Abstrakt
Dieser Artikel konzentriert sich auf die Hardwareaspekte von Batteriemanagementsystemen (BMS) in Elektrofahrzeugen und stationären Anwendungen. Der Zweck besteht darin, die Konzepte bestehender fortschrittlicher Systeme zu skizzieren und es den Lesern zu ermöglichen, die Faktoren zu verstehen, die beim Entwurf von BMS für bestimmte Anwendungen berücksichtigt werden müssen. Nach einer kurzen Analyse der allgemeinen Anforderungen wurden mehrere mögliche topologische Strukturen von Batteriepacks und deren Auswirkungen auf die BMS-Komplexität untersucht. Am Beispiel von vier Batteriepaketen, die aus handelsüblichen Elektrofahrzeugen ausgewählt wurden, wird die Erklärung erläutert. Anschließend wurden die Umsetzungsaspekte der Messung der benötigten physikalischen Größen (Spannung, Strom, Temperatur etc.) sowie Bilanzierungsfragen und -strategien besprochen. Abschließend wurden Sicherheitsaspekte und Zuverlässigkeitsaspekte besprochen.
1. Einführung
Die Komplexität von Batteriemanagementsystemen (BMS) hängt von der Anwendung ab. Eine einzelne Batterie, so einfach wie die eines Mobiltelefons oder E-Book-Readers, kann mit einem einfachen „Batteriemessgerät“-IC gemessen werden, der Spannung, Temperatur und Strom messen und den Ladezustand (SOC) schätzen kann. So komplex wie Elektrofahrzeuge, muss BMS komplexere Aufgaben erledigen. Neben der Messung grundlegender Parameter wie Batteriespannung, -temperatur und -strom sind auch fortschrittliche Algorithmen erforderlich, um die verfügbare Energie für die Berechnung der Reichweite zu ermitteln.
Diese Arbeit konzentriert sich auf den Hardwareaspekt von Lithium-Ionen-Batteriemanagementsystemen. Teil 2 stellt die Hardwareanforderungen für BMS vor, einschließlich Messwerte, elektromagnetische Störungen, elektrische Isolierung, Schütze und Redundanz. Abschnitt 3 bietet einen Überblick über die BMS-Topologie, verdeutlicht die Unterschiede zwischen einfachen und komplexen Anwendungen und liefert ein Beispiel für einen Batteriesatz für ein Elektrofahrzeug. Abschnitt 4 erläutert, wie die Anforderungen der physikalischen Wertmessung erfüllt werden und welche häufigen Fallstricke auftreten. In Abschnitt 5 geht es um den Ausgleich, es werden Methoden zum Ladungsausgleich vorgestellt und verglichen. Abschnitt 6 konzentriert sich auf Sicherheit und Zuverlässigkeit, einschließlich der Risiken und Gegenmaßnahmen beim Betrieb von Hochspannungsbatteriepaketen, und stellt kurz Isolationsmessmethoden und zugehörige Normen vor.
2. Designanforderungen für das Batteriemanagementsystem (BMS)
Der Entwurf eines BMS ist eine komplexe Aufgabe, die die Berücksichtigung spezifischer Anwendungsanforderungen, der Systemumgebung und der Eigenschaften der verwendeten Batterien erfordert, woraus eine Reihe von Systemanforderungen abgeleitet werden können. Im Allgemeinen sind folgende BMS-Komponenten und Funktionsanforderungen relevant:
Temperaturerfassung
Sensorauswahl und -platzierung:Eine genaue Temperaturerfassung ist beim Entwurf eines BMS schwierig und es müssen die Art des Sensors (digital oder analog) und der Ort zur Messung der Batteriepacktemperatur berücksichtigt werden, was die Anzahl der Batterietemperatursensoren bestimmt. Manchmal ist es notwendig, die Temperatur von Schützen, Sicherungen oder Sammelschienen zu erfassen. Normalerweise gibt es ein bestimmtes Verhältnis von Kanälen zwischen Temperatursensoren und Spannungssensoren.
Temperaturanforderungen für verschiedene Anwendungsszenarien:Bei den Temperaturanforderungen müssen drei Situationen berücksichtigt werden: Laden, Entladen und Speichern, wobei auch die thermische Zeitkonstante berücksichtigt werden muss. Lithium-Ionen-Batterien können außerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs nicht richtig funktionieren und bei hohen Stromstärken innerhalb des normalen Temperaturbereichs kann es zu einer Lithiumplattierung kommen. Daher ist es notwendig, Temperatur, Spannung und Strom genau zu erfassen. Die Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit von Batterien werden durch Faktoren wie die Batteriestruktur beeinflusst, und eine unsachgemäße Platzierung von Temperatursensoren kann zu Fehlmessungen und thermischen toten Winkeln führen.
Spannungserfassung
Erfassungskanal und Genauigkeit:Klassische BMS auf Basis von Lithium-Ionen-Batterien erfordern mindestens einen Spannungserfassungskanal für jede in Reihe geschaltete Batterie, und einige Automobilanwendungen verfügen auch über einen Sekundärschutz (erreicht durch einen programmierbaren Fensterkomparator). Die Umwandlungsrate der Spannungserfassungsdaten variiert je nach Anwendung, und häufig verwendete BMS-Frontend-Chips weisen eine bestimmte Spannungsgenauigkeit und Auflösung auf.
Die Auswirkung auf die SOC-Schätzung:Am Beispiel von NMC- und LFP-Batterien wird gezeigt, dass die Genauigkeit der Spannungserfassung einen erheblichen Einfluss auf die SOC-Schätzung hat. Je höher die Genauigkeit, desto genauer ist die SOC-Schätzung, und es reicht möglicherweise nicht aus, nur Spannungsdaten zur Bestimmung des SOC zu verwenden.
Abbildung 1. Der Vergleich der SOC-Unsicherheit hängt von der Spannungsgenauigkeit von ± 1 mV ab.
Aktuelle Sammlung
Erfassungsmethode und Sensoreigenschaften:Der Ladezustand kann nicht nur durch Messung der Leerlaufspannung (OCV) bestimmt werden, sondern auch durch die Verwendung der Coulomb-Zählmethode (Messung des Stroms und Integration). Stromsensoren weisen jedoch nicht ideale Eigenschaften wie Drift, Offset und Temperaturfehler auf und müssen möglicherweise gleichzeitig unterschiedliche Messbereichsanforderungen erfüllen und über eine bestimmte Bandbreite verfügen.
In praktischen Anwendungen ist es ungenau, sich zur Bestimmung des Ladezustands ausschließlich auf die Coulomb-Zählung zu verlassen, insbesondere unter Bedingungen niedriger Ströme. Um dieses Problem zu lösen, ist es möglich, Algorithmen und parametrisierte Modelle zu kombinieren, um aktuelle Daten zu verarbeiten. Dies würde jedoch den Rahmen dieses Artikels sprengen.
Kommunikationsanforderungen
Kommunikation innerhalb des Systems:BMS muss mit dem gesamten System (z. B. Leistungselektronik, Energiemanagement oder Fahrzeugsteuergeräten) kommunizieren und dabei Faktoren wie Kommunikationsmodus, Geschwindigkeit, Robustheit und Zuverlässigkeit berücksichtigen. Beispielsweise müssen in Fahrzeugen möglicherweise CAN-Schnittstellen für die Systemkommunikation bereitgestellt werden, und verschiedene Anwendungen haben möglicherweise bereits Kommunikationsanforderungen auf Systemebene festgelegt, an die sich das BMS anpassen muss.
Kommunikation zwischen Modulen:Für modulare Systeme ist es notwendig, die Kommunikationsmethode zwischen Master- und Slave-Modulen zu definieren, die den Grundanforderungen für die Kommunikation zwischen Systemen ähnelt. Konkrete Beispiele finden Sie in den folgenden Kapiteln.
Schutz vor elektromagnetischen Störungen (EMI).
Die Auswirkungen von EMI auf Sensoren:EMI kann die Datenerfassung von Sensoren beeinträchtigen, und alle Sensoren sind anfällig für ihren Einfluss, was zu leichten Verzerrungen oder völliger Nutzlosigkeit der Daten führen kann.
Maßnahmen zur Reduzierung der Auswirkungen von EMI:Um die Auswirkungen zu minimieren, sollten Motoren, Leistungselektronikkomponenten und andere Lasten über ein gutes EMI-Design verfügen und geeignete EMI-Filtergeräte wie Gleichtaktdrosseln und Blockkondensatoren können verwendet und in der Nähe des Sensormesspfads installiert werden.
Anforderungen an Schütze
Funktion und Anforderungen an Schütze:Die meisten Batteriepacks erfordern die Möglichkeit, mindestens eine Elektrode elektrisch zu trennen, wofür ein geeigneter Schütz erforderlich ist. Aufgrund der besonderen Art der Gleichstromunterbrechung und Lichtbogenlöschung müssen Schütze über magnetische Lichtbogenlöschvorrichtungen verfügen und Kontaktschweißungen vermeiden.
Sicherheitsmaßnahmen im Betrieb:Um die Sicherheit zu gewährleisten, ist während des Betriebs des Schützschalters eine spezielle Schaltung (z. B. eine Vorladeeinheit bestehend aus einem in Reihe geschalteten Schütz und einem Widerstand) erforderlich, um sicherzustellen, dass zwischen den beiden Enden kein Potenzialunterschied besteht und gefährliche Situationen vermieden werden.
Redundanzanforderungen
Die Rolle der Redundanz für die Systemzuverlässigkeit:Gemäß der Norm ISO 26262 kann Redundanz die Systemzuverlässigkeit verbessern. Die Batteriespannung wird in der Regel gewissermaßen redundant beobachtet, und zwar mit zwei Methoden: der präzisen Messung durch den Hauptchip und der binären Information durch den Hilfschip.
Übergeordnetes Redundanzkonzept:Auch in der übergeordneten Verarbeitung gibt es Redundanzkonzepte, etwa Lockstepping, Speicherfehlerkorrektur und Selbsttestmechanismen in speziellen CPUs.
Anforderungen an die elektrische Isolierung
Isolierung des Akkupacks:Der Batteriesatz ist normalerweise in Hochspannungs- und Niederspannungsteile unterteilt, die eine elektrische Isolierung erfordern und durch optische, induktive oder kapazitive Methoden erreicht werden können.
Isolierung des thermischen Sensors:Alle Wärmesensoren müssen außerdem elektrisch isoliert sein, um Hochspannungsfehler zu vermeiden, die sich auf Niederspannungsteile auswirken, ähnlich dem Konzept des IT-Netzwerklayouts für die Stromverteilung.
Balance-Anforderungen
Die Auswirkungen eines Ladungsungleichgewichts:Zwischen in Reihe geschalteten Batterien kann es zu einem Ladungsungleichgewicht kommen, das sich auf die Systemleistung und -zuverlässigkeit auswirken kann. Daher ist es im Allgemeinen erforderlich, das Ladungsungleichgewicht auf einem niedrigen Niveau zu halten.
Besondere Anwendungshinweise:Bei unterschiedlichen Anwendungen können besondere Überlegungen gelten, wie z. B. Gewichtsbeschränkungen oder Ladestromanforderungen, die zur Erzeugung von Ausgleichsstrom führen können. In Abschnitt 5 werden die Notwendigkeit und Umsetzungsmethoden des Ausgleichs näher erläutert.
Andere Anforderungen
Anwendungsbezogene Anforderungen:Die Anwendung kann auch einige andere Anforderungen haben, wie z. B. Platz, Kosten, mechanische Festigkeit der Hardware, Gewicht und Stromverbrauch, die nicht im Mittelpunkt dieses Artikels stehen, aber berücksichtigt werden müssen.
3. Topologiestruktur des BMS
Übersicht über den Aufbau des Batteriesystems:Um die elektrischen Spezifikationen des Systems zu erfüllen, müssen Batterien häufig zu Batteriepaketen mit mehreren Anschlusstopologien zusammengefasst werden. Durch Reihenschaltung kann ein bestimmter Spannungsbereich erreicht und der Strom reduziert werden; Eine Parallelschaltung kann die Kapazität erhöhen. In der praktischen Anwendung gibt es unterschiedliche Varianten, beispielsweise die Parallelschaltung von Batterien kleinerer Kapazität zu Modulen und Reihenschaltung oder die direkte Verwendung von Batterien großer Kapazität in Reihenschaltung. Unterschiedliche Topologien haben unterschiedliche Auswirkungen auf die Komplexität des BMS, beispielsweise die erhöhten Kosten für Überwachung und Ausgleich, wenn mehrere in Reihe geschaltete Batterien parallel geschaltet werden.
Abbildung 2. Schematische Darstellung verschiedener Batteriepack-Topologien: (a) Einzelzelle; (b) Parallelschaltung zweier Batterien; (c) Reihenschaltung von drei Batterien; (d) Parallelschaltung von zwei Reihen- und drei Reihenbatterien; (e) Eine Reihenschaltung von drei Modulen bestehend aus zwei parallelen Batterien.
Tabelle 1. Die Eigenschaften topologischer Varianten sind in Abbildung 2 dargestellt.
Geben Sie ein Beispiel an, um die Batterieverbindungsmethode und die Anforderungen an die Spannungsmesskanäle zu veranschaulichen: Beispielsweise erfordert die Kombination aus in Reihe geschalteten m-Batterien und n parallel geschalteten Batterien eine unterschiedliche Anzahl von Spannungsmesskanälen für unterschiedliche Verbindungsmethoden.
Sonderfallbesprechung:Bei einigen speziellen Anwendungen (z. B. der Marssonde und der Rosetta-Sonde der Europäischen Weltraumorganisation) ist die Überwachung und Ausbalancierung einzelner Zellen aufgrund von Faktoren wie Größe, Gewicht und Stromverbrauch möglicherweise nicht möglich. Obwohl einige Meinungen darauf hindeuten, dass eine sorgfältige Auswahl von Batterien aus derselben Charge dazu führen kann, dass die Überwachung entfällt, haben Untersuchungen gezeigt, dass selbst Batterien aus derselben Charge ein unterschiedliches Alterungsverhalten aufweisen können und das Unterlassen der Überwachung Risiken bergen kann. Bei kleinen Systemen und Batteriespannungen innerhalb eines bestimmten Bereichs können die Auswirkungen des Weglassens der Überwachung jedoch relativ gering sein.
Bezogen auf integrierte Schaltkreise (IC).
IC mit grundlegender Überwachungsfunktion:Um die grundlegende Überwachungsfunktion des batteriesicheren Betriebs zu erreichen, bieten Halbleiterhersteller verschiedene anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise (ASICs) an. Für kleine elektronische Geräte mit Einzelzellen gibt es einen „Kraftstoffanzeige“-IC, der Spannung, Strom und Temperatur überwachen, den Ladezustand schätzen und möglicherweise auch Funktionen wie Laderegler umfassen kann. Zum Beispiel „bq27220“ von TI und verwandte ICs von Maxim.
IC für Systeme mit hohem Leistungs- und Energiebedarf
Modularisierung und Funktionszuordnung:Für Anwendungen mit hohem Leistungs- und/oder Energiebedarf besteht ein Batteriepack aus mehreren Batterien, und der entsprechende IC kann mehrere Batterien gleichzeitig überwachen und Ausgleichsfunktionen bereitstellen. Es gibt ein zentrales Modul (BMS Master) im System, das für komplexe Funktionen wie SOC-Schätzung und Leistungsvorhersagealgorithmen verantwortlich ist; Das Front-End-IC-Modul (BMS-Slaves) ist für Grundfunktionen wie Signalerfassung und Filterung verantwortlich.
Abbildung 3. Typische BMS-Struktur für Elektrofahrzeuganwendungen.
Verschiedene IC-Beispiele und Auswuchtmethoden:Beispielsweise bieten bq76PL536A, MAX11068 und LT6802G-2 von TI passives Balancing, während der AS8506C von AMS für die passive Balancing-Topologie verwendet werden kann und auch aktive Balancing-Funktionen bietet. Für einige ICs gibt es Nachfolgeprodukte. Um die Zuverlässigkeit der Spannungsüberwachung zu verbessern, können sekundäre Schutz-ICs verwendet werden. Obwohl ein vollständig redundantes BMS die Zuverlässigkeit verbessern kann, sind die Kosten hoch.
Kommunikation und Datenübertragung
Front-End-IC-Verbindungsmethode:Front-End-ICs können normalerweise über eine Daisy-Chain verbunden werden, und verschiedene ICs verfügen über unterschiedliche Schnittstellenmethoden. MAX11068 ist über den I2C-Port angeschlossen, der bq76PL536A von TI bietet mehrere Schnittstellen und LT6802G-2 ist über den SPI-Bus angeschlossen (erfordert einen zusätzlichen digitalen Isolator).
Systemkommunikationsmethode:In dem System werden normalerweise kostengünstige Mikrocontroller verwendet, um ICs auf derselben Leiterplatte zu verbinden, und Module auf anderen Leiterplatten und BMS-Hauptmodulen werden über einen Feldbus (z. B. CAN) verbunden.
Tatsächlicher Fall
Mitsubishi i-MiEV:Die Batterie besteht aus mehreren durch Schrauben verbundenen Modulen mit 88 prismatischen Batterien. Die Leiterplatte des Moduls enthält Überwachungs-ICs und Temperatursensoren, und das Batteriepackgehäuse enthält mehrere Komponenten. Das BMS-Hauptmodul befindet sich unter den Rücksitzen des Fahrzeugs und kommuniziert über einen internen CAN-Bus. Im Vergleich zu anderen Batterien ist der Innenraum geräumiger, was möglicherweise ein Nebeneffekt der Luftkühlung ist.
Abbildung 4. (a) Mitsubishi i-MiEV-Akku; (b) Volkswagen e-Up-Batteriepaket; (c) Smart fortwo Electric Drive-Batteriepaket. Hinweis: Die Skalierungsmethoden sind unterschiedlich.
Abbildung 5. (a) Draufsicht auf das Batteriemodul des Tesla Model S; (b) Volkswagen e-Up Batteriemodul, 6s2p-Modul, Draufsicht.
Smart Fortwo Electric Edition:Die Batterie besteht aus 90 in Reihe geschalteten Beutelbatterien mit einem Kühlsystem, und grundlegende Überwachungsaufgaben werden vom IC von TI übernommen, ähnlich dem bq76PL536A. Jede Leiterplatte enthält mehrere Überwachungs-ICs und Mikrocontroller, und das BMS-Hauptmodul befindet sich mit hoher Integration und wenigen Kabeln im Batteriegehäuse.
Volkswagen e-Up:Die Batterie enthält mehrere Reihenmodule, kein Kühlsystem oder Service-Trennvorrichtung, ein zentrales BMS-Modul, verbunden mit der Batterie und dem Mess-IC (MAX11068) über eine große Anzahl von Spannungsmessleitungen, mit einer großen Anzahl symmetrischer Widerstände und einem Mikrocontroller ohne Konvertierung Signale.
Tesla Model S:Die Batterie besteht aus einer großen Anzahl von 18650-Batterien, die in mehrere Module unterteilt und über Bonddrähte verbunden sind. Das BMS wird mit dem bq76PL536A-Q1 von TI überwacht und die Spannung wird über Schweißdrähte gemessen. Im Vergleich zu anderen Batterien unterscheidet sich der Integrationsgrad, beispielsweise der niedrige Integrationsgrad des Volkswagen e-Up und der hohe Integrationsgrad des Smart Fortwo.
4. Überblick über die Messtechnik von HV-Batteriesystemen
Die Bedeutung der Messtechnik:Messtechnik ist ein zentraler Bestandteil von Batteriemanagementsystemen, die Zustandsgrößen wie SOC, SOH, SOF etc. ermitteln können. Sie misst in der Regel Größen wie Batteriespannung, Gesamtspannung, Gesamtstrom und Temperatur von Batteriesystemen. Diese Zustandsgrößen können das Batteriesystem vor Schäden wie Überladung oder Tiefentladung schützen und die Auslastung des Batteriesystems optimieren.
Sensoranforderungen:Bestimmen Sie typische Anforderungen an Sensoren basierend auf Batteriespeicheranwendungen, einschließlich Kosten, Bandbreite, Genauigkeit, Messbereich und Größe, wie in Abschnitt 2 beschrieben.
Aktuelle Messung
Klassifizierung der Messmethode:Aktuelle Erfassungsgeräte sind in zwei grundlegende Sensortechnologien unterteilt: elektrische Verbindung und Isolierung. Die häufig verwendete Shunt-Widerstandsstrommessung gehört zum elektrischen Verbindungstyp, und der Hall-Sensor ist ein Beispiel für den Isolationstyp.
Neben der Sensorik muss auch die Position im Akkupack berücksichtigt werden. Bei Batteriesystemen mit mehreren schaltbaren Strings sollte jeder String mit einem Stromüberwachungsgerät ausgestattet sein, um Leistungsungleichgewichte zu verfolgen.
Messung des Shunt-Widerstands
Messprinzip und Eigenschaften:Durch die Kombination von niedrigem Widerstand, hochpräzisem Widerstand und hochpräzisem Spannungsmesssystem wird der Strom gemessen. Der Widerstand befindet sich auf dem Strompfad und es kommt zu Leistungsverlust und Temperaturanstieg, wenn der Strom durchfließt. Bei der Auswahl eines Widerstands müssen die Verluste und die Notwendigkeit, einen geeigneten Spannungsabfall zu erzeugen, ausgeglichen werden. Bei Messungen mit hoher Präzision sollten auch der Temperaturkoeffizient und die Langzeitstabilität des Widerstands berücksichtigt werden.
Diese Methode kann zur Messung von Gleich- und Wechselströmen verwendet werden und bietet die Vorteile der Einfachheit, Linearität und hohen Bandbreite. Allerdings ist der Messbereich durch die Genauigkeit der Spannungsmessung begrenzt.
Vergleich von Low-Side- und High-Side-Messungen
Die Low-Side-Messung bezieht sich auf den Widerstand zwischen dem Pluspol der Batterie und der Last. Sein Vorteil besteht darin, dass die Gleichtakteingangsspannung niedrig ist und eine große Anzahl von Strommessverstärkern verwendet werden kann. Die Schaltung ist einfach und kostengünstig, stört jedoch den Erdungspfad und kann die Überbrückung hoher Lastströme nicht erkennen.
Die High-Side-Messung bezieht sich auf den Widerstand, der zwischen der Last und dem Minuspol oder der Masse der Batterie liegt. Sein Vorteil besteht darin, dass Störungen des Erdungspfads vermieden und Kurzschlüsse erkannt werden können, es erfordert jedoch eine Pegelumwandlung des Verstärkerausgangs und erfordert, dass der Verstärker einer hohen Gleichtaktspannung standhält.
Kontaktlose Stromsensoren (Hall-Sensoren usw.)
Messprinzip und Vorteile:Nutzung des durch Strom erzeugten Magnetfelds zur Messung, beispielsweise bei Hall-Sensoren auf Basis des Hall-Effekts, ohne Erhöhung des Strompfadwiderstands, ohne zusätzliche Leitungsverluste, mit Vorteilen der elektrischen Isolation und ohne die Notwendigkeit zusätzlicher Optokoppler oder digitaler Isolatoren zur Signalaufbereitung.
Hall-Sensoren können als integrierte Schaltkreise erworben werden, die auf dem Strompfad platziert werden und deren Ausgang gefiltert werden muss. Es stehen auch komplette Module zur Verfügung, die aus Ferritringen mit Hall-Sensoren bestehen und eine galvanische Trennung ermöglichen.
Sensoreigenschaften und Einschränkungen:Der Hauptnachteil ist die begrenzte Bandbreite, die normalerweise mehrere zehn kHz nicht überschreitet, und die Temperaturdrift im Ausgangssignal, die kompensiert werden muss. Wenn das Batteriesystem eine höhere Bandbreite erfordert, sollte eine Shunt-Widerstandsmessung verwendet werden, und Hall-Sensoren sind teuer und sperrig.
Spannungsmessung
Unterscheidung der Akkuspannungsmessung:Bei Lithium-Ionen-Akkupacks muss zwischen der Messung der Spannung jedes Akkus und der Gesamtspannung des Akkupacks unterschieden werden. Die Spannungsbereiche der beiden sind unterschiedlich und die Summe aller Batteriespannungen sollte gleich der Gesamtspannung sein, die als Kriterium für die Rationalitätsbeurteilung verwendet werden kann.
Batteriespannungsmessung:in der Regel durch einen integrierten BMS-Frontend-Chip ergänzt. Die Anzahl der Batterien, die an auf dem Markt erhältliche Chips angeschlossen werden können, variiert, und auch Redundanz und Systemzuverlässigkeit können durch sekundäre Überwachungs-ICs verbessert werden.
Messung der Akkuspannung:Komplettiert durch eine separate Messeinheit, einschließlich Spannungsteiler, Impedanzwandler, Filter und Analog-Digital-Wandler (ADC). Der Spannungsteiler wird verwendet, um die Spannung des Batteriepacks auf einen geeigneten Bereich zu reduzieren, was möglicherweise mehrere Widerstände zur Gewährleistung der Sicherheit sowie eine Zenerdiode zum Schutz des nachfolgenden Stromkreises erfordert. Gleichzeitig werden Impedanzwandler, Filter und ADCs verwendet, um die gemessene Spannung zu erhalten.
Temperaturmessung
Gängige Typen und Prinzipien von Temperatursensoren:Zu den gängigen Temperatursensoren gehören Typen mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC) und positivem Temperaturkoeffizienten (PTC), die die Temperatur messen, indem sie den Spannungsabfall unter einem konstanten Strom messen. Ihr Widerstand variiert mit der Temperatur und kann innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs verwendet werden, es gibt jedoch nichtlineare Probleme.
Probleme und Lösungen beim Einsatz von Sensoren:Aufgrund der Nichtlinearität ist in der digitalen Verarbeitungskette eine Nachschlagetabelle erforderlich, um Temperaturberechnungen zu kalibrieren. Es gibt auch einige Sensoren, die digitale Schnittstellen verwenden, die bequemer zu verwenden sind, aber EMI-Probleme sollten beachtet werden, wenn sie in der Nähe von Hochleistungspfaden in Batteriepacks platziert werden. Andere Messmethoden wie Metall-PTC und Thermoelemente können eine höhere Genauigkeit und einen größeren Temperaturbereich bieten, erfordern jedoch eine höhere elektronische Komplexität.
Datenübertragung
Die Eigenschaften und Anwendungsszenarien verschiedener Kommunikationsbusse:Kommunikation ist zwischen BMS-Modulen und zwischen BMS und dem gesamten System erforderlich. Der CAN-Bus wird häufig in Fahrzeugumgebungen verwendet und bietet Flexibilität und Störfestigkeit. Der LIN-Bus ist relativ einfach, aber langsam, weist eine geringe Flexibilität auf und ist nicht differenziell, wodurch er für Szenarien mit hohen Kostenanforderungen geeignet ist. Andere Kommunikationsschnittstellen mit kurzer Reichweite wie SPI, I2C und OneWire-Bus sind nicht für die störungsanfällige Modul-zu-Modul-Kommunikation über große Entfernungen geeignet; Wenn die Geschwindigkeit des CAN-Busses nicht ausreicht oder eine deterministische Echtzeitfähigkeit erforderlich ist, können FlexRay-Bus oder Ethernet verwendet werden.
5. Batteriebilanz
Der Grund für den Unterschied im Batterie-SOC:Bei in Reihe geschalteten Batterien können Produktionsunterschiede sowie unterschiedliche Betriebs- und Umgebungsbedingungen (z. B. Temperatur) zu Ungleichmäßigkeiten zwischen den Batterien führen. Diese Faktoren können unterschiedliche Anfangsbedingungen, Alterung und Selbstentladungsraten verursachen, was zu Abweichungen bei SOC-, Kapazitäts- und Widerstandswerten führt. Dieser Abschnitt konzentriert sich hauptsächlich auf die Unterschiede im Ladezustand und in der Kapazität und bezieht sich nicht auf Unterschiede im Innenwiderstand. Untersuchungen haben gezeigt, dass selbst Batterien mit der gleichen anfänglichen Kapazität und Belastung nach der Verwendung Unterschiede in der Kapazität aufweisen. Beispielsweise haben 18650-Batterien mit derselben Anfangskapazität und einer Restkapazität von 80 % als End-of-Life-Standard eine Zyklenlebensdauer von 1000-1500. Gleichzeitig gibt es Unterschiede in der Selbstentladungsrate verschiedener Batterien, beispielsweise bei handelsüblichen Softpack-Batterien, die bei 40 °C gelagert werden und bei denen der Selbstentladungswiderstand zwischen 10 kΩ und 14 kΩ variiert.
Abbildung 6. (a) Gründe für unausgeglichene Batteriezellen, Zahlen basierend auf [57]; (b) Die Klassifizierung verschiedener Gleichgewichtsmethoden bezieht sich auf die Richtung der Energieübertragung als Name der gezeigten nicht dissipativen Methode.
Die Notwendigkeit des Gleichgewichts:Unterschiede im Ladezustand, der Kapazität und dem Innenwiderstand können zu einer Verringerung der verfügbaren Energie des Akkupacks führen, was durch eine Ausgleichsschaltung behoben werden kann.
Überblick über Bilanzierungsmethoden
Hardware-Implementierung:In der Literatur werden verschiedene Hardware-Implementierungsmethoden für Ausgleichsschaltungen beschrieben, die in verschiedene Topologiestrukturen, Steuerungsmethoden (z. B. Aktiv/Passiv) oder kommerzielle Verfügbarkeit eingeteilt werden können.
Auswuchtmethoden in kommerziellen Anwendungen:Die meisten kommerziellen Batteriepacks verwenden kontrollierte passive Ausgleichssysteme, die durch parallele Ausgleichswiderstände an beiden Enden der Batterie erreicht werden. Diese Methode kann das Problem der SOC-Variation nur mit einem kleinen Ausgleichsstrom (ca. 100 mA) und keiner Änderung der Batteriekapazität lösen, die durch die Energiedissipation des BMS oder den Kabeldurchmesser zwischen der Batterie und dem Überwachungsschaltkreis begrenzt sein kann. Jede Batterie oder Batterieparallelkombination verfügt über einen schaltbaren Ausgleichswiderstand mit einem Widerstandswert zwischen 30 Ω -40 Ω (bei einer Batteriespannung von 4,2 V) und jede Batterie verbraucht Strom zwischen 387 mW -430 mW.
Methoden zur Lösung verschiedener Kapazitätsprobleme:Um verschiedene Kapazitätsprobleme zu lösen, sind komplexere Methoden zur Umverteilung der Energie zwischen Batterien mithilfe der Leistungselektronik erforderlich. Allerdings erfordern diese Methoden komplexe Regelalgorithmen und teure Induktoren. Obwohl es verwandte BMS-IC-Produkte gibt, werden diese in kommerziellen Batteriepaketen für Kraftfahrzeuge nicht weit verbreitet eingesetzt.
6. Sicherheit ud Zuverlässigkeit
Das übergeordnete Ziel der Risikominderung:Eines der Hauptziele von BMS ist die Reduzierung der Risiken, die mit dem Betrieb von Lithium-Ionen-Batterien in Batteriepacks verbunden sind.
Abbildung 7. Ersatzschaltbild des Frontends zur Erfassung der Batteriespannung, das die Erkennbarkeit von Erfassungsleitungsfehlern demonstriert.
Spezifische Sicherheitsmaßnahmen
Hochspannungssicherheit:Die Hochspannungssicherheit des Akkupacks wird durch Isolationsüberwachung und Verriegelungsschaltungen gewährleistet, wodurch das Risiko von Lichtbögen durch Verschmutzung oder Kondensation verringert werden kann. Gleichzeitig sollte das BMS-Hardware-Design den relevanten Standards entsprechen, um die Kriechstrecke und den elektrischen Abstand der Leiterplatte und der Anschlüsse sicherzustellen.
Elektrische Trennung:Um eine galvanische Trennung von hoher Batteriespannung an Schnittstellen zu anderen Steuergeräten oder Hilfsstromquellen sicherzustellen, können Isolationsgeräte verwendet werden, die dem Standard „Enhanced Isolation“ entsprechen. Herkömmliche Optokoppler werden verwendet, aber jetzt haben „digitale Isolatoren“ eine bessere IC-Leistung.
Brandschutzmaßnahmen:Platzieren Sie Temperatursensoren im Akkupack und reagieren Sie auf kritische Temperaturen. Auch sensorlose Temperaturerkennungsmethoden (wie elektrochemische Impedanzspektroskopie) und neue Temperaturmessmethoden können zur Reduzierung der Brandgefahr eingesetzt werden.
Schütz und Sicherung:Verwenden Sie ein Schütz, um das Batteriepaket vom System zu trennen, und koordinieren Sie es gleichzeitig mit einer Sicherung. Berücksichtigen Sie bei der Auswahl der Sicherungen die Betriebseigenschaften beider und die Auswirkungen parasitärer Kapazitäten und Induktivitäten innerhalb des Batteriesatzes.
Interne Sicherheit von Batterien:BMS sollte sicherstellen, dass die Batterie innerhalb des angegebenen Temperaturbereichs geladen wird, und eine Lithiumplattierung bei niedrigen Temperaturen und eine Tiefentladung vor dem Betrieb vermeiden. Gleichzeitig können Diagnosealgorithmen zur Erkennung interner Kurzschlüsse eingesetzt werden.
Abbildung 8. Isolationsmessung: (a) Isolation in IT-Verbindungen; (b) Schematische Darstellung der Isolationsmessung.
Probleme im Zusammenhang mit dem BMS-Hardwaredesign
Erkennung von Sensorfehlern:Mit zunehmender Komplexität der BMS-Hardware- und Softwareimplementierung steigt die Wahrscheinlichkeit von Softwarefehlern und Sensorausfällen. Beispielsweise lassen sich Kabelfehler bei der Batteriespannungserkennung nicht einfach durch Spannungsmessung allein erkennen, können aber durch Batterieausgleichssysteme oder Stromquellenschaltungen erkannt werden.
Gültigkeitsprüfung des Sensors:Andere Fehler wie Sensordefekte können durch Diagnosealgorithmen erkannt werden und die Gültigkeit von Sensorsignalen kann anhand des elektrischen Verhaltens der Batterie überprüft werden.
Isolationsmessung
Bedeutung und Systemaufbau der Isolationsmessung:Das Hochvoltsystem von Elektro- oder teilelektrischen Fahrzeugen ist in der Regel als IT-Netzwerk aufgebaut und muss den ersten Fehler erkennen. Bei der Messung des Isolationswiderstands müssen die Kapazitäts- und Widerstandseigenschaften des Systems berücksichtigt werden, da die Kapazität die Messung beeinträchtigen kann.
Gängige Messmethoden:Zu den gängigen Methoden gehören die Messung des Gleichtaktstroms mithilfe einer Schleifenspule und die Berechnung des Isolationswiderstands durch Änderung des Potenzials zwischen dem System und dem Chassis über Schalter und Widerstände. Es werden auch andere einfachere oder komplexere Methoden vorgestellt.
Standards für Isolationsmessungen:Für die Isolationsmessung gelten einschlägige Standardspezifikationen für Messmethoden und Mindestanforderungen an den Isolationswiderstand. Unterschiedliche Standards weisen Unterschiede in den Messmethoden, Widerstandswerten und Messzeiten auf.
7. Zusammenfassung
Allgemeine Anforderungen und Designüberlegungen:In diesem Artikel werden allgemeine Konzepte der BMS-Hardware vorgestellt, beginnend mit allgemeinen Anforderungen und Überlegungen zur Implementierung. Der Designprozess sollte so viele Parameter wie möglich umfassen, die Anforderungen sollten jedoch entsprechend den Anforderungen des Zielgeräts festgelegt werden. Die Anforderungen verschiedener Anwendungen variieren stark und diese Anforderungen sind ein guter Ausgangspunkt für Überlegungen zum Batteriepack-Design.
BMS-Topologie:Die Struktur des Batteriesystems beeinflusst die BMS-Topologie, und einige Anwendungen verwenden spezielle Überwachungsmethoden, um Gewicht oder Komplexität zu reduzieren, wie beispielsweise die vier in Abschnitt 3.3 verglichenen Batterien für Nutzfahrzeuge für Elektrofahrzeuge, die aufgrund ihrer ähnlichen Anwendungen einige Gemeinsamkeiten aufweisen (z. B. die Verwendung von CAN-Kommunikation). ), unterscheiden sich jedoch in der Integration und der internen Kommunikation.
Physikalische Wertmessung:Abschnitt 4 bietet eine detaillierte Einführung in die Erhebungs- und Übermittlungsmethoden der erforderlichen physikalischen Werte. Unterschiedliche Messanforderungen erfordern die Auswahl unterschiedlicher Methoden basierend auf Anwendungsbeschränkungen und -anforderungen.
Gleichgewichtsproblem:Abschnitt 5 beschreibt die Gründe und Kompensationsmethoden für Ladungsungleichgewichte in Reihenbatterien, wobei der passive Ausgleich derzeit die am häufigsten verwendete Methode ist.
Sicherheit und Zuverlässigkeit:Abschnitt 6 bietet einen Überblick über Sicherheitsaspekte, einschließlich der Einhaltung der Batteriebetriebsbereiche, um die Lebensdauer sicherzustellen und Benutzer vor Gefahren durch Hochspannung zu schützen. Es stellt Standardmethoden zur Isolationsüberwachung vor und erwähnt die Notwendigkeit, beim Schutz von Batterien Risiken auf Systemebene zu berücksichtigen.