Batterihanteringssystem

Elbilens batterihanteringssystem (BMS) är det elektronik- och programvarulager som håller drivbatteriet inom dess tillåtna driftgränser genom att mäta paketet, beräkna tillstånd som inte kan mätas direkt och styra hur det ansluts till fordonet. Det kommunicerar gränser för laddning, regenerativ bromsning och drivkraft till laddaren, växelriktaren och temperaturhanteringssystemet, som utför energiomvandlingen och temperaturregleringen.

Vad BMS mäter, beräknar och styr

Ett högspänningsbatteri kan innehålla hundratals eller tusentals fysiska celler. Parallellkopplade celler delar polspänning, så BMS övervakar normalt varje parallellgrupp som en spänningspunkt. Ett paket som exempelvis beskrivs som 108s4p har i allmänhet 108 övervakade seriegruppsspänningar i stället för 432 oberoende mätningar av cellspänning.

De viktigaste direkta mätningarna omfattar vanligen:

Spänningen i varje övervakad cellgrupp
Total paketspänning och spänningar vid viktiga punkter runt kontaktorerna
Ström som går in i eller ut ur paketet
Temperaturer vid utvalda celler, moduler, kylplattor, samlingsskenor och elektriska komponenter
Elektrisk isolation mellan högspänningssystemet och fordonets chassi
Status för högspänningsförregling, kontaktorer, säkring och förladdningskrets

Enbart paketspänningen räcker inte. Två cellgrupper kan avvika i motsatta riktningar medan deras sammanlagda spänning fortfarande ser normal ut. Gruppen med högst spänning kan avsluta laddningen och gruppen med lägst spänning kan begränsa urladdningen även när paketets medelvärde verkar godtagbart.

Flera av de värden som förare och serviceverktyg använder är inte direkta sensorvärden. BMS beräknar dem från spänning, ström, temperatur, tid, batterimodeller och lagrad historik. Beräkningarna omfattar:

Laddningsnivå (SOC)
Energinivå (SOE)
Effekttillstånd (SOP)
Hälsotillstånd (SOH)
Användbar kapacitet och intern resistans
Högsta tillåtna laddnings- och urladdningsström

BMS agerar sedan utifrån informationen. Det kan styra paketets kontaktorer och balanseringskretsar, hantera förladdningssekvensen, begära uppvärmning eller kylning och kommunicera gränser för laddning, urladdning och regenerativ effekt till andra styrenheter. BMS-plattformar för fordon kombinerar därför cellövervakning, mätning av spänning och ström på paketnivå, isolationsövervakning, kontaktorstyrning och funktioner för högspänningsförregling. (Texas Instruments)

Så är BMS-hårdvaran organiserad

Ett modernt BMS är fördelat i batteriet i stället för att sitta på ett enda kretskort. Komponentnamnen varierar, men många system delar upp arbetet mellan cellövervakningsenheter, en central batteristyrenhet och en batterikopplingsbox. NXP:s 800-voltsreferensarkitektur använder benämningarna CMU, BMU och BJB för dessa tre nivåer. (NXP)

Cellövervakningsenheter

En Cell-Monitoring Unit (CMU) sitter nära en grupp celler eller moduler. De analoga ingångskretsarna mäter cellgruppsspänningar och signaler från temperatursensorer. De kan också utföra passiv balansering och övervaka anslutningar eller andra lokala sensorer.

Flera CMU:er kan kopplas samman i en isolerad kedja, ring, CAN FD eller ett annat kommunikationsnätverk för fordon. Mätningarna måste överföras tillförlitligt trots elektriska störningar och stora spänningsskillnader mellan paketets sektioner.

Batterihanteringsenhet

Battery-Management Unit (BMU) är den centrala styrenheten. Den samlar in mätvärdena, kontrollerar att de är rimliga, kör algoritmer för tillståndsberäkning, beräknar driftgränser, lagrar diagnosinformation och utbyter data med fordonsstyrenheten, laddaren, växelriktaren och temperaturstyrenheten.

Batterikopplingsbox

Battery Junction Box (BJB) innehåller mätning på paketnivå och kopplingsutrustning för hög ström. Beroende på konstruktion kan den innehålla:

Positiva och negativa huvudkontaktorer
En förladdningskontaktor och ett motstånd
Sensorer för paketström och högspänning
Huvudsäkringen och, om sådan finns, en pyroteknisk frånkopplare
Utrustning för isolationsövervakning
Högspänningsanslutningar till växelriktare, laddningssystem och andra laster

Genom att jämföra spänningen på kontaktorernas batteri- och fordonssida kan styrenheten kontrollera om den beordrade omkopplingen verkligen skedde. Ström- och spänningsmätningarna måste också vara noggrant tidssynkroniserade eftersom de används tillsammans för att beräkna effekt, resistans, SOC och SOH. (Texas Instruments)

Trådbunden och trådlös kommunikation

De flesta batteripaket använder trådbunden kommunikation mellan övervakningsenheterna. Redundanta eller ringbaserade länkar kan låta meddelanden ta en annan väg om en anslutning slutar fungera.

Ett trådlöst BMS ersätter en del av det interna signalkablaget med ett särskilt radionätverk. Det kan minska antalet kontakter, kabeldragningen och monteringskomplexiteten, men tar inte bort cellövervakningselektronik, spänningsmätningsanslutningar, temperatursensorer, balanseringskretsar, strömförsörjning, diagnostik eller behovet av tillförlitlig och säker kommunikation. Trådlös BMS-hårdvara för fordon kopplar cellövervakningsenheterna till den centrala BMS-styrenheten; det är inte en trådlös anslutning till själva battericellerna. (Analog Devices)

Anslutning av högspänningsbatteriet

Att stänga av en elbil gör inte cellerna eller de interna samlingsskenorna spänningsfria. I stället kopplar stora elektriskt manövrerade brytare, så kallade kontaktorer, normalt bort batteriets yttre positiva och negativa poler från resten av fordonet.

Innan kontaktorerna sluts kontrollerar BMS relevanta cellspänningar och temperaturer, isolationsresistans, förreglingsstatus, kommunikation och lagrade fel. Därefter utförs förladdningen.

Växelriktaren, den inbyggda laddaren, DC-DC-omvandlaren och annan högspänningselektronik innehåller kondensatorer. Om en oladdad kondensator anslöts direkt till batteriet skulle en stor inkopplingsström uppstå, som kan ge gropar eller svetsa kontaktorytor och belasta kablar, kontakter och säkringar. En konventionell förladdningskrets ansluter först fordonets högspänningsbuss genom ett motstånd. När busspänningen har stigit tillräckligt nära paketspänningen kan huvudkontaktorerna slutas och förbikoppla motståndet. (Texas Instruments)

En förenklad startsekvens är:

Lågspänningssystemet väcker BMS och övriga nödvändiga styrenheter.
BMS kontrollerar de övervakade förhållandena i batteriet och högspänningssystemet.
Förladdningsvägen och den huvudkontaktor som krävs sluts.
Den externa högspänningsbussen laddas genom förladdningsmotståndet.
BMS jämför paketspänningen med spänningen efter kontaktorerna.
När skillnaden ligger inom det tillåtna området sluts den återstående huvudkontaktorn och förladdningsvägen öppnas.

Den exakta omkopplingsordningen varierar mellan konstruktioner. Syftet är alltid att upprätta högspänningsanslutningen utan okontrollerad inkopplingsström.

Isolationsövervakning och högspänningsförregling

Drivkretsen är normalt isolerad från fordonskarossen. En isolationsvakt mäter den elektriska resistansen mellan högspänningssystemet och chassit. Försämrad isolation kan orsakas av skadad isolering, inträngande vatten eller kylvätska, föroreningar, kontaktproblem eller fel i batteriet, växelriktaren, motorn, laddaren eller högspänningskablaget.

High-Voltage Interlock Loop (HVIL) är en separat lågspänningsbaserad övervakningskrets som går genom utvalda högspänningskontakter, lock och komponenter. En bruten slinga talar om för fordonet att en del av högspänningssystemet kan vara frånkopplad eller öppen. Beroende på tillståndet kan fordonet stoppa laddningen, öppna kontaktorerna eller hindra dem från att slutas.

Det är också därför ett svagt 12-volts- eller 48-voltsbatteri kan göra en elbil obrukbar trots att drivbatteriet fortfarande innehåller gott om energi. BMS, styrelektroniken och kontaktorspolarna behöver lågspänningsström innan högspänningsbatteriet kan anslutas till fordonet.

Beräkning av laddning, energi, effekt och hälsa

Batteriprocent, återstående energi, tillgänglig effekt och batterihälsa besvarar olika frågor. Att behandla dem som ett och samma värde skapar mycket av förvirringen kring batteridiagnostik.

Laddningsnivå

Laddningsnivå (SOC) är den beräknade laddningsnivån inom batteriets definierade arbetsfönster. Procentsatsen som visas för föraren motsvarar normalt det användbara fönstret, inte cellernas fullständiga elektrokemiska intervall. Kapacitet kan reserveras över visade 100% och under visade 0%, vilket förklaras i Batteribuffert och användbar kapacitet.

SOC kan inte mätas med en enda sensor. BMS kombinerar flera metoder:

Coulombräkning integrerar ström över tid för att följa laddning som går in i och ut ur batteriet.
Spänningsbaserad korrigering jämför uppmätt eller modellerad tomgångsspänning med kemispecifika referensdata.
Batterimodeller förutsäger spänningsresponsen utifrån SOC, ström, temperatur, resistans, nylig historik och åldringsrelaterade parametrar.
Observatörsalgoritmer, inklusive varianter av Kalmanfilter, jämför modellens förutsägelser med mätningarna och korrigerar uppskattningen.

Coulombräkning reagerar omedelbart på energiflödet, men en liten förskjutning i strömsensorn byggs med tiden upp till ett större fel. Spänningen ger en referens, men polspänningen förändras också med belastning, temperatur, resistans, hysteres och tiden sedan laddning eller urladdning. Produktionsalgoritmer kombinerar därför mätningar och modeller i stället för att förlita sig på en enda metod. (Analog Devices)

SOC-beräkning är särskilt krävande för LFP-celler i mitten av arbetsområdet eftersom tomgångsspänningskurvan är jämförelsevis plan och påverkas av hysteres. Ett litet spänningsfel kan motsvara ett mycket större SOC-fel än i en brant del av kurvan. Noggrann LFP-beräkning är därför starkt beroende av exakt strömmätning, en kemispecifik modell, temperaturkompensation och möjligheter att korrigera uppskattningen vid informativa driftpunkter. (ACS Energy Letters)

Den visade procentsatsen filtreras vanligen så att den inte hoppar varje gång uppskattningen ändras något. Den kan ändå korrigeras efter en lång vila, en nästan full laddning, en djup urladdning, en stor temperaturförändring eller nyinlärda kapacitetsdata. Energi har inte plötsligt uppstått eller försvunnit; uppskattningen har kalibrerats om.

Energinivå

Energinivå (SOE) uppskattar den användbara energi som återstår, normalt i kWh. Den är relaterad till SOC men beror också på användbar kapacitet, spänning, temperatur, förluster och urladdningsförhållanden.

Två paket med 50% SOC har inte nödvändigtvis samma återstående energi. Även samma paket kan göra mindre energi omedelbart tillgänglig när det är mycket kallt. Fordonets beräknade räckvidd lägger till faktorer utanför BMS, däribland den senaste förbrukningen, hastighet, rutt, väder och kupéns energianvändning.

Effekttillstånd

Effekttillstånd (SOP) är den uppskattade effekt som batteriet kan ta emot eller avge utan att överskrida sina gränser för spänning, ström, SOC och temperatur under en definierad tid. Laddnings- och urladdningsgränser beräknas separat, och en kortvarig toppgräns kan vara mycket högre än en kontinuerlig gräns.

Beräkningen tar hänsyn till den förväntade responsen hos de begränsande cellgrupperna, inte bara paketets medelvärde. SOC, temperatur, resistans, marginal till cellspänningsgränserna, varaktighet och paketets strömgränser spelar alla roll. Batteriets effektmodeller beräknar därför olika maximala laddnings- och urladdningsvärden för en angiven prognosperiod. (MathWorks)

Hälsotillstånd

Hälsotillstånd (SOH) beskriver hur batteriets förmåga har förändrats i förhållande till ett referenstillstånd, vanligen när det var nytt. Det finns ingen enda universell SOH-definition.

Ett kapacitetsbaserat SOH jämför dagens användbara kapacitet med den valda referensen för ett nytt batteri. En effektbaserad bedömning tar hänsyn till resistansen och förmågan att ladda eller ladda ur med den hastighet som krävs. En fullständig hälsomodell kan även använda cellobalans, självurladdning, energiomsättning, temperaturexponering, felhistorik och kalenderålder.

Ett batteri kan behålla merparten av sin energikapacitet men förlora en del toppeffekt när resistansen ökar. Ett annat kan förlora mätbar kapacitet men ändå uppfylla fordonets samtliga prestandakrav. Därför är SOH-procentsatser från olika tillverkare, diagnosapplikationer och garantiprocesser inte automatiskt jämförbara. Mätmetoderna och de långsiktiga effekterna behandlas i Batteridegradering.

Så styr BMS laddning och körning

BMS beräknar kontinuerligt de högsta tillåtna laddnings- och urladdningsgränserna. Andra styrenheter måste hålla sina begäranden inom dessa gränser.

Under DC-snabbladdning kommunicerar fordonet tillåten batterispänning och ström till laddstationen. Stationen kan klara mer effekt än batteriet begär. BMS kan sänka begäran på grund av:

Hög spänning i en cellgrupp
Låg eller hög batteritemperatur
Hög SOC
Ökad resistans
Cellobalans
Otillräcklig kylning
Fel i sensor eller kommunikation

Om en grupp når sin övre spänningsgräns kan laddningsströmmen behöva trappas ned även när paketets genomsnittliga SOC tycks lämna utrymme. Hela laddningskurvan beror också på laddarens spännings- och strömgränser, fordonets omvandlingsutrustning och tillverkarens laddningsstrategi. Samspelet behandlas i Batteriladdning och laddningsprestanda.

Urladdningsgränsen fungerar åt motsatt håll. Vid låg SOC, extrem temperatur eller hög resistans kan gruppen med lägst spänning närma sig sin undre gräns under belastning. BMS minskar då den effekt som är tillgänglig för växelriktaren. Det kan ge svagare acceleration eller en varning om låg effekt trots att motorerna i sig skulle kunna leverera mer.

Regenerativ bromsning är en laddningshändelse. Ett nästan fullt, kallt, varmt, obalanserat eller på annat sätt laddningsbegränsat batteri kan inte ta emot all begärd regenerativ effekt. Bromsstyrenheten minskar då motorregenereringen och skapar återstående retardation med friktionsbromsarna.

Temperaturgränserna är lika viktiga. BMS tolkar batterisensorerna och begär uppvärmning eller kylning; pumpar, ventiler, fläktar, värmare, köldmediekretsar och annan temperaturutrustning utför arbetet. Ett batteri som är tillräckligt varmt för normal körning kan fortfarande vara för kallt för maximal snabbladdningseffekt. Systemkonstruktionen och förkonditioneringsstrategierna förklaras i Temperaturhantering för elbilsbatterier.

Skydd, felhantering och funktionssäkerhet

BMS ska hålla varje övervakad del av batteriet inom ett tillåtet arbetsområde. Det övervakar överspänning, underspänning, för hög ström, olämplig temperatur, onormal temperaturspridning, isolationsförlust, avbrott i HVIL, cellobalans, motstridiga sensorvärden, kontaktorfel och förlorad kommunikation.

Skyddet aktiveras vanligen stegvis i stället för genom omedelbar frånkoppling:

Registrera en diagnoshändelse eller öka övervakningen.
Begär uppvärmning eller kylning.
Minska regenerativ effekt, laddeffekt eller drivkraft.
Stoppa laddningen eller beordra växelriktaren att ta bort belastningen.
Varna föraren.
Öppna kontaktorerna eller förhindra att högspänningssystemet återansluts.

Att öppna kontaktorerna medan en stor ström flyter kan i sig skapa elektriska påfrestningar. När förhållandena tillåter minskar fordonet först strömmen och kopplar sedan ifrån. Omedelbar isolering reserveras för fel där fortsatt anslutning innebär den större risken.

BMS måste också upptäcka fel i sina egna sensorer, kommunikation och kopplingsutrustning. Det kan jämföra redundanta mätningar, kontrollera om sambanden mellan spänning och ström är fysiskt rimliga, verifiera att en beordrad kontaktorrörelse ändrade den uppmätta spänningen och använda oberoende skyddsvägar för kritiska fel. ISO/TR 9968 applicerar ramverket för funktionssäkerhet i ISO 26262 på laddningsbara energilagringssystem och inkluderar uttryckligen BMS, celler, kabelstammar och anslutningar i systemomfattningen. (ISO)

Vad BMS inte kan förhindra

BMS kan minska strömmen, begära kylning, stoppa laddningen, koppla bort den externa högspänningskretsen och registrera händelsen. Det kan inte avlägsna den kemiska energi som redan finns lagrad i cellerna.

Om en intern kortslutning har utvecklats till självunderhållande termisk rusning kan öppning av kontaktorerna stoppa det externa strömflödet, men kanske inte reaktionerna i den drabbade cellen. Cellkonstruktion, tillverkningskvalitet, kylning, elektriskt skydd, avluftning, paketbarriärer, tryckhantering, krockstruktur och motstånd mot spridning är fortfarande avgörande. Forskning om termisk rusning i litiumjonceller visar att värmeavgivning, intern spridning och utslungat material beror på cellgeometrin och den utlösande felmekanismen. (NREL)

Balansering, diagnostik och batterihistorik

Små skillnader i kapacitet, resistans, självurladdning och temperatur gör att seriekopplade cellgrupper gradvis glider isär. BMS jämför deras beteende och använder balanseringskretsar för att minska skillnaderna i laddningsnivå.

Balansering kan hjälpa grupperna att nå sina övre och undre gränser mer jämnt och därmed göra mer av paketets befintliga kapacitet användbar. Den kan inte reparera en skadad cell eller återställa förlorad kapacitet. Metoderna, tidpunkterna och begränsningarna behandlas i Cellbalansering.

BMS lagrar också information som används vid service och långsiktig beräkning. Beroende på tillverkare kan den omfatta:

Lägsta och högsta cellgruppsspänningar
Temperaturextremer och övertemperaturhändelser
Historik över laddning, energi och drifttid
Beräknade trender för kapacitet och resistans
Fel i isolation, kontaktorer, sensorer och kommunikation
Cellobalans och onormal självurladdning
Diagnosfelkoder och avbrutna laddningar

Alla interna värden är inte tillgängliga via ett generiskt diagnosgränssnitt. En tredjepartsapplikation kanske bara visar en delmängd, och ett visat värde kan vara filtrerat, skalat eller tolkat på ett annat sätt än tillverkarens utvecklings- eller garantidata.

Vad föraren märker

Det mesta BMS-arbetet är osynligt, men besluten förklarar flera välbekanta elbilsbeteenden:

Laddeffekten förändras: Batteriet kan begära mindre effekt än laddaren kan ge på grund av SOC, temperatur, spänningsspridning, resistans eller en skyddsgräns.
Regenerativ bromsning minskar: Batteriet saknar marginal för att ta emot laddeffekt, så fordonet använder mer friktionsbroms.
Accelerationen begränsas: Låg SOC, olämplig temperatur, spänningsfall eller ett fel har minskat den tillåtna urladdningseffekten.
Procentsatsen ändras efter vila eller full laddning: SOC-algoritmen har korrigerat sin uppskattning.
Snabbladdningen förbättras efter förkonditionering: Varmare celler har lägre resistans och kan ofta ta emot en högre ström som BMS godkänner.
Fordonet går inte att lägga i körläge: Problem med lågspänningsmatningen, isolationsfel, bruten förregling, kontaktorfel eller förlorad BMS-kommunikation kan hindra högspänningssystemet från att anslutas.

För en köpare av en begagnad elbil är en BMS-rapporterad SOH-procentsats bara användbar om definitionen och mätmetoden är kända. En välgrundad bedömning tar hänsyn till användbar energi, effektförmåga, cellbalans, diagnoshistorik, laddningsbeteende och tillverkarens garantimetod – inte ett enda oförklarat tal.

BMS är alltså mer än en batterimätare eller nödbrytare. Dess mätningar, modeller, kalibrering och skyddsstrategi avgör hur mycket av cellernas fysiska förmåga fordonet kan använda vid varje tidpunkt.