Was ist Echtzeitüberwachung?
BMS muss wissen, was im Rudel vor sich geht. Spannung pro Zelle, Gesamtstrom, Temperaturen an mehreren Punkten. Diese Daten gehen kontinuierlich ein und werden nicht ab und zu abgetastet. Das ist Echtzeitüberwachung.
Spannungsmessung
Hierauf entfallen bei einem BMS-Design die meisten Kosten.
Jede Zelle oder Parallelgruppe benötigt eine eigene Spannungsmessleitung zurück zu einem analogen Front-End-IC. Für ein 16S-Paket ist das überschaubar. Bei einem 100S+ EV-Paket handelt es sich um mehrere in Reihe-verkettete AFE-Chips, eine isolierte Kommunikation zwischen ihnen und einen Kabelbaum, dessen saubere Verlegung großen Aufwand erfordert. Lärmaufnahme ist ein ständiger Kampf. Lange Messdrähte fungieren als Antennen. Twisted Pairs helfen. Es hilft noch mehr, Hochstrompfade von den Sinnesleitungen fernzuhalten.
Die AFE-Genauigkeitsspezifikation ist viel wichtiger, als die Leute erwarten. NMC-Zellen haben einen nutzbaren Spannungsbereich von vielleicht 1,4 V. Bei 4,2V bist du voll. Bei 4,25 V plattieren Sie Lithium und zerstören die Zelle. Das sind 50 mV Marge. Wenn Ihr AFE eine Genauigkeit von ±15 mV hat, haben Sie allein aufgrund der Messfehler bereits mehr als die Hälfte Ihres Budgets aufgebraucht. Aus diesem Grund verwenden Hochspannungspacks von jedem anständigen Anbieter von Lithiumbatteriepacks die teuren AFEs-6815, 6813 dieser Stufe. Die billigen eignen sich gut für 4S-Elektrowerkzeugpakete. Nicht für Traktion.
LFP ist am oberen Ende nachsichtiger, aber die Spannungskurve ist in der Mitte so flach, dass die SOC-Schätzung schwierig wird. Sie benötigen eine gute Genauigkeit aus einem anderen Grund.
Aktuell
Hall-Effekt-Sensoren oder Shunts. Die Hallen sind elektrisch isoliert, was das Design vereinfacht. Shunts sind genauer, liegen aber im Strompfad, sodass die BMS-Erkennungsschaltung eine Gleichtaktspannung verarbeiten muss, die der Packspannung entspricht. Bei einem 400-V-System nicht trivial.
Shunts verbrauchen auch Strom. Ein 100-µΩ-Shunt bei 500 A senkt 50 mV und verbraucht 25 W. Mit dieser Hitze muss man klarkommen. Und der Shunt-Widerstand schwankt mit der Temperatur, sodass auch der Stromwert schwankt, es sei denn, Sie kompensieren ihn. Bei billigen BMS-Designs ist das nicht der Fall. Dann verschwindet das SOC im Laufe eines Tages und niemand weiß, warum.
Temperatur
Thermistoren sind billig. Die Platzierung ist der schwierige Teil.
Ein Paket könnte 200 Zellen, aber nur 6-8 Temperatursensoren haben. Wohin gehen sie? Die Zellen im geometrischen Zentrum werden am heißesten, da sie von anderen Wärmequellen umgeben sind. Zellen in der Nähe des Gehäuses geben Wärme an die Umgebung ab. Zellen in der Nähe von Sammelschienen nehmen von Hochstromverbindungen geleitete Wärme auf. Ein Hersteller von Lithiumbatteriesystemen, der dies ordnungsgemäß durchführt, führt CFD oder zumindest ein vereinfachtes thermisches Modell durch, bevor er sich auf die Sensorpositionen festlegt. Der Rest setzt einen Thermistor pro Modul ein und hofft auf das Beste.
Der Sensor muss die Zelle berühren. Nicht in der Nähe der Zelle in der Luft schweben. Die Lufttemperatur in einem Gehäuse sagt fast nichts über die Temperatur der Zelloberfläche aus. Wir haben bei Packungen, die auf dem Papier gut aussahen, einen Unterschied von 8–10 Grad zwischen Luft und Zelloberfläche festgestellt.
Auch das Material der thermischen Schnittstelle ist wichtig. Ein trockener Kontakt zwischen Thermistor und Zellengehäuse weist einen hohen thermischen Widerstand auf. Die Lesart bleibt der Realität hinterher. Wenn der Sensor 45 Grad anzeigt, hat die Zelle möglicherweise bereits 52 Grad erreicht und steigt.
Was das BMS mit den Daten macht
Die SOC-Schätzung ist das Wichtigste. Die Coulomb-Zählung integriert den Strom über die Zeit. Die OCV-Suche korreliert die Ruhespannung mit dem Ladezustand. Kalman-Filter oder ähnliches kombinieren beides. Nichts davon funktioniert perfekt. Die Coulomb-Zählung driftet ab, weil die aktuelle Messung nicht perfekt ist und man nie den wahren Ausgangspunkt kennen kann. Bei der OCV-Suche muss das Paket eine Weile ruhen, was im Dauerbetrieb nicht der Fall ist. Der Kalman-Filter hilft, aber er ist nur so gut wie das Zellmodell, auf dem er basiert, und die Zellen altern.
Die SOH-Schätzung verfolgt die Verschlechterung. Kapazitätsverlust, Widerstandswachstum. Dies bedeutet in der Regel, dass regelmäßig ein kontrollierter Lade- oder Entladevorgang durchgeführt und mit dem Ausgangswert verglichen wird. Einige Systeme versuchen, es online aus Betriebsdaten abzuschätzen. Die Ergebnisse variieren.
Die Schutzlogik ist einfacher. Spannung zu hoch, Ladevorgang beenden. Zu niedrig, Entladung stoppen. Strom zu hoch, trennen. Temperatur zu hoch, drosseln oder trennen. Dies sind lediglich Schwellenwertvergleiche. Die richtigen Schwellenwerte erfordern einige Überlegungen. -Zu fest und falsch{7}}stolpern ständig, zu locker und Sie lassen zu, dass die Zellen beschädigt werden.
Balancieren
Mit der Zeit driften Zellen auseinander. Beim passiven Ausgleich wird überschüssige Ladung über Widerstände verbrannt, typischerweise bei 50–100 mA. Es ist langsam. Während eines 4-stündigen Ladezyklus kann der passive Ausgleich 200–400 mAh bewegen. Wenn Ihre Zellen 2000 mAh aus dem Gleichgewicht bringen, reicht das nicht aus.
Aktiver Ausgleich überträgt Ladung zwischen Zellen mithilfe von Induktivitäten oder Kondensatoren. Viel schneller, effizienter, teurer, komplizierter. Für industrielle Lithium-Batterielösungen, bei denen die Akkus täglich stark beansprucht werden, ist ein aktiver Ausgleich sinnvoll. Für einen Rucksack, der bei gelegentlichem Gebrauch die meiste Zeit einen Ladezustand von 50 % hat, ist die passive Funktion in Ordnung.
Kommunikation
CAN-Bus für Fahrzeuge. Modbus für stationäre. Beide funktionieren. Wählen Sie aus, was der Rest des Systems verwendet.
Cloud-Konnektivität klingt auf dem Papier gut. In der Praxis verfügt die Hälfte der Standorte über ein schlechtes Mobilfunksignal, und der Installateur hat kein Budget für eine externe Antenne eingeplant. Die lokale Datenprotokollierung mit regelmäßigem Upload funktioniert bei den meisten kommerziellen Bereitstellungen von Lithiumbatterieanbietern besser als die Annahme einer ständigen Konnektivität.
Standards
ISO 6469 und UN ECE R100 für die Automobilindustrie. UL 9540 für stationäre Lagerung. OSHA und örtliche Brandschutzvorschriften für industrielle Ladebereiche. Ein OEM-Partner für Lithiumbatterien sollte wissen, welche für Ihren Zielmarkt geeignet sind. Die Anforderungen an die Isolationsüberwachung in den Automobilnormen bringen die Menschen in der Serienfertigung am meisten aus der Fassung.
Echtzeitüberwachung ist nicht optional. Die Frage ist, wie viel Genauigkeit und Raffinesse Sie benötigen, und das hängt von den Zellen, der Anwendung und den Folgen eines Fehlers ab.
