Batteristyringssystem

Batteristyringssystemet (BMS) i en elbil er elektronikk- og programvarelaget som holder fremdriftsbatteriet innenfor de tillatte driftsgrensene. Det måler batteripakken, beregner forhold som ikke kan måles direkte, og styrer hvordan batteriet kobles til kjøretøyet. Systemet formidler grenser for lading, regenerativ bremsing og fremdriftseffekt til laderen, vekselretteren og systemet for termisk styring, som utfører energiomformingen og temperaturreguleringen.

Hva BMS-et måler, beregner og styrer

Et høyspenningsbatteri kan inneholde hundrevis eller tusenvis av fysiske celler. Parallellkoblede celler har samme terminalspenning, så BMS-et overvåker normalt hver parallellgruppe som ett spenningspunkt. En batteripakke beskrevet som 108s4p har for eksempel vanligvis 108 overvåkede spenninger for seriegrupper, ikke 432 uavhengige cellespenningsmålinger.

De viktigste direkte målingene omfatter vanligvis:

Spenningen i hver overvåket cellegruppe
Batteripakkens totale spenning og spenninger på viktige punkter rundt kontaktorene
Strøm inn i eller ut av batteripakken
Temperaturer ved utvalgte celler, moduler, kjøleplater, samleskinner og elektriske komponenter
Elektrisk isolasjon mellom høyspenningssystemet og kjøretøyets chassis
Status for høyspenningssløyfe, kontaktorer, sikring og forladingskrets

Batteripakkens spenning alene er ikke tilstrekkelig. To cellegrupper kan avvike i motsatt retning samtidig som den samlede spenningen ser normal ut. Gruppen med høyest spenning kan avslutte en lading, og gruppen med lavest spenning kan begrense utladingen, selv når pakkegjennomsnittet virker akseptabelt.

Flere av verdiene førere og serviceverktøy bruker, er ikke direkte sensoravlesninger. BMS-et beregner dem ut fra spenning, strøm, temperatur, tid, batterimodeller og lagret historikk. Beregningene omfatter:

State of Charge (SOC)
State of Energy (SOE)
State of Power (SOP)
State of Health (SOH)
Brukbar kapasitet og intern motstand
Høyeste tillatte lade- og utladingsstrøm

BMS-et handler deretter på bakgrunn av informasjonen. Det kan styre kontaktorene og balanseringskretsene i batteripakken, håndtere forladingssekvensen, be om oppvarming eller kjøling og formidle grenser for lade-, utladings- og regenereringseffekt til andre styreenheter. BMS-plattformer for biler kombinerer derfor celleovervåking, måling av spenning og strøm på pakkenivå, isolasjonsovervåking, kontaktorstyring og funksjoner i høyspenningssløyfen. (Texas Instruments)

Hvordan BMS-maskinvaren er organisert

Et moderne BMS er fordelt gjennom batteriet i stedet for å være samlet på ett kretskort. Komponentnavnene varierer, men mange systemer fordeler arbeidet mellom celleovervåkingsenheter, en sentral batteristyreenhet og en batterikoblingsboks. NXPs 800-volts referansearkitektur bruker betegnelsene CMU, BMU og BJB for disse tre lagene. (NXP)

Celleovervåkingsenheter

En Cell-Monitoring Unit (CMU) sitter nær en gruppe celler eller moduler. De analoge inngangskretsene måler spenninger i cellegruppene og signaler fra temperatursensorene. Enhetene kan også utføre passiv balansering og overvåke forbindelser eller andre lokale sensorer.

Flere CMU-er kan kobles sammen i en isolert seriekjede, en ring, CAN FD eller et annet kommunikasjonsnettverk for biler. Målingene må komme sikkert frem til tross for elektrisk støy og store spenningsforskjeller mellom delene av batteripakken.

Batteristyringsenhet

Battery-Management Unit (BMU) er den sentrale styreenheten. Den samler inn målingene, kontrollerer at de er plausible, kjører algoritmer for tilstandsberegning, beregner driftsgrenser, lagrer diagnoseinformasjon og utveksler data med kjøretøystyreenheten, laderen, vekselretteren og temperaturstyreenheten.

Batterikoblingsboks

Battery Junction Box (BJB) inneholder målefunksjoner på pakkenivå og koblingsutstyr for høy strøm. Avhengig av konstruksjonen kan den inneholde:

Hovedkontaktorer for positiv og negativ pol
En forladingskontaktor og -motstand
Sensorer for pakkestrøm og høyspenning
Hovedsikringen og, der dette finnes, en pyroteknisk skilleenhet
Maskinvare for isolasjonsovervåking
Høyspenningsforbindelser til vekselretteren, ladesystemet og andre belastninger

Ved å sammenligne spenninger på batteri- og kjøretøysiden av kontaktorene kan styreenheten kontrollere om den beordrede koblingen faktisk fant sted. Strøm- og spenningsmålingene må også være nøyaktig tidssynkronisert, fordi de brukes sammen i beregninger av effekt, motstand, SOC og SOH. (Texas Instruments)

Kablet og trådløs kommunikasjon

De fleste batteripakker bruker kablet kommunikasjon mellom overvåkingsenhetene. Redundante eller ringbaserte forbindelser kan la meldinger ta en annen vei dersom én forbindelse svikter.

Et trådløst BMS erstatter deler av dette interne signalkabelnettet med et spesialutviklet radionettverk. Det kan redusere antallet kontakter, kabelføring og monteringskompleksitet, men fjerner ikke elektronikken for celleovervåking, forbindelsene for spenningsmåling, temperatursensorene, balanseringskretsene, strømforsyningene, diagnostikken eller behovet for pålitelig og sikker kommunikasjon. Trådløs BMS-maskinvare for biler forbinder celleovervåkingsenhetene med den sentrale BMS-styreenheten. Det er ikke en trådløs forbindelse til selve battericellene. (Analog Devices)

Tilkobling av høyspenningsbatteriet

Når en elbil slås av, blir ikke cellene eller de interne samleskinnene spenningsløse. I stedet kobler store elektrisk styrte brytere, kalt kontaktorer, normalt batteriets eksterne positive og negative terminaler fra resten av kjøretøyet.

Før kontaktorene lukkes, kontrollerer BMS-et relevante cellespenninger og temperaturer, isolasjonsmotstand, status for høyspenningssløyfen, kommunikasjon og lagrede feil. Deretter utfører det forlading.

Vekselretteren, ombordladeren, DC-DC-omformeren og annen høyspenningselektronikk inneholder kondensatorer. Direkte tilkobling av en uladet kondensator til batteriet ville skape en stor innkoblingsstrøm som kunne gi groper i eller sveise kontaktorflatene og belaste kabler, kontakter og sikringer. En vanlig forladingskrets kobler først kjøretøyets høyspenningsbuss til gjennom en motstand. Når busspenningen har steget tilstrekkelig nær batteripakkens spenning, kan hovedkontaktorene lukke og forbikoble motstanden. (Texas Instruments)

En forenklet oppstartssekvens er:

Lavspenningssystemet vekker BMS-et og de andre nødvendige styreenhetene.
BMS-et kontrollerer de overvåkede forholdene i batteriet og høyspenningssystemet.
Forladingsbanen og den nødvendige hovedkontaktoren lukkes.
Den eksterne høyspenningsbussen lades gjennom forladingsmotstanden.
BMS-et sammenligner batteripakkens spenning med spenningen på utsiden av kontaktorene.
Når forskjellen er innenfor tillatt område, lukkes den gjenværende hovedkontaktoren, og forladingsbanen åpnes.

Den nøyaktige koblingsrekkefølgen varierer med konstruksjonen. Formålet er alltid å etablere høyspenningsforbindelsen uten ukontrollert innkoblingsstrøm.

Isolasjonsovervåking og høyspenningssløyfen

Fremdriftskretsen er normalt isolert fra karosseriet. En isolasjonsmonitor måler den elektriske motstanden mellom høyspenningssystemet og chassiset. Redusert isolasjon kan skyldes skadet isolasjonsmateriale, inntrengning av vann eller kjølevæske, forurensning, et kontaktproblem eller en feil i batteriet, vekselretteren, motoren, laderen eller høyspenningskablene.

High-Voltage Interlock Loop (HVIL) er en egen overvåkingskrets med lav spenning som går gjennom utvalgte høyspenningskontakter, deksler og komponenter. En brutt sløyfe forteller kjøretøyet at en del av høyspenningssystemet kan være frakoblet eller åpen. Avhengig av forholdet kan kjøretøyet stoppe ladingen, åpne kontaktorene eller hindre at de lukkes.

Dette er også grunnen til at et svakt 12-volts- eller 48-voltsbatteri kan sette en elbil ut av drift selv om fremdriftsbatteriet fortsatt inneholder mye energi. BMS-et, styreelektronikken og kontaktorspolene trenger lavspenningsforsyning før høyspenningsbatteriet kan kobles til kjøretøyet.

Beregning av ladning, energi, effekt og helse

Batteriprosent, gjenværende energi, tilgjengelig effekt og batterihelse besvarer forskjellige spørsmål. Å behandle dem som én verdi skaper mye av forvirringen rundt batteridiagnostikk.

State of Charge

State of Charge (SOC) er beregnet ladenivå innenfor batteriets definerte driftsvindu. Prosenten som vises til føreren, er normalt tilpasset det brukbare vinduet, ikke cellenes fulle elektrokjemiske område. Kapasitet kan være reservert over vist 100% og under vist 0%, som forklart i Batteribuffer og brukbar kapasitet.

SOC kan ikke måles av én enkelt sensor. BMS-et kombinerer flere metoder:

Coulomb-telling integrerer strøm over tid for å følge ladningen som går inn i og ut av batteriet.
Spenningsbasert korrigering sammenligner målt eller modellert hvilespenning med kjemispesifikke referansedata.
Batterimodeller forutsier spenningsrespons ut fra SOC, strøm, temperatur, motstand, nylig historikk og aldringsrelaterte parametere.
Observatøralgoritmer, blant annet varianter av Kalman-filtre, sammenligner modellforutsigelser med målinger og korrigerer estimatet.

Coulomb-telling reagerer umiddelbart på energiflyt, men et lite avvik i strømsensoren bygger seg over tid opp til en større feil. Spenningen gir en referanse, men terminalspenningen endrer seg også med belastning, temperatur, motstand, hysterese og tiden siden lading eller utlading. Produksjonsalgoritmer kombinerer derfor målinger og modeller i stedet for å stole på én metode alene. (Analog Devices)

SOC-beregning er særlig krevende for LFP-celler gjennom midten av driftsområdet fordi hvilespenningskurven er forholdsvis flat og påvirkes av hysterese. En liten spenningsfeil kan representere en langt større SOC-feil enn i en bratt del av kurven. Nøyaktig LFP-beregning avhenger derfor sterkt av presis strømmåling, en kjemispesifikk modell, temperaturkompensasjon og muligheter til å korrigere estimatet ved informative driftspunkter. (ACS Energy Letters)

Den viste prosentverdien filtreres vanligvis slik at den ikke hopper hver gang estimatet endres litt. Den kan likevel korrigeres etter en lang hvileperiode, en nesten full opplading, en dyp utlading, en stor temperaturendring eller nye innlærte kapasitetsdata. Energi har ikke plutselig dukket opp eller forsvunnet. Estimatet er kalibrert på nytt.

State of Energy

State of Energy (SOE) beregner gjenværende brukbar energi, normalt i kWh. Verdien er knyttet til SOC, men avhenger også av brukbar kapasitet, spenning, temperatur, tap og utladingsforhold.

To batteripakker ved 50% SOC har ikke nødvendigvis samme gjenværende energi. Selv den samme batteripakken kan gjøre mindre energi umiddelbart tilgjengelig når den er svært kald. Kjøretøyets beregnede rekkevidde tilfører faktorer utenfor BMS-et, blant annet nylig forbruk, hastighet, rute, vær og energibruk i kupeen.

State of Power

State of Power (SOP) er den beregnede effekten batteriet kan ta imot eller levere uten å overskride grensene for spenning, strøm, SOC og temperatur i en definert periode. Lade- og utladingsgrenser beregnes separat, og en kortvarig maksimalgrense kan være mye høyere enn en kontinuerlig grense.

Beregningen tar hensyn til den forventede responsen i de begrensende cellegruppene, ikke bare gjennomsnittet for batteripakken. SOC, temperatur, motstand, tilgjengelig spenningsmargin i cellene, varighet og strømgrensene i batteripakken er alle viktige. Modeller for batterieffekt beregner derfor ulike høyeste lade- og utladingsverdier for en angitt prognoseperiode. (MathWorks)

State of Health

State of Health (SOH) beskriver hvordan batteriets egenskaper har endret seg sammenlignet med en referansetilstand, vanligvis som nytt. Det finnes ingen universell SOH-definisjon.

En kapasitetsbasert SOH sammenligner dagens brukbare kapasitet med den valgte referansen for et nytt batteri. En effektbasert vurdering tar hensyn til motstand og evnen til å lades eller utlades med nødvendig hastighet. En fullstendig helsemodell kan også bruke celleubalanse, selvutlading, energiomsetning, temperaturbelastning, feilhistorikk og kalenderalder.

Et batteri kan beholde det meste av energikapasiteten samtidig som noe av makseffekten går tapt fordi motstanden øker. Et annet kan miste målbar kapasitet og fortsatt oppfylle alle kjøretøyets ytelseskrav. Derfor kan SOH-prosenter fra ulike produsenter, diagnoseprogrammer og garantiprosedyrer ikke automatisk sammenlignes. Målemetodene og langtidsvirkningene er behandlet i Batteridegradering.

Hvordan BMS-et styrer lading og kjøring

BMS-et beregner kontinuerlig høyeste tillatte lade- og utladingsgrenser. Andre styreenheter må holde forespørslene innenfor disse grensene.

Under DC-hurtiglading formidler kjøretøyet tillatt batterispenning og -strøm til ladestasjonen. Stasjonen kan være i stand til å levere mer effekt enn batteriet ber om. BMS-et kan redusere forespørselen på grunn av:

Høy spenning i en cellegruppe
Lav eller høy batteritemperatur
Høy SOC
Økt motstand
Celleubalanse
Utilstrekkelig kjøling
En sensor- eller kommunikasjonsfeil

Når én gruppe når den øvre spenningsgrensen, kan ladestrømmen måtte reduseres selv om gjennomsnittlig SOC for batteripakken antyder at det finnes mer rom. Hele ladekurven avhenger også av laderens spennings- og strømgrenser, kjøretøyets omformingsmaskinvare og produsentens ladestrategi. Disse sammenhengene er behandlet i Batterilading og ladeytelse.

Utladingsgrensen virker motsatt vei. Ved lav SOC, ekstrem temperatur eller høy motstand kan gruppen med lavest spenning nærme seg den nedre grensen under belastning. BMS-et reduserer da effekten som er tilgjengelig for vekselretteren. Det kan gi redusert akselerasjon eller et varsel om lav effekt selv om motorene i seg selv kunne levert mer.

Regenerativ bremsing er en ladehendelse. Et nesten fullt, kaldt, varmt, ubalansert eller på annen måte ladebegrenset batteri kan ikke ta imot all den ønskede regenereringseffekten. Bremsestyreenheten reduserer da motorregenereringen og leverer resten av retardasjonen med friksjonsbremsene.

Temperaturgrensene er like viktige. BMS-et tolker batterisensorene og ber om oppvarming eller kjøling. Pumper, ventiler, vifter, varmeelementer, kjølemiddelkretser og annen termisk maskinvare utfører arbeidet. Et batteri som er varmt nok til normal kjøring, kan fortsatt være for kaldt for maksimal hurtigladeeffekt. Systemkonstruksjonen og forkondisjoneringsstrategiene er forklart i Termisk styring av batterier.

Beskyttelse, feilhåndtering og funksjonssikkerhet

BMS-et har som mål å holde hver overvåket del av batteriet innenfor et tillatt driftsområde. Det følger med på overspenning, underspenning, for høy strøm, uegnet temperatur, unormal temperaturspredning, tap av isolasjon, brudd i HVIL, celleubalanse, sensorsprik, kontaktorfeil og tapt kommunikasjon.

Beskyttelsen skjer vanligvis trinnvis, ikke som en umiddelbar frakobling:

Registrer en diagnosehendelse eller øk overvåkingen.
Be om oppvarming eller kjøling.
Reduser regenererings-, lade- eller fremdriftseffekten.
Stans ladingen eller be vekselretteren fjerne belastningen.
Varsle føreren.
Åpne kontaktorene eller hindre at høyspenningssystemet kobles inn igjen.

Å åpne kontaktorene mens det går en stor strøm, kan skape sin egen elektriske belastning. Når forholdene tillater det, reduserer kjøretøyet først strømmen og kobler deretter fra. Umiddelbar isolering er forbeholdt feil der det er farligere å forbli tilkoblet.

BMS-et må også oppdage feil i egne sensorer, kommunikasjon og koblingsutstyr. Det kan sammenligne redundante målinger, kontrollere om sammenhengen mellom spenning og strøm er fysisk plausibel, kontrollere at en beordret kontaktorbevegelse endret den målte spenningen, og bruke uavhengige beskyttelsesbaner for kritiske feil. ISO/TR 9968 anvender rammeverket for funksjonssikkerhet i ISO 26262 på oppladbare energilagringssystemer og inkluderer uttrykkelig BMS-et, cellene, ledningsnettene og forbindelsene i systemomfanget. (ISO)

Hva BMS-et ikke kan forhindre

BMS-et kan redusere strømmen, be om kjøling, stanse ladingen, koble fra den eksterne høyspenningskretsen og registrere hendelsen. Det kan ikke fjerne den kjemiske energien som allerede er lagret i cellene.

Hvis en intern kortslutning har utviklet seg til selvopprettholdende termisk runaway, vil åpning av kontaktorene stanse den eksterne strømmen, men ikke nødvendigvis reaksjonene inne i den berørte cellen. Cellekonstruksjon, produksjonskvalitet, kjøling, elektrisk beskyttelse, ventilering, pakkebarrierer, trykkhåndtering, kollisjonsstruktur og motstand mot spredning er fortsatt avgjørende. Forskning på termisk runaway i litiumionbatterier viser at varmeavgivelse, intern spredning og utslynget materiale avhenger av cellegeometrien og den utløsende feilmekanismen. (NREL)

Balansering, diagnostikk og batterihistorikk

Små forskjeller i kapasitet, motstand, selvutlading og temperatur får seriekoblede cellegrupper til å drive fra hverandre. BMS-et sammenligner oppførselen og bruker balanseringskretser til å redusere forskjellene i ladenivå.

Balansering kan hjelpe gruppene med å nå de øvre og nedre grensene jevnere, slik at mer av batteripakkens eksisterende kapasitet blir brukbar. Det kan ikke reparere en skadet celle eller gjenopprette kapasitet som er tapt. Metodene, tidspunktet og begrensningene er behandlet i Cellebalansering.

BMS-et lagrer også informasjon som brukes til service og langtidsberegning. Avhengig av produsenten kan dette omfatte:

Laveste og høyeste spenning i cellegruppene
Ekstreme temperaturer og overtemperaturhendelser
Historikk for lading, energi og driftstid
Beregnede trender for kapasitet og motstand
Feil i isolasjon, kontaktor, sensor og kommunikasjon
Celleubalanse og unormal selvutlading
Diagnosekoder og avbrudd i ladingen

Ikke alle interne verdier er tilgjengelige gjennom et generisk diagnosegrensesnitt. En tredjepartsapplikasjon kan bare vise et utvalg, og en vist verdi kan være filtrert, skalert eller tolket annerledes enn produsentens utviklings- eller garantidata.

Hva føreren merker

Det meste av arbeidet i BMS-et er usynlig, men beslutningene forklarer flere velkjente elbilegenskaper:

Ladeeffekten endres: Batteriet kan be om mindre effekt enn laderen kan levere på grunn av SOC, temperatur, spenningsspredning, motstand eller en beskyttelsesgrense.
Regenerativ bremsing reduseres: Batteriet har ikke nok margin til ladeeffekt, så kjøretøyet blander inn mer friksjonsbremsing.
Akselerasjonen begrenses: Lav SOC, uegnet temperatur, spenningsfall eller en feil har redusert den tillatte utladningseffekten.
Prosentverdien endres etter hvile eller full lading: SOC-algoritmen har korrigert estimatet.
Hurtigladingen forbedres etter forkondisjonering: Varmere celler har lavere motstand og kan ofte ta imot en høyere strøm godkjent av BMS-et.
Kjøretøyet vil ikke gå i kjøremodus: En feil i lavspenningsforsyningen, isolasjonen eller kontaktoren, en brutt høyspenningssløyfe eller tapt BMS-kommunikasjon kan hindre høyspenningssystemet i å koble seg til.

For en bruktbilkjøper er en SOH-prosent rapportert av BMS-et bare nyttig når definisjonen og målemetoden er kjent. En god vurdering ser på brukbar energi, effektytelse, cellebalanse, diagnosehistorikk, ladeoppførsel og produsentens garantimetode – ikke ett uforklart tall.

BMS-et er derfor mer enn en batterimåler eller nødbryter. Målingene, modellene, kalibreringen og beskyttelsesstrategien bestemmer hvor mye av cellenes fysiske kapasitet kjøretøyet kan bruke i hvert øyeblikk.