Batterijmanagementsysteem

Het batterijmanagementsysteem (BMS) van een EV is de elektronische en softwarematige laag die de tractiebatterij binnen haar toegestane werkingsgrenzen houdt. Het meet het pakket, schat omstandigheden die niet rechtstreeks kunnen worden gemeten en regelt de verbinding met het voertuig. Het communiceert limieten voor laden, regeneratief remmen en aandrijfvermogen aan de lader, omvormer en het thermische beheersysteem, die de energieomzetting en temperatuurregeling uitvoeren.

Wat het BMS meet, schat en regelt

Een hoogspanningsbatterij kan honderden of duizenden fysieke cellen bevatten. Parallel geschakelde cellen hebben dezelfde klemspanning, zodat het BMS iedere parallelle groep normaal als één spanningspunt bewaakt. Een pakket dat bijvoorbeeld als 108s4p wordt beschreven, heeft doorgaans 108 bewaakte spanningen van groepen in serie en geen 432 los gemeten celspanningen.

De belangrijkste rechtstreekse metingen omvatten doorgaans:

Spanning van iedere bewaakte celgroep
Totale pakketspanning en spanningen op belangrijke punten rond de contactoren
Stroom die het pakket in- of uitgaat
Temperaturen bij geselecteerde cellen, modules, koelplaten, busbars en elektrische componenten
Elektrische isolatie tussen het hoogspanningssysteem en het voertuigchassis
Status van hoogspanningsinterlock, contactoren, zekering en voorlaadcircuit

De pakketspanning alleen is niet genoeg. Twee celgroepen kunnen in tegengestelde richting afwijken terwijl hun gecombineerde spanning nog normaal lijkt. De groep met de hoogste spanning kan het laden beëindigen en die met de laagste spanning kan het ontladen begrenzen, ook wanneer het pakketgemiddelde aanvaardbaar lijkt.

Verschillende waarden die bestuurders en onderhoudsapparatuur gebruiken, zijn geen rechtstreekse sensormetingen. Het BMS schat ze op basis van spanning, stroom, temperatuur, tijd, batterijmodellen en opgeslagen historie. Deze schattingen omvatten:

Laadtoestand (SOC)
Energietoestand (SOE)
Vermogenstoestand (SOP)
Gezondheidstoestand (SOH)
Bruikbare capaciteit en interne weerstand
Maximaal toegestane laad- en ontlaadstroom

Vervolgens handelt het BMS op basis van die informatie. Het kan de pakketcontactoren en balanceercircuits bedienen, de voorlaadprocedure beheren, om verwarming of koeling vragen en laad-, ontlaad- en regeneratieve-vermogenslimieten aan andere regeleenheden communiceren. BMS-platforms voor voertuigen combineren daarom celbewaking, spannings- en stroommeting op pakketniveau, isolatiebewaking, contactorregeling en hoogspanningsinterlockfuncties. (Texas Instruments)

Hoe de BMS-hardware is georganiseerd

Een modern BMS is over de batterij verdeeld en bevindt zich niet op één printplaat. De namen van componenten verschillen, maar veel systemen verdelen het werk tussen celbewakingseenheden, een centrale batterijregeleenheid en een battery junction box. De 800-volt-referentiearchitectuur van NXP gebruikt voor deze drie lagen de termen CMU, BMU en BJB. (NXP)

Celbewakingseenheden

Een Cell-Monitoring Unit (CMU) bevindt zich dicht bij een groep cellen of modules. De analoge front-endcircuits meten celgroepsspanningen en ingangen van temperatuursensoren. Ze kunnen ook passieve balancering uitvoeren en verbindingen of andere lokale sensoren bewaken.

Meerdere CMU's kunnen via een geïsoleerde daisychain, een ring, CAN FD of een ander voertuignetwerk met elkaar worden verbonden. Metingen moeten ondanks elektrische ruis en grote spanningsverschillen tussen delen van het pakket betrouwbaar aankomen.

Batterijmanagementeenheid

De Battery-Management Unit (BMU) is de centrale regeleenheid. Ze verzamelt metingen, controleert hun aannemelijkheid, voert algoritmen voor toestandschatting uit, berekent werkingslimieten, slaat diagnose-informatie op en wisselt gegevens uit met de voertuigregelaar, lader, omvormer en thermische regelaar.

Battery junction box

De Battery Junction Box (BJB) bevat meetfuncties op pakketniveau en schakelhardware voor hoge stroom. Afhankelijk van het ontwerp kan deze het volgende bevatten:

Positieve en negatieve hoofdcontactoren
Een voorlaadcontactor en -weerstand
Sensoren voor pakketstroom en hoogspanning
De hoofdzekering en, indien aanwezig, een pyrotechnische scheider
Hardware voor isolatiebewaking
Hoogspanningsaansluitingen naar de omvormer, het laadsysteem en andere verbruikers

Door spanningen aan de batterij- en voertuigzijde van de contactoren te vergelijken, kan de regelaar controleren of het opgedragen schakelen werkelijk heeft plaatsgevonden. Stroom- en spanningsmetingen moeten ook nauwkeurig gesynchroniseerd zijn, omdat ze samen voor berekeningen van vermogen, weerstand, SOC en SOH worden gebruikt. (Texas Instruments)

Bedrade en draadloze communicatie

De meeste accupakketten gebruiken bedrade communicatie tussen de bewakingseenheden. Redundante verbindingen of ringverbindingen kunnen berichten een andere route bieden als één verbinding uitvalt.

Een draadloos BMS vervangt een deel van deze interne signaalbekabeling door een speciaal radionetwerk. Het kan het aantal stekkers, de kabelgeleiding en de assemblage vereenvoudigen, maar neemt celbewakingselektronica, spanningsmeetaansluitingen, temperatuursensoren, balanceercircuits, voedingen, diagnose of de noodzaak van betrouwbare en beveiligde communicatie niet weg. Draadloze BMS-hardware voor voertuigen verbindt de celbewakingsapparaten met de centrale BMS-regelaar; het is geen draadloze verbinding met de batterijcellen zelf. (Analog Devices)

De hoogspanningsbatterij verbinden

Het uitschakelen van een EV maakt de cellen of interne busbars niet spanningsvrij. Grote elektrisch bediende schakelaars, contactoren genoemd, koppelen normaal de externe positieve en negatieve pakketpolen los van de rest van het voertuig.

Voordat het BMS deze contactoren sluit, controleert het relevante celspanningen en temperaturen, isolatieweerstand, interlockstatus, communicatie en opgeslagen storingen. Vervolgens voert het de voorlading uit.

De omvormer, boordlader, DC-DC-omvormer en andere hoogspanningselektronica bevatten condensatoren. Als een ongeladen condensator rechtstreeks met de batterij werd verbonden, zou een grote inschakelstroom ontstaan die de contactoroppervlakken kan aantasten of vastlassen en kabels, stekkers en zekeringen kan belasten. Een conventioneel voorlaadcircuit verbindt de hoogspanningsbus van het voertuig eerst via een weerstand. Wanneer de busspanning dicht genoeg bij de pakketspanning ligt, kunnen de hoofdcontactoren sluiten en de weerstand overbruggen. (Texas Instruments)

Een vereenvoudigde opstartprocedure is:

Het laagspanningssysteem maakt het BMS en de andere benodigde regeleenheden actief.
Het BMS controleert de bewaakte omstandigheden in de batterij en het hoogspanningssysteem.
Het voorlaadpad en de benodigde hoofdcontactor worden gesloten.
De externe hoogspanningsbus laadt via de voorlaadweerstand op.
Het BMS vergelijkt de pakketspanning met de spanning voorbij de contactoren.
Wanneer het verschil binnen het toegestane bereik ligt, sluit de resterende hoofdcontactor en opent het voorlaadpad.

De exacte schakelvolgorde verschilt per ontwerp. Het doel is altijd de hoogspanningsverbinding tot stand te brengen zonder onbeheersbare inschakelstroom.

Isolatiebewaking en de hoogspanningsinterlock

Het aandrijfcircuit is normaal van de voertuigcarrosserie geïsoleerd. Een isolatiebewaker meet de elektrische weerstand tussen het hoogspanningssysteem en het chassis. Verminderde isolatie kan het gevolg zijn van beschadigde isolatie, binnengedrongen water of koelmiddel, verontreiniging, een stekkerprobleem of een storing in de batterij, omvormer, motor, lader of hoogspanningsbekabeling.

De High-Voltage Interlock Loop (HVIL) is een afzonderlijk laagspanningsbewakingscircuit dat door geselecteerde hoogspanningsstekkers, afdekkingen en componenten loopt. Een onderbroken lus vertelt het voertuig dat een deel van het hoogspanningssysteem mogelijk is losgekoppeld of geopend. Afhankelijk van de situatie kan het voertuig het laden stoppen, de contactoren openen of verhinderen dat ze sluiten.

Daarom kan een zwakke 12- of 48-voltbatterij ook een EV immobiliseren waarvan de tractiebatterij nog ruim voldoende energie bevat. Het BMS, de regelelektronica en de contactorspoelen hebben laagspanningsvoeding nodig voordat de hoogspanningsbatterij met het voertuig kan worden verbonden.

Lading, energie, vermogen en gezondheid schatten

Batterijpercentage, resterende energie, beschikbaar vermogen en batterijgezondheid beantwoorden verschillende vragen. Ze als één waarde behandelen veroorzaakt veel verwarring rond batterijdiagnose.

Laadtoestand

Laadtoestand (SOC) is het geschatte ladingsniveau binnen het vastgelegde werkingsvenster van de batterij. Het percentage dat de bestuurder ziet, wordt normaal op het bruikbare venster afgebeeld, niet op het volledige elektrochemische bereik van de cellen. Boven weergegeven 100% en onder weergegeven 0% kan capaciteit zijn gereserveerd, zoals uitgelegd in Batterijbuffer en bruikbare capaciteit.

SOC kan niet met één sensor worden gemeten. Het BMS combineert verschillende methoden:

Coulombtelling integreert stroom in de tijd om lading te volgen die de batterij in- en uitgaat.
Correctie op basis van spanning vergelijkt gemeten of gemodelleerde nullastspanning met chemiespecifieke referentiegegevens.
Batterijmodellen voorspellen de spanningsreactie op basis van SOC, stroom, temperatuur, weerstand, recente historie en verouderingsparameters.
Waarnemeralgoritmen, waaronder varianten van het Kalmanfilter, vergelijken modelvoorspellingen met metingen en corrigeren de schatting.

Coulombtelling reageert onmiddellijk op energiestromen, maar een kleine offset van de stroomsensor stapelt zich na verloop van tijd op tot een grotere fout. Spanning biedt een referentie, maar de klemspanning verandert ook met belasting, temperatuur, weerstand, hysterese en de tijd sinds laden of ontladen. Productiealgoritmen combineren daarom metingen en modellen in plaats van één methode volledig te vertrouwen. (Analog Devices)

SOC-schatting is bij LFP-cellen bijzonder veeleisend door het middelste deel van hun werkingsbereik, omdat de nullastspanningscurve relatief vlak is en door hysterese wordt beïnvloed. Een kleine spanningsfout kan daar een veel grotere SOC-fout vertegenwoordigen dan in een steil deel van de curve. Nauwkeurige LFP-schatting is daarom sterk afhankelijk van precieze stroommeting, een chemiespecifiek model, temperatuurcompensatie en mogelijkheden om de schatting op informatieve werkingspunten te corrigeren. (ACS Energy Letters)

Het weergegeven percentage wordt doorgaans gefilterd, zodat het niet bij iedere kleine verandering van de schatting verspringt. Het kan nog altijd worden gecorrigeerd na lange rust, bijna volledig laden, diep ontladen, een grote temperatuurverandering of nieuw aangeleerde capaciteitsgegevens. Er is niet plotseling energie verschenen of verdwenen; de schatting is opnieuw gekalibreerd.

Energietoestand

Energietoestand (SOE) schat de resterende bruikbare energie, doorgaans in kWh. Ze houdt verband met SOC, maar hangt ook af van bruikbare capaciteit, spanning, temperatuur, verliezen en ontlaadomstandigheden.

Twee pakketten met 50% SOC hoeven niet dezelfde resterende energie te hebben. Zelfs hetzelfde pakket kan bij grote kou direct minder energie toegankelijk maken. Het voorspelde rijbereik van het voertuig voegt factoren buiten het BMS toe, waaronder recent verbruik, snelheid, route, weer en energiegebruik in de cabine.

Vermogenstoestand

Vermogenstoestand (SOP) is het geschatte vermogen dat de batterij gedurende een bepaalde tijd kan opnemen of leveren zonder haar spannings-, stroom-, SOC- en temperatuurgrenzen te overschrijden. Laad- en ontlaadlimieten worden afzonderlijk berekend en een korte pieklimiet kan veel hoger zijn dan een continue limiet.

De berekening houdt rekening met de voorspelde reactie van de begrenzende celgroepen, niet alleen met het pakketgemiddelde. SOC, temperatuur, weerstand, resterende ruimte tot de celspanningsgrens, duur en stroomlimieten van het pakket zijn allemaal relevant. Batterijvermogensmodellen berekenen daarom verschillende maximale laad- en ontlaadwaarden voor een vastgelegde voorspellingsperiode. (MathWorks)

Gezondheidstoestand

Gezondheidstoestand (SOH) beschrijft hoe de batterijcapaciteiten ten opzichte van een referentietoestand, doorgaans nieuw, zijn veranderd. Er bestaat geen universele SOH-definitie.

Een op capaciteit gebaseerde SOH vergelijkt de huidige bruikbare capaciteit met de gekozen referentie voor een nieuwe batterij. Een beoordeling op basis van vermogen houdt rekening met weerstand en het vermogen om met de vereiste snelheid te laden of ontladen. Een volledig gezondheidsmodel kan ook celonbalans, zelfontlading, energieomzet, temperatuurblootstelling, storingshistorie en kalenderleeftijd gebruiken.

Een batterij kan het grootste deel van haar energiecapaciteit behouden en door een toenemende weerstand toch een deel van haar piekvermogen verliezen. Een andere kan meetbaar capaciteit verliezen en toch aan iedere prestatie-eis van het voertuig voldoen. Daarom zijn SOH-percentages van verschillende fabrikanten, diagnoseapps en garantieprocedures niet automatisch vergelijkbaar. De meetmethoden en langetermijneffecten worden behandeld in Batterijdegradatie.

Hoe het BMS laden en rijden regelt

Het BMS berekent voortdurend de maximaal toegestane laad- en ontlaadlimieten. Andere regeleenheden moeten hun verzoeken binnen deze grenzen houden.

Tijdens DC-snelladen communiceert het voertuig de toegestane batterijspanning en -stroom aan het laadstation. Het station kan meer vermogen kunnen leveren dan de batterij vraagt. Het BMS kan het verzoek verlagen door:

Een hoge celgroepsspanning
Lage of hoge batterijtemperatuur
Hoge SOC
Toegenomen weerstand
Celonbalans
Onvoldoende koeling
Een sensor- of communicatiestoring

Wanneer één groep haar bovenspanningslimiet bereikt, kan de laadstroom moeten worden afgebouwd, ook als de gemiddelde pakket-SOC nog ruimte lijkt te bieden. De volledige laadcurve hangt ook af van spannings- en stroomlimieten aan de laderzijde, omzettingshardware van het voertuig en de laadstrategie van de fabrikant. Deze interacties worden behandeld in Batterij laden en laadprestaties.

De ontlaadlimiet werkt in tegengestelde richting. Bij een lage SOC, extreme temperatuur of hoge weerstand kan de groep met de laagste spanning onder belasting haar ondergrens naderen. Het BMS verlaagt dan het vermogen dat de omvormer ter beschikking staat. Dit kan minder acceleratie of een waarschuwing voor laag vermogen veroorzaken, ook als de motoren zelf meer zouden kunnen leveren.

Regeneratief remmen is een laadgebeurtenis. Een bijna volle, koude, hete, ongebalanceerde of anderszins in laadvermogen beperkte batterij kan niet al het gevraagde regeneratieve vermogen opnemen. De remregelaar vermindert dan de motorregeneratie en levert de resterende vertraging met de wrijvingsremmen.

Temperatuurlimieten zijn even belangrijk. Het BMS interpreteert de batterijsensoren en vraagt om verwarming of koeling; pompen, kleppen, ventilatoren, verwarmingselementen, koudemiddelcircuits en andere thermische hardware voeren het werk uit. Een batterij die warm genoeg is voor normaal rijden, kan nog te koud zijn voor maximaal snellaadvermogen. Het systeemontwerp en de preconditioneringsstrategieën worden uitgelegd in Thermisch beheer van de batterij.

Beveiliging, storingsbeheer en functionele veiligheid

Het BMS probeert ieder bewaakt deel van de batterij binnen een toegestaan werkingsgebied te houden. Het let op overspanning, onderspanning, te hoge stroom, ongeschikte temperatuur, abnormale temperatuurspreiding, isolatieverlies, HVIL-onderbreking, celonbalans, uiteenlopende sensorwaarden, contactorstoringen en communicatieverlies.

Beveiliging verloopt doorgaans in fasen en niet via onmiddellijke loskoppeling:

Een diagnosegebeurtenis registreren of de bewaking intensiveren.
Om verwarming of koeling vragen.
Regeneratief, laad- of aandrijfvermogen verminderen.
Het laden stoppen of de omvormer opdragen de belasting weg te nemen.
De bestuurder waarschuwen.
De contactoren openen of verhinderen dat het hoogspanningssysteem opnieuw verbinding maakt.

Het openen van contactoren terwijl veel stroom loopt, kan zelf elektrische belasting veroorzaken. Wanneer de omstandigheden het toelaten, vermindert het voertuig eerst de stroom en koppelt het daarna los. Onmiddellijke isolatie blijft voorbehouden aan storingen waarbij verbonden blijven het grootste risico vormt.

Het BMS moet ook storingen in zijn eigen sensoren, communicatie en schakelhardware herkennen. Het kan redundante metingen vergelijken, controleren of relaties tussen spanning en stroom fysiek aannemelijk zijn, verifiëren dat een opgedragen beweging van een contactor de gemeten spanning heeft veranderd en onafhankelijke beveiligingspaden voor kritieke storingen gebruiken. ISO/TR 9968 als technische richtlijn past het kader voor functionele veiligheid van ISO 26262 toe op oplaadbare energieopslagsystemen en neemt het BMS, de cellen, kabelbomen en verbindingen expliciet in het systeem toepassingsgebied op. (ISO)

Wat het BMS niet kan voorkomen

Het BMS kan stroom verminderen, om koeling vragen, het laden stoppen, het externe hoogspanningscircuit loskoppelen en de gebeurtenis registreren. Het kan de chemische energie die al in de cellen is opgeslagen niet verwijderen.

Als een interne kortsluiting is geëscaleerd tot zichzelf in stand houdende thermal runaway, stopt het openen van de contactoren de externe stroom, maar mogelijk niet de reacties in de getroffen cel. Celontwerp, productiekwaliteit, koeling, elektrische beveiliging, ontluchting, pakketbarrières, drukbeheer, botsstructuur en weerstand tegen voortplanting blijven essentieel. Onderzoek naar thermal runaway in lithium-ioncellen toont dat warmteafgifte, interne voortplanting en uitgestoten materiaal afhangen van celgeometrie en het aanvankelijke storingsmechanisme. (NREL)

Balancering, diagnose en batterijhistorie

Kleine verschillen in capaciteit, weerstand, zelfontlading en temperatuur laten in serie geschakelde celgroepen uiteenlopen. Het BMS vergelijkt hun gedrag en gebruikt balanceercircuits om verschillen in ladingsniveau te verminderen.

Balancering kan de groepen helpen hun boven- en ondergrenzen gelijkmatiger te bereiken, waardoor meer van de bestaande pakketcapaciteit bruikbaar wordt. Ze kan een beschadigde cel niet repareren of verloren capaciteit herstellen. De methoden, timing en beperkingen worden behandeld in Celbalancering.

Het BMS slaat ook informatie op die voor onderhoud en langetermijnschattingen wordt gebruikt. Afhankelijk van de fabrikant kan deze omvatten:

Minimale en maximale celgroepsspanningen
Temperatuurextremen en gebeurtenissen met te hoge temperatuur
Historie van lading, energie en bedrijfstijd
Geschatte trends in capaciteit en weerstand
Storingen in isolatie, contactoren, sensoren en communicatie
Celonbalans en abnormale zelfontlading
Diagnosestoringcodes en laadonderbrekingen

Niet alle interne waarden zijn via een algemene diagnose-interface beschikbaar. Een toepassing van een derde partij kan slechts een deel tonen en een weergegeven waarde kan anders zijn gefilterd, geschaald of geïnterpreteerd dan in de technische of garantiegegevens van de fabrikant.

Wat de bestuurder merkt

Het meeste BMS-werk is onzichtbaar, maar de beslissingen verklaren verschillende bekende EV-gedragingen:

Het laadvermogen verandert: de batterij kan door SOC, temperatuur, spanningsspreiding, weerstand of een beveiligingsgrens minder vermogen vragen dan de lader kan leveren.
Regeneratief remmen wordt beperkt: de batterij heeft onvoldoende ruimte voor laadvermogen, zodat het voertuig meer wrijvingsremming bijmengt.
Acceleratie wordt beperkt: een lage SOC, ongeschikte temperatuur, spanningsinzinking of storing heeft het toegestane ontlaadvermogen verminderd.
Het percentage verandert na rust of volledig laden: het SOC-algoritme heeft zijn schatting gecorrigeerd.
Snelladen verbetert na preconditionering: warmere cellen hebben minder weerstand en kunnen vaak een hogere door het BMS goedgekeurde stroom opnemen.
Het voertuig schakelt niet naar de rijstand: een probleem met de laagspanningsvoeding, isolatiestoring, onderbroken interlock, contactorstoring of verloren BMS-communicatie kan verhinderen dat het hoogspanningssysteem verbinding maakt.

Voor een koper van een gebruikte EV is een door het BMS gemeld SOH-percentage alleen nuttig wanneer de definitie en meetmethode bekend zijn. Een goede beoordeling kijkt naar bruikbare energie, vermogenspotentieel, celbalans, diagnosehistorie, laadgedrag en de garantiemethode van de fabrikant, niet naar één onverklaard getal.

Het BMS is dus meer dan een batterijmeter of noodschakelaar. Zijn metingen, modellen, kalibratie en beveiligingsstrategie bepalen hoeveel van het fysieke vermogen van de cellen het voertuig op ieder moment kan gebruiken.