Se arkivet med udgivelser af Aktuel Elektronik her
TechMedias mange andre fagblade kan læses her
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.
EMBEDDED/POWER kæde med en op-amp og en A/D-konverter. Individuelle spændingssensorledninger går fra hver enkelt celle og modul, hvorefter et multi- plexer-kredsløb switcher celle-inputs til signalkæden. En lignende tilgang bruges for strømfølingen, der måler på et spændingsfald over en shunt-modstand med en ekstremt lav ohmsk værdi i hvert batterimodul. Den me- tode – vist i figur 3 – udfører den ønskede moniterings- opgave uden at tilføre ekstra kompleksitet til kredsløbet i hver celle og hvert modul. • Sensorer (temperatur): Simple termistorer op til digital-output temperatur- sensorer findes til monite- ring af cellerne. Termisto- rer er den billigste metode med et minimalt pladsbe- hov i batterimodulet. Som vist ovenfor bruger forsk- ningen i mere sofistikerede cellemoniteringsteknikker multiple temperatur- og magnetfeltsensorer pla- ceret inden i hver celle for en mere finkornet måde at styre cellerne på. • Celle-management IC’er og mikrocontrollere: Højt inte- grerede cellemoniterings- og styrings-IC’er findes ge- nerelt til elbil-applikationer som pris- og funktionsopti- merede alternativer til ge- nerelle mikrocontrollere. De fleste tilbyder alle de nød- vendige analoge signalkæ- defunktioner til spændings-, strøm- og temperaturmoni- tering. Visse har også MOS- FET-drivere til cellebalance- ring, så man kan udføre aktiv cellebalancering under op- og afladning. Andre integre- rede funktioner inkluderer netværkskonnektivitet for Ethernet- og CAN-interfaces til andre in-vehicle systemer. Batteri-management algo- ritmer giver en mere adaptiv tilgang til optimering af bat- teripakkens peak-ydelse og SOH-forhold. • Isolering og sikkerhed: Sik- kerhedsfunktioner spænder fra ”få mig hjem”-funktion, der giver en begrænset bat- terikapacitet til bilens drev, til komplet galvanisk isola- tion af batteripakken fra alle elbilens funktioner. Sidst- nævnte bruger engangs pyro-kredsløbsbrydere med en lille sprængladning, der øjeblikkeligt kan afbryde højvolt batteriudgangen (squib). En sådan squib af- bryder kredsløbet langt hur- tigere end konventionelle smeltesikringer. BMS-komponent showcase Et eksempel på en IC til mul- ticelle batterimonitering og -balancering er STMicroelec- tronics L9963E. Den automo- tive AEC-Q100-kvalificerede L9963E IC kan monitere spæn- ding og coulomb-tælling i op til 14 stackede battericeller i serie uden desynkronisering imellem samples. Figur 4 il- lustrerer den primære funk tionsarkitektur for L9963E, der kan monitere op til syv NTC- termistorer og kommunikere med en BMS værtsmikrocon- troller med enten SPI eller et optisk isoleret interface. Op til 31 styk L9963E-kom- ponenter kan daisy chaines for at monitere op til 434 se- rieforbundne celler. En 16-bit A/D-konverter sikrer en mak- simal fejl på ±2mV over hele måleområdet, der spænder fra 0,5V til 4,3V. L9963E har også en 200mA passiv cellebalan- ceringsfunktion for afladning via en intern sti eller for højere strømme gennem eksternt konnekterede MOSFETs. Endnu et eksempel på en automotivt kvalificeret (AEC- Figur 5: Infineons TLE9012DQU IC giver multikanal monitering og balancering af et litium-ion-batteri. (Kilde: Infineon Technologies). Q100, ISO26262 og ASIL-D) batterimoniterings- og balan- cerings-IC er TLE9012DQU fra Infineon Technologies (figur 5) . TLE9012DQU kan monitere spændingen på 12 seriefor- bundne litium-ion-celler og indeholder en dedikeret 16- bit sigma-delta A/D-konverter for hver celle. Fem tempera- turmålekanaler er også in- tegreret i komponenten til brug sammen med eksterne NTC-termistorer. Der er in- ternt passiv cellebalancering på op til 200mA pr. celle. Til prototypeformål findes der et evaluerings-board baseret på TLE9012DQU. Texas Instruments’ BQ769xc- serie er også en automotiv batterimoniterings-IC designet til brug med både litium-ion- og litium-fosfat-cellekemier. BQ769x-serien kan også vare- tage op til 16 serieforbundne celler. BQ769x indeholder en komplet analog front-end med en 14-bit A/D-konverter. © Bisnode 2021 B OMBERG – vi hjælper m m e e d d d d e e t t o o p p t t i i m m a a l l e e d d e e s s i i g g n n E X M XX C X LISTER/ PAKNINGER X A X F X L X ED VARME OPTIMALT K X O XX N X TAKTFJEDRE ET UTAL AF… XXXX Figur 4: Funktionsblokdiagram for STMicros L9963E automotivt kvalificerede multicelle batterimoniterings- og balancerings IC. (Kilde: ST). Vi ønsker alle vore samarbejdspartnere en glædelig jul samt et godt nytår EMI-PAKNINGER STANDARD EL L L L E E R R K K U U N N D D E E S S P P E E C C I I F F I I C C E E R R E E D D E E THERMAL MANAGEMENT / AFLED D V V A A R R M M E E O O P P T T I I M M A A L L T T © Bisn ode 2 2 0 0 1 2 6 2 © Bisn ode 2 2 0 0 1 2 6 3 14. ÅR I TRÆK 1 9 M 5 . . E Å Å D R R A I I T A T R R A Æ Æ !! K K MED AAA !! E E v v a a n n S S t t æ æ h h r r W W W WW W . . B B O O M M B B E E R R G G . . C C O O M M S S A A L L E E S S @ @ B B O O M M B B E E R R G G . . C C O O M M P P h h o on n e e : : + + 4 4 5 5 4 4 8 8 1 1 4 4 0 0 1 1 5 5 5 5 F F a a x x : : + + 4 4 5 5 4 4 8 8 1 1 4 4 0 0 1 1 5 5 6 6 Y Y O O U U R R T T R R U U S S T T E E D D S S U U P P P P L L I I E E R R nr. 12 | december 2023 25