Auf diese Weise können aufgrund dieser einzelnen Zelle nicht alle anderen Zellen in der Packung optimal genutzt werden, wodurch die Effizienz beeinträchtigt wird.

Um dieses Problem zu lösen, muss das BMS einen sogenannten Zellausgleich implementieren. Es gibt viele Arten von Zellausgleichstechniken, aber die am häufigsten verwendeten sind die aktiven und passiven Zellausgleichstechniken. Beim passiven Ausgleich besteht die Idee darin, dass die Zellen mit Überspannung durch einen lastähnlichen Widerstand zur Entladung gezwungen werden, um den Spannungswert der anderen Zellen zu erreichen. Während des aktiven Ausgleichs werden die stärkeren Zellen verwendet, um die schwächeren Zellen aufzuladen, um ihre Potentiale auszugleichen. Wir werden später in einem anderen Artikel mehr über den Zellausgleich erfahren.

Wärmekontrolle: Die Lebensdauer und Effizienz eines Lithium-Akkus hängt stark von der Betriebstemperatur ab. Der Akku entlädt sich in heißen Klimazonen im Vergleich zu normalen Raumtemperaturen schneller. Hinzu kommt, dass der Verbrauch von Hochstrom die Temperatur weiter erhöhen würde. Dies erfordert ein thermisches System (meistens Öl) in einem Akkupack. Dieses thermische System sollte nur in der Lage sein, die Temperatur zu senken, aber bei Bedarf auch in kalten Klimazonen die Temperatur erhöhen können. Das BMS ist dafür verantwortlich, die Temperatur der einzelnen Zellen zu messen und das thermische System entsprechend zu steuern, um die Gesamttemperatur des Akkus aufrechtzuerhalten.

Stromversorgung über die Batterie selbst: Die einzige im EV verfügbare Stromquelle ist die Batterie selbst. Ein BMS sollte daher so ausgelegt sein, dass es mit derselben Batterie betrieben wird, die es schützen und warten soll. Dies mag einfach klingen, erhöht jedoch die Schwierigkeit beim Entwurf des BMS.

Weniger ideale Leistung: Ein BMS sollte aktiv sein und laufen, auch wenn das Auto läuft oder aufgeladen wird oder sich im idealen Modus befindet. Dadurch wird die BMS-Schaltung kontinuierlich mit Strom versorgt, und daher muss das BMS sehr viel weniger Strom verbrauchen, um die Batterie nicht stark zu entladen. Wenn ein Elektrofahrzeug wochen- oder monatelang ungeladen bleibt, neigen das BMS und andere Schaltkreise dazu, die Batterie von selbst zu entladen, und müssen möglicherweise vor dem nächsten Gebrauch angekurbelt oder aufgeladen werden. Dieses Problem tritt auch bei beliebten Autos wie Tesla immer noch auf.

Galvanische Trennung: Das BMS fungiert als Brücke zwischen dem Akkupack und der ECU des EV. Alle vom BMS gesammelten Informationen müssen an das Steuergerät gesendet werden, damit sie im Kombiinstrument oder auf dem Armaturenbrett angezeigt werden können. Daher sollten das BMS und das Steuergerät am meisten über das Standardprotokoll wie CAN-Kommunikation oder LIN-Bus kontinuierlich kommunizieren. Das BMS-Design sollte in der Lage sein, eine galvanische Trennung zwischen dem Batteriepack und der ECU bereitzustellen.

Datenprotokollierung: Es ist wichtig, dass das BMS über eine große Speicherbank verfügt, da es viele Daten speichern muss. Werte wie der SOH des Gesundheitszustands können nur berechnet werden, wenn der Ladeverlauf des Akkus bekannt ist. Das BMS muss daher die Ladezyklen und die Ladezeit des Akkus ab dem Installationsdatum verfolgen und diese Daten bei Bedarf unterbrechen. Dies hilft auch bei der Bereitstellung eines Kundendienstes oder bei der Analyse eines Problems mit dem Elektrofahrzeug für die Ingenieure.

Genauigkeit: Wenn eine Zelle geladen oder entladen wird, steigt oder sinkt die Spannung an ihr allmählich. Leider hat die Entladungskurve (Spannung gegen Zeit) einer Lithiumbatterie flache Bereiche, daher ist die Spannungsänderung sehr gering. Diese Änderung muss genau gemessen werden, um den SOC-Wert zu berechnen oder um ihn für den Zellausgleich zu verwenden. Ein gut konzipiertes BMS kann eine Genauigkeit von bis zu ± 0,2 mV aufweisen, sollte jedoch eine Genauigkeit von mindestens 1 mV bis 2 mV aufweisen. Normalerweise wird dabei ein 16-Bit-ADC verwendet.

Verarbeitungsgeschwindigkeit: Das BMS eines Elektrofahrzeugs muss viel Zahlen eingeben, um den Wert von SOC, SOH usw. zu berechnen. Es gibt viele Algorithmen, um dies zu tun, und einige verwenden sogar maschinelles Lernen, um die Aufgabe zu erledigen. Dies macht das BMS zu einem verarbeitungshungrigen Gerät. Abgesehen davon muss es auch die Zellenspannung über Hunderte von Zellen messen und die subtilen Änderungen fast sofort bemerken.

Bausteine ​​eines BMS

Es gibt viele verschiedene Arten von BMS auf dem Markt. Sie können entweder eine selbst entwerfen oder sogar den integrierten IC kaufen, der sofort verfügbar ist. Aus Sicht der Hardwarestruktur gibt es je nach Topologie nur drei Arten von BMS: zentrales BMS, verteiltes BMS und modulares BMS. Die Funktion dieser BMS ist jedoch alle ähnlich. Ein generisches Batteriemanagementsystem ist unten dargestellt.

BMS-Datenerfassung

Lassen Sie uns den obigen Funktionsblock von Grund auf analysieren. Die Hauptfunktion des BMS besteht darin, die Batterie zu überwachen, für die drei wichtige Parameter wie Spannung, Strom und Temperatur von jeder Zelle im Batteriepack gemessen werden müssen. Wir wissen, dass Batteriepacks gebildet werden, indem viele Zellen in Reihe oder parallel geschaltet werden, so wie der Tesla 8.256 Zellen hat, in denen 96 Zellen in Reihe geschaltet sind und 86 parallel geschaltet sind, um eine Packung zu bilden. Wenn ein Satz von Zellen in Reihe geschaltet ist, müssen wir die Spannung an jeder Zelle messen, aber der Strom für den gesamten Satz ist gleich, da der Strom in einer Reihenschaltung gleich ist. In ähnlicher Weise müssen wir, wenn ein Satz von Zellen parallel geschaltet ist, nur die gesamte Spannung messen, da die Spannung über jeder Zelle gleich ist, wenn sie parallel geschaltet wird. Das folgende Bild zeigt eine Reihe von Zellen, die in Reihe geschaltet sind. Sie können feststellen, dass die Spannung und Temperatur für einzelne Zellen gemessen werden und der Packstrom als Ganzes gemessen wird.

"Wie misst man die Zellenspannung in BMS?"

Da bei einem typischen Elektrofahrzeug eine große Anzahl von Zellen miteinander verbunden ist, ist es etwas schwierig, die individuelle Zellenspannung eines Akkus zu messen. Aber nur wenn wir die individuelle Zellenspannung kennen, können wir einen Zellausgleich durchführen und Zellschutz bieten. Zum Ablesen des Spannungswertes einer Zelle wird ein ADC verwendet. Die Komplexität ist jedoch hoch, da die Batterien in Reihe geschaltet sind. Das heißt, die Klemmen, an denen die Spannung gemessen wird, müssen jedes Mal geändert werden. Es gibt viele Möglichkeiten, dies zu tun, einschließlich Relais, Muxes usw. Abgesehen davon gibt es auch einige Batteriemanagement-ICs wie MAX14920, mit denen einzelne Zellenspannungen mehrerer in Reihe geschalteter Zellen (12-16) gemessen werden können.

"Wie misst man die Zelltemperatur für BMS?"

Abgesehen von der Zelltemperatur muss das BMS manchmal auch die Bustemperatur und die Motortemperatur messen, da alles mit einem hohen Strom arbeitet. Das gebräuchlichste Element zur Messung der Temperatur ist ein NTC, der für Negative Temperature Co-Coefficient (NTC) steht. Es ähnelt einem Widerstand, ändert (verringert) jedoch seinen Widerstand basierend auf der Temperatur um ihn herum. Durch Messen der Spannung an diesem Gerät und unter Verwendung eines einfachen Ohmschen Gesetzes können wir den Widerstand und damit die Temperatur berechnen.

Multiplexed Analog Front End (AFE) zur Messung von Zellenspannung und -temperatur

Das Messen der Zellenspannung kann komplex werden, da es eine hohe Genauigkeit erfordert und außerdem Schaltgeräusche von Mux einspeisen kann. Abgesehen davon ist jede Zelle über einen Schalter zum Zellenausgleich mit einem Widerstand verbunden. Um diese Probleme zu lösen, wird ein AFE - Analog Front End IC verwendet. Ein AFE verfügt über ein eingebautes Mux-, Puffer- und ADC-Modul mit hoher Genauigkeit. Es könnte leicht die Spannung und Temperatur im Gleichtakt messen und die Informationen an den Hauptmikrocontroller übertragen.

"Wie wird der Packstrom für BMS gemessen?"

Der EV-Akku kann einen hohen Stromwert von bis zu 250 A oder sogar einen hohen Wert erzeugen. Außerdem müssen wir den Strom jedes Moduls im Akku messen, um sicherzustellen, dass die Last gleichmäßig verteilt ist. Bei der Auslegung des Stromerfassungselements müssen wir auch eine Isolierung zwischen Mess- und Erfassungsgerät sicherstellen. Die am häufigsten verwendete Methode zur Stromerfassung ist die Shunt-Methode und die Hall-Sensor-basierte Methode. Beide Methoden haben ihre Vor- und Nachteile. Frühere Shunt-Methoden wurden als weniger genau angesehen, aber mit der jüngsten Verfügbarkeit hochpräziser Shunts mit isolierten Verstärkern und Modulatoren sind sie bevorzugter als die auf Hallsensoren basierende Methode.

Schätzung des Batteriezustands

Die Hauptrechenleistung eines BMS dient zur Schätzung des Batteriezustands. Dies beinhaltet die Messung von SOC und SOH. Der SOC kann anhand der Zellenspannung, des Stroms, des Ladeprofils und des Entladeprofils berechnet werden. Der SOH kann anhand der Anzahl der Ladezyklen und der Leistung des Akkus berechnet werden.

"Wie misst man den Ladezustand einer Batterie?"

Es gibt viele Algorithmen zum Messen des Ladezustands einer Batterie, von denen jeder seine eigenen Eingabewerte hat. Die am häufigsten verwendete Methode für SOC ist die Coulomb-Zählmethode, auch bekannt als Buchhaltungsmethode. Wir werden diskutieren