EMBEDDED/POWER Ingeniørers guide til elbilers batteri-management systemer Vi skal i denne artikel se på behovet for et batteri-management system i en elbil med den atypiske arkitektur og de komponenter, der skal føle på, monitere og styre den overordnede tilstand af en elbils batteri Af Mark Patrick, Mouser Electronics En vigtig parameter i kunders valg af elbiler er næsten altid rækkevidden på en enkelt op- ladning. Risikoen for at løbe tør for energi undervejs på en længere køretur har ført til det ganske dækkende en- gelske udtryk ”range anxie- ty” (rækkeviddebekymring i mangel af et bedre dansk udtryk, red. ). Styring af lad- ningsstatus på et enkelt bat- teri er ret ligetil, men overvej lige kompleksiteten, når man skal styre de rundt regnet 7000 celler, der indgår i den gennemsnitlige batteripakke i en elbil. Elbilens primære energikilde er batteripakken (figur 1) , som typisk er designet til at sidde under bilen mellem akslerne, hvor man i konventionelle biler normalt har en kardan- tunnel og tank. Ved at gøre batteripakken så flad som mu- ligt sænker man bilens tyng- depunkt, hvilket i høj grad er afgørende for elbilens køre- egenskaber. Til de kommende elbil-gene- rationer har flere producenter overvejet at udvikle udskif- telige batteripakker, der er standardiseret til forskellige køretøjsplatforme, så et tomt batteri hurtigt kan udskiftes med en fuldt opladet pakke. Det medfører dog en besvær- lig logistik, og udviklingen på det felt ligner mest af alt en blindgyde. Batteripakken i dagens elbi- ler omfatter multiple modu- ler, der hver indehol- der mange cylindri- ske eller pouch-sty- le litium-baserede batterier. Cellerne er arrangeret i en kombination af serie- og parallelforbindelser, som giver et output på 400V eller 800V. Den nuværende tendens går i retning af 800V-pakker, og målet er at opnå så korte ladetider som muligt for en given strøm. Hver celle arbejder mellem 2,5V og 4,2V (afhængigt af kemien), og behaviour for hver celle påvirker den over- ordnede effektivitet for bat- teripakken. Som følge deraf er monitering og styring af cellerne med et BMS (Batte- ri-Management System) en forudsætning. Figur 2: BMS overvåger helbred for batteripakken og styrer både cellebalancen og sikkerheden i nødsituationer. (Kilde: University of Warwick, Advanced Propulsion Centre). Figur 3: Arkitekturen for en typisk elbils batteri-management system. Figur 1: Elbils batteripakke. (Kilde: Nissan). Nøglekriterier for styring af batteriets tilstand Litium-ion-celler er kendt for deres fremragende afladeka- rakteristikker, så en elbil får næsten racerbilsagtige acce- lerationsdata. De overlegne afladeegenskaber medfører dog en betydelig risiko under de forkerte omstændigheder. Pakkens høje spænding på output udgør også risici for føreren, passagerer og alle andre nær bilen i tilfælde af en ulykke. Det er derfor vigtigt at overholde de automotive krav til funktionssikkerhed og -reg- ler, og det er dermed endnu et punkt på listen over krav til et batteri-management system. Figur 2 viser de vitale hel- bredsparametre for batteriet, monitorer og styret af BMS’en. De væsentlige BMS-parametre Der er flere parametre, der er afgørende for BMS-enhedens funktion. Det er: • SOC-estimat (State of Charge): SOC indikerer rest energien i en elbil på et givent tidspunkt, og SOC er normalt udtrykt som en procentdel af den totale kapacitet. SOC er kritisk, da parameteren indikerer over for føreren, hvor stor en lad- ning, der er tilbage – og hvor langt det rækker til fortsat kørsel. Forskellige sensorer forbundet til BMS leverer de nødvendige inputs til de algoritmer, som afvikles på BMS-mikrocontrolleren for at estimere SOC. • SOH (State of Health): SOH – også udtrykt som en pro- centdel – indikerer den overordnede helbredstil- stand og kapaciteten af elbi- lens batteripakke, i forhold til da batteripakken var ny. SOH måles som batteripak- kens evne til at lagre og af- give energi over et givent tidsrum med hensyntagen til ældning af cellerne som følge af gentagne op- og afladninger og ændringer i kemien i de enkelte celler. SOF (State of Function): SOF tager hensyn til SOH, men giver en mere virkelig for- ståelse af pakkens evne til at levere effekt over hele spek- tret af driftstilstande. SOF er påvirket af indikatorer som interne cellemodstande, termisk behaviour for bat- teripakken og cellespændin- gerne. SOF hjælper til at finde celle- og pakkeoptimering og om, hvorvidt vedligehold el- ler udskiftning af pakken er nødvendig. En vigtig optimeringsteknik for batteripakken er celleba- lancering. På grund af cel- lekemien eksisterer der sub- tile forskelle mellem cellernes funktion og alder, hvilket giver en ubalance i output- spænding og kapacitet under afladning. Cellebalancering drejer sig om at udjævne lad- ningen over cellerne for at optimere den samlede ydelse og forlænge batterilevetiden. Monitering af spænding og strøm for BMS’en skal give en ensartet SOC og forhindre overopladning eller underaf- ladning af individuelle celler. Andre BMS-funktioner inklu- derer termisk management, overstrømsbeskyttelse og yderligere functional safety (som i ISO 26262) og sikker- hedsintegritet (som i ASIL-D). Et vigtigt aspekt i elbilernes batteripakker er den termiske management. Overvågning af celletemperaturer omfat- ter i stigende grad sensorer placeret på flere steder i cel- lerne frem for ”bare” udenpå kapslingen eller på en central placering i cellemodulet. Op- dager BMS’en hotspots, kan det pege på en begyndende cellefejl, som vil kunne påvirke de omgivende celler og der- ved give en termisk runway og i værste fald brand. I kolde mil- jøer bliver batteriydelsen også kompromitteret, så BMS’en skal aktivt regulere belastnin- gen for at undgå permanente celleskader. Aktive termiske kølings- og opvarmningstek- nikker kan være påkrævede i elbiler for fortsat funktion i ekstreme miljøer. Hvis en celle ikke kan opret- holde sin ladning eller udviser en dårlig ydelse, kan BMS’en isolere cellen for at undgå yderligere skader eller påvirk- ninger af det samlede batteri- modul og hele batteripakkens funktion. Typisk arkitektur for et batteri- management system Figur 3 viser højniveau-arkitek- turen for en typisk elbils BMS. De embeddede hardware- funktioner er groft opdelt i fire kategorier: sensor, celle-ma- nagement IC’er og -mikrocon- trollere, in-vehicle netværk samt sikkerhed og isolation. Fra et softwareperspektiv esti- merer batteri-management algoritmerne en realistisk lad- ningstilstand. • Sensorer (spændings- og strømmonitering): De ek- sakte spændingsmonite- ringsmetoder varierer, men de mest effektive designs bruger kun én sensorsignal- 24 nr. 12 | december 2023 Adaptors, Power Converters, PCB Mount, Modular, UPS, LED Drivers m.m.
Download PDF fil
Se arkivet med udgivelser af Aktuel Elektronik her
TechMedias mange andre fagblade kan læses her