Batteristyringssystem

En elbils batteristyringssystem (BMS) er det elektronik- og softwarelag, som holder drivbatteriet inden for de tilladte driftsgrænser ved at måle pakken, beregne forhold, der ikke kan registreres direkte, og styre forbindelsen til bilen. Det sender grænser for opladning, regenerativ bremsning og motoreffekt til laderen, inverteren og det termiske styringssystem, som udfører energiomdannelsen og temperaturstyringen.

Hvad BMS'et måler, beregner og styrer

Et højspændingsbatteri kan indeholde hundredvis eller tusindvis af fysiske celler. Parallelforbundne celler har samme terminalspænding, så BMS'et overvåger normalt hver parallelgruppe som ét spændingspunkt. En pakke, der eksempelvis beskrives som 108s4p, har generelt 108 overvågede seriegruppespændinger og ikke 432 uafhængige målinger af cellespænding.

De vigtigste direkte målinger omfatter typisk:

Spændingen i hver overvåget cellegruppe
Pakkens samlede spænding og spændinger ved vigtige punkter omkring kontaktorerne
Strøm ind i eller ud af pakken
Temperaturer ved udvalgte celler, moduler, køleplader, samleskinner og elektriske komponenter
Elektrisk isolation mellem højspændingssystemet og bilens chassis
Status for højspændingsinterlock, kontaktorer, sikring og forladningskredsløb

Pakkespændingen alene er ikke tilstrækkelig. To cellegrupper kan afvige i hver sin retning, mens deres samlede spænding stadig ser normal ud. Gruppen med højest spænding kan afslutte en opladning, og gruppen med lavest spænding kan begrænse afladningen, selv når pakkegennemsnittet ser acceptabelt ud.

Flere af de værdier, som førere og serviceværktøjer bruger, er ikke direkte sensoraflæsninger. BMS'et beregner dem ud fra spænding, strøm, temperatur, tid, batterimodeller og lagret historik. Beregningerne omfatter:

Ladetilstand (SOC)
Energitilstand (SOE)
Effekttilstand (SOP)
Sundhedstilstand (SOH)
Brugbar kapacitet og intern modstand
Maksimalt tilladt lade- og afladestrøm

BMS'et handler derefter ud fra disse oplysninger. Det kan betjene pakkens kontaktorer og balanceringskredsløb, styre forladningssekvensen, anmode om opvarmning eller køling og sende grænser for lade-, aflade- og regenerationseffekt til andre styreenheder. BMS-platforme til biler kombinerer derfor celleovervågning, måling af spænding og strøm på pakkeniveau, isolationsovervågning, kontaktorstyring og funktioner til højspændingsinterlock. (Texas Instruments)

Sådan er BMS-udstyret organiseret

Et moderne BMS er fordelt gennem batteriet og findes ikke på ét enkelt printkort. Komponentbetegnelserne varierer, men mange systemer fordeler arbejdet mellem celleovervågningsenheder, en central batteristyreenhed og en batterisamledåse. NXP's 800-volt-referencearkitektur bruger betegnelserne CMU, BMU og BJB for disse tre lag. (NXP)

Celleovervågningsenheder

En Cell-Monitoring Unit (CMU) sidder tæt på en gruppe celler eller moduler. Dens analoge front-end-kredsløb måler cellegruppespændinger og indgange fra temperatursensorer. De kan også udføre passiv balancering og overvåge forbindelser eller andre lokale sensorer.

Flere CMU'er kan forbindes i en isoleret daisy chain, en ring, CAN FD eller et andet kommunikationsnetværk til biler. Målingerne skal nå pålideligt frem trods elektrisk støj og store spændingsforskelle mellem pakkens sektioner.

Batteristyringsenhed

Battery-Management Unit (BMU) er den centrale styreenhed. Den indsamler målingerne, kontrollerer at de er troværdige, udfører algoritmer til tilstandsberegning, beregner driftsgrænser, lagrer diagnoseoplysninger og udveksler data med bilens styreenhed, laderen, inverteren og temperaturstyreenheden.

Batterisamledåse

Battery Junction Box (BJB) indeholder måleudstyr på pakkeniveau og koblingsudstyr til høj strøm. Afhængigt af konstruktionen kan den indeholde:

Positive og negative hovedkontaktorer
En forladningskontaktor og -modstand
Sensorer til pakkestrøm og højspænding
Hovedsikringen og, hvis monteret, en pyroteknisk afbryder
Udstyr til isolationsovervågning
Højspændingsforbindelser til inverteren, ladesystemet og andre belastninger

Ved at sammenligne spændinger på batteri- og bilsiden af kontaktorerne kan styreenheden kontrollere, om den beordrede kobling faktisk fandt sted. Strøm- og spændingsmålinger kræver også præcis tidsmæssig synkronisering, fordi de bruges sammen til beregning af effekt, modstand, SOC og SOH. (Texas Instruments)

Kablet og trådløs kommunikation

De fleste batteripakker bruger kablet kommunikation mellem overvågningsenhederne. Redundante eller ringbaserede forbindelser kan lade meddelelser tage en anden vej, hvis én forbindelse svigter.

Et trådløst BMS erstatter en del af det interne signalkabelnet med et specialudviklet radionetværk. Det kan reducere antallet af stik, kabelføringen og kompleksiteten i samlingen, men fjerner ikke celleovervågningselektronik, forbindelser til spændingsmåling, temperatursensorer, balanceringskredsløb, strømforsyninger, diagnosticering eller behovet for pålidelig og sikker kommunikation. Trådløst BMS-udstyr til biler forbinder celleovervågningsenhederne med den centrale BMS-styreenhed. Det er ikke en trådløs forbindelse til selve battericellerne. (Analog Devices)

Tilslutning af højspændingsbatteriet

Når en elbil slukkes, bliver cellerne eller de interne samleskinner ikke spændingsfri. I stedet afbryder store, elektrisk betjente kontakter, der kaldes kontaktorer, normalt batteriets udvendige positive og negative terminaler fra resten af bilen.

Før kontaktorerne lukkes, kontrollerer BMS'et relevante cellespændinger og -temperaturer, isolationsmodstand, interlockstatus, kommunikation og lagrede fejl. Derefter udfører det forladning.

Inverteren, den indbyggede lader, DC-DC-omformeren og anden højspændingselektronik indeholder kondensatorer. Hvis en uopladet kondensator forbindes direkte til batteriet, opstår en stor indkoblingsstrøm, som kan danne gruber i eller svejse kontaktorfladerne og belaste kabler, stik og sikringer. Et traditionelt forladningskredsløb forbinder først bilens højspændingsbus gennem en modstand. Når busspændingen er steget tilstrækkelig tæt på pakkespændingen, kan hovedkontaktorerne lukkes og omgå modstanden. (Texas Instruments)

En forenklet startsekvens er:

Det elektriske lavspændingssystem vækker BMS'et og de øvrige nødvendige styreenheder.
BMS'et kontrollerer de overvågede forhold i batteriet og højspændingssystemet.
Forladningsvejen og den nødvendige hovedkontaktor lukkes.
Den udvendige højspændingsbus oplades gennem forladningsmodstanden.
BMS'et sammenligner pakkespændingen med spændingen på den anden side af kontaktorerne.
Når forskellen er inden for det tilladte område, lukkes den resterende hovedkontaktor, og forladningsvejen åbnes.

Den præcise koblingsrækkefølge varierer med konstruktionen. Formålet er altid at etablere højspændingsforbindelsen uden ukontrolleret indkoblingsstrøm.

Isolationsovervågning og højspændingsinterlock

Drivkredsløbet er normalt isoleret fra bilens karrosseri. En isolationsovervågning måler den elektriske modstand mellem højspændingssystemet og chassiset. Reduceret isolation kan skyldes beskadiget isolering, indtrængende vand eller kølemiddel, forurening, et stikproblem eller en fejl i batteriet, inverteren, motoren, laderen eller højspændingskablerne.

High-Voltage Interlock Loop (HVIL) er et separat lavspændingsovervågningskredsløb, der føres gennem udvalgte højspændingsstik, dæksler og komponenter. En afbrudt sløjfe fortæller bilen, at en del af højspændingssystemet kan være frakoblet eller åbent. Afhængigt af tilstanden kan bilen stoppe opladningen, åbne kontaktorerne eller forhindre dem i at lukke.

Det er også derfor, et svagt 12-volt- eller 48-volt-batteri kan immobilisere en elbil, hvis drivbatteri stadig indeholder rigeligt med energi. BMS'et, styreelektronikken og kontaktorspolerne kræver lavspændingsstrøm, før højspændingsbatteriet kan forbindes til bilen.

Beregning af ladning, energi, effekt og sundhed

Batteriprocent, resterende energi, tilgængelig effekt og batterisundhed besvarer forskellige spørgsmål. Meget af forvirringen om batteridiagnosticering opstår, når de behandles som én værdi.

Ladetilstand

Ladetilstand (SOC) er det beregnede ladeniveau inden for batteriets definerede driftsområde. Den procentdel, føreren ser, svarer normalt til det brugbare område og ikke cellernes fulde elektrokemiske område. Der kan være reserveret kapacitet over viste 100% og under viste 0%, som forklaret i Batteribuffer og brugbar kapacitet.

SOC kan ikke måles med en enkelt sensor. BMS'et kombinerer flere metoder:

Coulomb-tælling integrerer strøm over tid for at registrere ladning ind i og ud af batteriet.
Spændingsbaseret korrektion sammenligner målt eller modelleret tomgangsspænding med kemispecifikke referencedata.
Batterimodeller forudsiger spændingsreaktionen ved hjælp af SOC, strøm, temperatur, modstand, nyere historik og ældningsrelaterede parametre.
Observatøralgoritmer, herunder varianter af Kalman-filtre, sammenligner modellens forudsigelser med målingerne og korrigerer beregningen.

Coulomb-tælling reagerer straks på energistrømmen, men en lille forskydning i strømsensoren vokser til en større fejl over tid. Spændingen giver en reference, men terminalspændingen ændrer sig også med belastning, temperatur, modstand, hysterese og tiden siden opladning eller afladning. Produktionsalgoritmer kombinerer derfor målinger og modeller frem for kun at stole på én metode. (Analog Devices)

SOC-beregning er særlig krævende for LFP-celler gennem midten af deres driftsområde, fordi kurven for tomgangsspænding er forholdsvis flad og påvirkes af hysterese. En lille spændingsfejl kan svare til en langt større SOC-fejl end i en stejl del af kurven. Præcis beregning for LFP afhænger derfor i høj grad af nøjagtig strømmåling, en kemispecifik model, temperaturkompensation og muligheder for at korrigere beregningen ved informative driftspunkter. (ACS Energy Letters)

Den viste procentdel filtreres normalt, så den ikke springer, hver gang beregningen ændrer sig lidt. Den kan stadig blive korrigeret efter lang tids hvile, en næsten fuld opladning, en dyb afladning, en stor temperaturændring eller nyindlærte kapacitetsdata. Energi er ikke pludselig opstået eller forsvundet. Beregningen er blevet genkalibreret.

Energitilstand

Energitilstand (SOE) beregner den resterende brugbare energi, normalt i kWh. Den er relateret til SOC, men afhænger også af brugbar kapacitet, spænding, temperatur, tab og afladningsforholdene.

To pakker på 50% SOC har ikke nødvendigvis samme resterende energi. Selv den samme pakke kan gøre mindre energi umiddelbart tilgængelig, når den er meget kold. Bilens forudsagte rækkevidde tilføjer faktorer uden for BMS'et, herunder nyligt forbrug, hastighed, rute, vejr og kabinens energiforbrug.

Effekttilstand

Effekttilstand (SOP) er den beregnede effekt, som batteriet kan modtage eller levere uden at overskride grænserne for spænding, strøm, SOC og temperatur over et defineret tidsrum. Lade- og afladegrænser beregnes separat, og en kortvarig spidsgrænse kan være langt højere end en vedvarende grænse.

Beregningen tager højde for den forudsagte reaktion i de begrænsende cellegrupper og ikke kun pakkegennemsnittet. SOC, temperatur, modstand, afstand til cellespændingsgrænsen, varighed og pakkens strømgrænser har alle betydning. Batterimodeller til effekt beregner derfor forskellige maksimale værdier for opladning og afladning over en angivet forudsigelsesperiode. (MathWorks)

Sundhedstilstand

Sundhedstilstand (SOH) beskriver, hvordan batteriets egenskaber har ændret sig i forhold til en referencetilstand, normalt da det var nyt. Der findes ikke én universel definition af SOH.

En kapacitetsbaseret SOH sammenligner den aktuelle brugbare kapacitet med den valgte reference for et nyt batteri. En effektbaseret vurdering ser på modstand og evnen til at oplade eller aflade med den krævede hastighed. En komplet sundhedsmodel kan også bruge celleubalance, selvafladning, energiomsætning, temperaturpåvirkning, fejlhistorik og kalenderalder.

Et batteri kan bevare størstedelen af sin energikapacitet, men miste noget spidseffekt, når modstanden stiger. Et andet kan miste målbar kapacitet og stadig opfylde alle bilens ydelseskrav. Derfor kan SOH-procenter fra forskellige producenter, diagnoseprogrammer og garantiprocedurer ikke automatisk sammenlignes. Målemetoderne og de langsigtede virkninger beskrives i Batteridegradering.

Sådan styrer BMS'et opladning og kørsel

BMS'et beregner løbende de maksimalt tilladte lade- og afladegrænser. Andre styreenheder skal holde deres anmodninger inden for disse grænser.

Under DC-lynladning sender bilen batteriets tilladte spænding og strøm til ladestationen. Stationen kan være i stand til at levere mere effekt, end batteriet anmoder om. BMS'et kan sænke anmodningen på grund af:

Høj spænding i en cellegruppe
Lav eller høj batteritemperatur
Høj SOC
Øget modstand
Celleubalance
Utilstrækkelig køling
En sensor- eller kommunikationsfejl

Hvis én gruppe når sin øvre spændingsgrænse, kan ladestrømmen blive tvunget til at aftage, selv når pakkens gennemsnitlige SOC ser ud til at efterlade plads. Den komplette ladekurve afhænger også af laderens spændings- og strømgrænser, bilens omformningsudstyr og producentens ladestrategi. Disse sammenhænge beskrives i Batteriopladning og ladeydelse.

Afladegrænsen fungerer modsat. Ved lav SOC, ekstrem temperatur eller høj modstand kan gruppen med lavest spænding nærme sig sin nedre grænse under belastning. BMS'et reducerer derefter den effekt, der er tilgængelig for inverteren. Det kan medføre reduceret acceleration eller en advarsel om lav effekt, selv om motorerne i sig selv kunne levere mere.

Regenerativ bremsning er en opladning. Et næsten fuldt, koldt, varmt eller ubalanceret batteri eller et batteri, der af andre årsager er ladebegrænset, kan ikke modtage hele den ønskede regenerative effekt. Bremsestyreenheden reducerer derefter motorregenerationen og leverer den resterende deceleration med friktionsbremserne.

Temperaturgrænserne er lige så vigtige. BMS'et fortolker batterisensorerne og anmoder om opvarmning eller køling. Pumper, ventiler, blæsere, varmelegemer, kølemiddelkredsløb og andet termisk udstyr udfører arbejdet. Et batteri, der er varmt nok til normal kørsel, kan stadig være for koldt til maksimal lynladeeffekt. Systemkonstruktionen og strategierne for temperaturforberedelse forklares i Termisk styring af batteriet.

Beskyttelse, fejlhåndtering og funktionel sikkerhed

BMS'et har til formål at holde hver overvåget del af batteriet inden for et tilladt driftsområde. Det holder øje med overspænding, underspænding, for høj strøm, uegnet temperatur, unormal temperaturspredning, tab af isolation, afbrudt HVIL, celleubalance, uoverensstemmelser mellem sensorer, kontaktorfejl og mistet kommunikation.

Beskyttelsen foregår normalt i trin og ikke som en øjeblikkelig afbrydelse:

Registrer en diagnosehændelse, eller øg overvågningen.
Anmod om opvarmning eller køling.
Reducer regenerations-, lade- eller motoreffekt.
Stop opladningen, eller beordr inverteren til at fjerne belastningen.
Advar føreren.
Åbn kontaktorerne, eller forhindre højspændingssystemet i at blive tilsluttet igen.

Hvis kontaktorerne åbnes, mens der løber stor strøm, kan det skabe sin egen elektriske belastning. Når forholdene tillader det, reducerer bilen først strømmen og afbryder derefter. Øjeblikkelig isolation er forbeholdt fejl, hvor det er mere risikabelt at forblive tilsluttet.

BMS'et skal også registrere fejl i egne sensorer, kommunikation og koblingsudstyr. Det kan sammenligne redundante målinger, kontrollere om forholdet mellem spænding og strøm er fysisk troværdigt, kontrollere at en beordret kontaktorbevægelse ændrede den målte spænding, og bruge uafhængige beskyttelsesveje til kritiske fejl. ISO/TR 9968 anvender rammerne for funktionel sikkerhed i ISO 26262 på genopladelige energilagringssystemer og medtager udtrykkeligt BMS, celler, ledningsnet og forbindelser i systemets omfang. (ISO)

Hvad BMS'et ikke kan forhindre

BMS'et kan reducere strømmen, anmode om køling, stoppe opladningen, afbryde det udvendige højspændingskredsløb og registrere hændelsen. Det kan ikke fjerne den kemiske energi, der allerede er lagret i cellerne.

Hvis en intern kortslutning har udviklet sig til en selvopretholdende termisk runaway, stopper åbning af kontaktorerne den eksterne strømgennemgang, men standser måske ikke reaktionerne inde i den ramte celle. Cellekonstruktion, produktionskvalitet, køling, elektrisk beskyttelse, udluftning, pakkebarrierer, trykstyring, kollisionsstruktur og modstand mod spredning er fortsat afgørende. Forskning i termisk runaway i lithium-ion-celler viser, at varmeafgivelse, intern spredning og udslynget materiale afhænger af cellegeometrien og den udløsende fejlmekanisme. (NREL)

Balancering, diagnosticering og batterihistorik

Små forskelle i kapacitet, modstand, selvafladning og temperatur får serieforbundne cellegrupper til at drive fra hinanden. BMS'et sammenligner deres adfærd og bruger balanceringskredsløb til at reducere forskelle i ladeniveau.

Balancering kan hjælpe grupperne med at nå deres øvre og nedre grænser mere ensartet, så mere af pakkens eksisterende kapacitet bliver brugbar. Den kan ikke reparere en beskadiget celle eller genskabe tabt kapacitet. Metoderne, tidspunkterne og begrænsningerne beskrives i Cellebalancering.

BMS'et lagrer også oplysninger til service og langsigtede beregninger. Afhængigt af producenten kan de omfatte:

Laveste og højeste cellegruppespænding
Ekstreme temperaturer og overtemperaturhændelser
Historik for ladning, energi og driftstid
Beregnede udviklinger i kapacitet og modstand
Fejl i isolation, kontaktorer, sensorer og kommunikation
Celleubalance og unormal selvafladning
Diagnostiske fejlkoder og afbrudte opladninger

Ikke alle interne værdier er tilgængelige gennem en generisk diagnosegrænseflade. Et tredjepartsprogram viser måske kun en delmængde, og en vist værdi kan være filtreret, skaleret eller fortolket anderledes end producentens konstruktions- eller garantidata.

Hvad føreren bemærker

Det meste af BMS'ets arbejde er usynligt, men dets beslutninger forklarer flere velkendte former for elbiladfærd:

Ladeeffekten ændrer sig: Batteriet kan anmode om mindre effekt, end laderen kan levere, på grund af SOC, temperatur, spændningsspredning, modstand eller en beskyttelsesgrænse.
Regenerativ bremsning reduceres: Batteriet har ikke tilstrækkelig margen til ladeeffekt, så bilen blander mere friktionsbremsning ind.
Accelerationen begrænses: Lav SOC, uegnet temperatur, spændingsfald eller en fejl har reduceret den tilladte afladeeffekt.
Procentdelen ændrer sig efter hvile eller fuld opladning: SOC-algoritmen har korrigeret sin beregning.
Lynladning forbedres efter temperaturforberedelse: Varmere celler har lavere modstand og kan ofte modtage en højere strøm, som BMS'et godkender.
Bilen kan ikke sættes i køretilstand: Et problem med lavspændingsforsyningen, en isolationsfejl, en brudt interlock, en kontaktorfejl eller mistet BMS-kommunikation kan forhindre højspændingssystemet i at blive tilsluttet.

For en køber af en brugt elbil er en SOH-procent fra BMS'et kun nyttig, når dens definition og målemetode er kendt. En grundig vurdering ser på brugbar energi, effektydelse, cellebalance, diagnosehistorik, ladeadfærd og producentens garantimetode – ikke ét uforklaret tal.

BMS'et er derfor mere end en batterimåler eller nødafbryder. Dets målinger, modeller, kalibrering og beskyttelsesstrategi bestemmer, hvor meget af cellernes fysiske ydeevne bilen kan bruge på et givet tidspunkt.