System zarządzania akumulatorem

System zarządzania akumulatorem (BMS) w samochodzie elektrycznym to warstwa elektroniki i oprogramowania, która utrzymuje akumulator trakcyjny w dozwolonych granicach pracy. Mierzy parametry pakietu, szacuje wielkości, których nie można zmierzyć bezpośrednio, i steruje jego połączeniem z pojazdem. Przekazuje limity ładowania, hamowania rekuperacyjnego i mocy napędowej do ładowarki, falownika oraz systemu zarządzania termicznego, które odpowiadają za przetwarzanie energii i kontrolę temperatury.

Co BMS mierzy, szacuje i kontroluje?

Akumulator wysokonapięciowy może zawierać setki lub tysiące fizycznych ogniw. Ogniwa połączone równolegle mają wspólne napięcie zaciskowe, dlatego BMS zwykle monitoruje każdą grupę równoległą jako jeden punkt napięciowy. Pakiet opisany na przykład jako 108s4p ma na ogół 108 monitorowanych napięć grup szeregowych, a nie 432 niezależne pomiary napięcia ogniw.

Najważniejsze pomiary bezpośrednie zazwyczaj obejmują:

Napięcie każdej monitorowanej grupy ogniw
Całkowite napięcie pakietu oraz napięcia w kluczowych punktach wokół styczników
Prąd wpływający do pakietu lub z niego wypływający
Temperatury wybranych ogniw, modułów, płyt chłodzących, szyn zbiorczych i komponentów elektrycznych
Izolację elektryczną między układem wysokonapięciowym a podwoziem pojazdu
Stan blokady wysokonapięciowej, styczników, bezpieczników i obwodu ładowania wstępnego

Samo napięcie pakietu nie wystarcza. Dwie grupy ogniw mogą odchylać się w przeciwnych kierunkach, a ich łączne napięcie nadal wyglądać prawidłowo. Grupa o najwyższym napięciu może zakończyć ładowanie, a grupa o najniższym napięciu ograniczyć rozładowanie, nawet gdy średnia pakietu wydaje się prawidłowa.

Niektóre wartości używane przez kierowców i narzędzia serwisowe nie są bezpośrednimi odczytami czujników. BMS szacuje je na podstawie napięcia, prądu, temperatury, czasu, modeli akumulatora i zapisanej historii. Obejmują one:

Stan naładowania (SOC)
Stan energii (SOE)
Stan mocy (SOP)
Stan kondycji (SOH)
Pojemność użytkową i rezystancję wewnętrzną
Maksymalny dozwolony prąd ładowania i rozładowania

Następnie BMS wykorzystuje te informacje do działania. Może sterować stycznikami pakietu i obwodami równoważenia, zarządzać sekwencją ładowania wstępnego, żądać ogrzewania lub chłodzenia oraz przekazywać innym sterownikom limity mocy ładowania, rozładowania i rekuperacji. Samochodowe platformy BMS łączą więc monitorowanie ogniw, pomiar napięcia i prądu na poziomie pakietu, monitorowanie izolacji, sterowanie stycznikami oraz funkcje blokady wysokonapięciowej. (Texas Instruments)

Organizacja sprzętu BMS

Współczesny BMS jest rozproszony wewnątrz akumulatora, a nie zamknięty na jednej płytce drukowanej. Nazwy komponentów są różne, ale wiele systemów dzieli zadania między moduły monitorowania ogniw, centralny sterownik akumulatora i skrzynkę przyłączeniową akumulatora. W 800-woltowej architekturze referencyjnej NXP te trzy warstwy określono jako CMU, BMU i BJB. (NXP)

Moduły monitorowania ogniw

Moduł monitorowania ogniw (Cell-Monitoring Unit, CMU) znajduje się blisko grupy ogniw lub modułów. Jego analogowe układy wejściowe mierzą napięcia grup ogniw oraz sygnały czujników temperatury. Mogą także realizować pasywne równoważenie oraz monitorować połączenia lub inne lokalne czujniki.

Kilka CMU można połączyć w izolowany łańcuch, pierścień, sieć CAN FD albo inną samochodową sieć komunikacyjną. Pomiary muszą docierać niezawodnie pomimo zakłóceń elektrycznych i dużych różnic napięcia między sekcjami pakietu.

Centralna jednostka zarządzania akumulatorem

Jednostka zarządzania akumulatorem (Battery-Management Unit, BMU) jest centralnym sterownikiem. Zbiera pomiary, sprawdza ich wiarygodność, wykonuje algorytmy estymacji stanu, oblicza limity pracy, zapisuje informacje diagnostyczne i wymienia dane ze sterownikiem pojazdu, ładowarką, falownikiem oraz sterownikiem termicznym.

Skrzynka przyłączeniowa akumulatora

Skrzynka przyłączeniowa akumulatora (Battery Junction Box, BJB) mieści układy pomiarowe na poziomie pakietu oraz osprzęt przełączający duże prądy. Zależnie od konstrukcji może zawierać:

Główne styczniki dodatni i ujemny
Stycznik i rezystor ładowania wstępnego
Czujniki prądu pakietu i wysokiego napięcia
Główny bezpiecznik oraz, jeśli występuje, odłącznik pirotechniczny
Układ monitorowania izolacji
Połączenia wysokonapięciowe z falownikiem, układem ładowania i innymi odbiornikami

Porównanie napięć po stronie akumulatora i pojazdu względem styczników pozwala sterownikowi sprawdzić, czy zadane przełączenie faktycznie nastąpiło. Pomiary prądu i napięcia wymagają także dokładnej synchronizacji, ponieważ są wspólnie wykorzystywane do obliczania mocy, rezystancji, SOC i SOH. (Texas Instruments)

Komunikacja przewodowa i bezprzewodowa

Większość pakietów akumulatorowych wykorzystuje komunikację przewodową między modułami monitorującymi. Łącza nadmiarowe lub pierścieniowe mogą umożliwić przesłanie komunikatu inną drogą w razie awarii jednego połączenia.

Bezprzewodowy BMS zastępuje część wewnętrznej wiązki sygnałowej specjalnie zaprojektowaną siecią radiową. Może ograniczyć liczbę złączy, trasowanie przewodów i złożoność montażu, ale nie eliminuje elektroniki monitorującej ogniwa, przewodów pomiaru napięcia, czujników temperatury, obwodów równoważenia, zasilania, diagnostyki ani potrzeby niezawodnej i bezpiecznej komunikacji. Bezprzewodowy sprzęt samochodowego BMS łączy urządzenia monitorujące ogniwa z centralnym sterownikiem BMS; nie jest to bezprzewodowe połączenie z samymi ogniwami. (Analog Devices)

Podłączanie akumulatora wysokonapięciowego

Wyłączenie EV nie pozbawia napięcia ogniw ani wewnętrznych szyn zbiorczych. Duże, sterowane elektrycznie przełączniki nazywane stycznikami zwykle odłączają natomiast zewnętrzne zaciski dodatni i ujemny akumulatora od reszty pojazdu.

Przed zamknięciem styczników BMS sprawdza istotne napięcia i temperatury ogniw, rezystancję izolacji, stan blokady, komunikację i zapisane usterki. Następnie wykonuje ładowanie wstępne.

Falownik, ładowarka pokładowa, przetwornica DC-DC i inne urządzenia wysokonapięciowe zawierają kondensatory. Bezpośrednie podłączenie rozładowanego kondensatora do akumulatora wywołałoby duży prąd udarowy, który mógłby nadpalić lub zespawać powierzchnie styczników oraz obciążyć kable, złącza i bezpieczniki. Konwencjonalny obwód ładowania wstępnego najpierw łączy wysokonapięciową magistralę pojazdu przez rezystor. Gdy napięcie magistrali zbliży się dostatecznie do napięcia pakietu, główne styczniki mogą się zamknąć i ominąć rezystor. (Texas Instruments)

Uproszczona sekwencja uruchamiania wygląda następująco:

Instalacja niskonapięciowa wybudza BMS i pozostałe wymagane sterowniki.
BMS sprawdza monitorowane parametry akumulatora i układu wysokonapięciowego.
Zamykają się obwód ładowania wstępnego i wymagany główny stycznik.
Zewnętrzna magistrala wysokonapięciowa ładuje się przez rezystor ładowania wstępnego.
BMS porównuje napięcie pakietu z napięciem za stycznikami.
Gdy różnica mieści się w dozwolonym zakresie, zamyka się drugi główny stycznik, a obwód ładowania wstępnego zostaje otwarty.

Dokładna kolejność przełączania zależy od konstrukcji. Celem jest zawsze ustanowienie połączenia wysokonapięciowego bez niekontrolowanego prądu udarowego.

Monitorowanie izolacji i blokada wysokonapięciowa

Obwód trakcyjny jest zwykle odizolowany od nadwozia pojazdu. Monitor izolacji mierzy rezystancję elektryczną między układem wysokonapięciowym a podwoziem. Pogorszenie izolacji może wynikać z uszkodzenia jej materiału, przedostania się wody lub płynu chłodzącego, zanieczyszczenia, problemu ze złączem albo usterki akumulatora, falownika, silnika, ładowarki lub okablowania wysokonapięciowego.

Pętla blokady wysokonapięciowej (High-Voltage Interlock Loop, HVIL) jest oddzielnym niskonapięciowym obwodem monitorującym, poprowadzonym przez wybrane złącza, pokrywy i komponenty wysokonapięciowe. Przerwanie pętli informuje pojazd, że część układu wysokonapięciowego może być rozłączona lub otwarta. Zależnie od sytuacji pojazd może przerwać ładowanie, otworzyć styczniki albo uniemożliwić ich zamknięcie.

Z tego samego powodu słaby akumulator 12-woltowy lub 48-woltowy może unieruchomić EV, którego akumulator trakcyjny nadal zawiera dużo energii. BMS, elektronika sterująca i cewki styczników potrzebują zasilania niskonapięciowego, zanim akumulator wysokonapięciowy zostanie połączony z pojazdem.

Szacowanie naładowania, energii, mocy i kondycji

Procent naładowania, pozostała energia, dostępna moc i kondycja akumulatora odpowiadają na różne pytania. Traktowanie ich jako jednej wartości jest źródłem wielu nieporozumień dotyczących diagnostyki akumulatorów.

Stan naładowania

Stan naładowania (SOC) to oszacowany poziom ładunku w określonym oknie pracy akumulatora. Wartość procentowa wyświetlana kierowcy zwykle odpowiada oknu użytkowemu, a nie pełnemu zakresowi elektrochemicznemu ogniw. Część pojemności może być zarezerwowana powyżej wskazywanych 100% i poniżej wskazywanych 0%, jak wyjaśnia artykuł Bufor i pojemność użytkowa akumulatora.

SOC nie można zmierzyć jednym czujnikiem. BMS łączy kilka metod:

Zliczanie ładunku całkuje prąd w czasie, aby śledzić ładunek wpływający do akumulatora i z niego wypływający.
Korekta napięciowa porównuje zmierzone lub modelowane napięcie obwodu otwartego z danymi referencyjnymi właściwymi dla danej chemii.
Modele akumulatora przewidują odpowiedź napięciową na podstawie SOC, prądu, temperatury, rezystancji, niedawnej historii i parametrów związanych ze starzeniem.
Algorytmy obserwatora, w tym warianty filtru Kalmana, porównują przewidywania modelu z pomiarami i korygują oszacowanie.

Zliczanie ładunku natychmiast reaguje na przepływ energii, ale niewielki błąd czujnika prądu z czasem narasta. Napięcie zapewnia punkt odniesienia, lecz napięcie zaciskowe zmienia się także pod wpływem obciążenia, temperatury, rezystancji, histerezy i czasu od ładowania lub rozładowania. Algorytmy produkcyjne łączą więc pomiary i modele, zamiast polegać na jednej metodzie. (Analog Devices)

Szacowanie SOC ogniw LFP jest szczególnie wymagające w środkowej części zakresu pracy, ponieważ krzywa napięcia obwodu otwartego jest stosunkowo płaska i podlega histerezie. Niewielki błąd napięcia może odpowiadać znacznie większemu błędowi SOC niż na stromym odcinku krzywej. Dokładna estymacja LFP silnie zależy więc od precyzyjnego pomiaru prądu, modelu właściwego dla tej chemii, kompensacji temperatury oraz możliwości korekty oszacowania w miarodajnych punktach pracy. (ACS Energy Letters)

Wyświetlana wartość procentowa jest zwykle filtrowana, aby nie skakała przy każdej niewielkiej zmianie oszacowania. Nadal może zostać skorygowana po długim postoju, naładowaniu prawie do pełna, głębokim rozładowaniu, dużej zmianie temperatury lub uzyskaniu nowych danych o pojemności. Energia nie pojawiła się ani nie zniknęła nagle; ponownie skalibrowano jej oszacowanie.

Stan energii

Stan energii (SOE) określa szacowaną pozostałą energię użytkową, zwykle w kWh. Jest powiązany z SOC, lecz zależy także od pojemności użytkowej, napięcia, temperatury, strat i warunków rozładowania.

Dwa pakiety o SOC 50% nie muszą mieć tej samej pozostałej energii. Nawet ten sam pakiet może chwilowo udostępniać mniej energii, gdy jest bardzo zimny. Prognozowany przez pojazd zasięg uwzględnia dodatkowe czynniki spoza BMS, w tym ostatnie zużycie energii, prędkość, trasę, pogodę i energię wykorzystywaną w kabinie.

Stan mocy

Stan mocy (SOP) to szacowana moc, którą akumulator może przyjąć lub oddać bez przekroczenia limitów napięcia, prądu, SOC i temperatury w określonym czasie. Limity ładowania i rozładowania oblicza się oddzielnie, a krótkotrwały limit szczytowy może znacznie przekraczać limit ciągły.

Obliczenie uwzględnia przewidywaną reakcję ograniczających grup ogniw, a nie tylko średnią pakietu. Znaczenie mają SOC, temperatura, rezystancja, zapas do limitu napięcia ogniw, czas trwania oraz limity prądowe pakietu. Modele mocy akumulatora obliczają więc różne maksymalne wartości ładowania i rozładowania dla określonego horyzontu prognozy. (MathWorks)

Stan kondycji

Stan kondycji (SOH) opisuje zmianę możliwości akumulatora względem stanu odniesienia, zwykle gdy był nowy. Nie istnieje jedna uniwersalna definicja SOH.

SOH oparty na pojemności porównuje obecną pojemność użytkową z wybraną wartością referencyjną nowego akumulatora. Ocena oparta na mocy uwzględnia rezystancję oraz zdolność ładowania lub rozładowania z wymaganą szybkością. Pełny model kondycji może również wykorzystywać niezrównoważenie ogniw, samorozładowanie, przepływ energii, narażenie na temperaturę, historię usterek i wiek kalendarzowy.

Akumulator może zachować większość pojemności energetycznej, a wraz ze wzrostem rezystancji stracić część mocy szczytowej. Inny może wykazywać mierzalną utratę pojemności, lecz nadal spełniać wszystkie wymagania pojazdu dotyczące osiągów. Dlatego wartości procentowe SOH różnych producentów, aplikacji diagnostycznych i procedur gwarancyjnych nie są automatycznie porównywalne. Metody pomiaru i długoterminowe skutki opisuje artykuł Degradacja akumulatora.

Jak BMS steruje ładowaniem i jazdą?

BMS stale oblicza maksymalne dozwolone limity ładowania i rozładowania. Inne sterowniki muszą utrzymywać swoje żądania w tych granicach.

Podczas szybkiego ładowania DC pojazd przekazuje stacji ładowania dozwolone napięcie i prąd akumulatora. Stacja może dysponować mocą większą niż żąda akumulator. BMS może zmniejszyć żądanie z powodu:

Wysokiego napięcia grupy ogniw
Niskiej lub wysokiej temperatury akumulatora
Wysokiego SOC
Zwiększonej rezystancji
Niezrównoważenia ogniw
Niewystarczającego chłodzenia
Usterki czujnika lub komunikacji

Osiągnięcie górnego limitu napięcia przez jedną grupę może wymusić ograniczenie prądu ładowania, nawet gdy średni SOC pakietu sugeruje jeszcze wolną pojemność. Pełna krzywa ładowania zależy także od limitów napięcia i prądu po stronie ładowarki, sprzętu przekształcającego energię w pojeździe oraz strategii ładowania producenta. Zależności te opisuje artykuł Ładowanie akumulatora i wydajność ładowania.

Limit rozładowania działa w przeciwnym kierunku. Przy niskim SOC, ekstremalnej temperaturze lub wysokiej rezystancji grupa o najniższym napięciu może pod obciążeniem zbliżyć się do dolnego limitu. BMS zmniejsza wtedy moc dostępną dla falownika. Może to ograniczyć przyspieszenie lub wywołać ostrzeżenie o małej mocy, mimo że same silniki mogłyby dostarczyć jej więcej.

Hamowanie rekuperacyjne jest zdarzeniem ładowania. Akumulator prawie pełny, zimny, gorący, niezrównoważony lub ograniczony z innego powodu nie może przyjąć całej żądanej mocy rekuperacji. Sterownik hamowania ogranicza wówczas rekuperację silnikiem i uzupełnia pozostałe opóźnienie hamulcami ciernymi.

Równie ważne są limity temperatury. BMS interpretuje dane czujników akumulatora i żąda ogrzewania lub chłodzenia; pracę wykonują pompy, zawory, wentylatory, grzałki, obiegi czynnika chłodniczego i inny osprzęt termiczny. Akumulator wystarczająco ciepły do normalnej jazdy może nadal być zbyt zimny, by osiągnąć maksymalną moc szybkiego ładowania. Konstrukcję systemu i strategie wstępnego przygotowania opisuje artykuł Zarządzanie termiczne akumulatora.

Ochrona, obsługa usterek i bezpieczeństwo funkcjonalne

BMS ma utrzymywać każdą monitorowaną część akumulatora w dozwolonym obszarze pracy. Wykrywa zbyt wysokie i zbyt niskie napięcie, nadmierny prąd, niewłaściwą temperaturę, nietypowy rozrzut temperatur, utratę izolacji, przerwanie HVIL, niezrównoważenie ogniw, rozbieżność czujników, usterki styczników oraz utratę komunikacji.

Ochrona jest zwykle stopniowana, a nie oparta na natychmiastowym odłączeniu:

Zapisanie zdarzenia diagnostycznego lub zwiększenie częstotliwości monitorowania.
Żądanie ogrzewania lub chłodzenia.
Ograniczenie mocy rekuperacji, ładowania lub napędu.
Zatrzymanie ładowania lub polecenie falownikowi usunięcia obciążenia.
Ostrzeżenie kierowcy.
Otwarcie styczników lub uniemożliwienie ponownego podłączenia układu wysokonapięciowego.

Otwarcie styczników przy przepływie dużego prądu może samo wywołać obciążenie elektryczne. Jeśli warunki na to pozwalają, pojazd najpierw zmniejsza prąd, a dopiero potem odłącza układ. Natychmiastową izolację stosuje się przy usterkach, w których pozostawienie połączenia stanowi większe zagrożenie.

BMS musi także wykrywać usterki własnych czujników, komunikacji i osprzętu przełączającego. Może porównywać nadmiarowe pomiary, sprawdzać fizyczną wiarygodność zależności między napięciem i prądem, potwierdzać, czy zadane przełączenie stycznika zmieniło zmierzone napięcie, oraz wykorzystywać niezależne ścieżki ochronne dla krytycznych usterek. ISO/TR 9968 adaptuje ramy bezpieczeństwa funkcjonalnego ISO 26262 do ładowalnych systemów magazynowania energii i wyraźnie włącza do zakresu systemu BMS, ogniwa, wiązki oraz połączenia. (ISO)

Czego BMS nie może zapobiec?

BMS może zmniejszyć prąd, zażądać chłodzenia, przerwać ładowanie, odłączyć zewnętrzny obwód wysokonapięciowy i zapisać zdarzenie. Nie może usunąć energii chemicznej już zgromadzonej w ogniwach.

Jeśli wewnętrzne zwarcie przeszło w samopodtrzymującą ucieczkę termiczną, otwarcie styczników zatrzymuje zewnętrzny przepływ prądu, ale może nie przerwać reakcji wewnątrz uszkodzonego ogniwa. Niezbędne pozostają: konstrukcja ogniwa, jakość produkcji, chłodzenie, ochrona elektryczna, odprowadzanie gazów, bariery pakietu, zarządzanie ciśnieniem, struktura zderzeniowa i odporność na propagację. Badania ucieczki termicznej ogniw litowo-jonowych pokazują, że wydzielanie ciepła, propagacja wewnętrzna i wyrzucany materiał zależą od geometrii ogniwa oraz mechanizmu inicjującego awarię. (NREL)

Równoważenie, diagnostyka i historia akumulatora

Niewielkie różnice pojemności, rezystancji, samorozładowania i temperatury powodują stopniowe rozchodzenie się parametrów grup ogniw połączonych szeregowo. BMS porównuje ich zachowanie i używa obwodów równoważenia, aby zmniejszać różnice poziomu naładowania.

Równoważenie może pomóc grupom bardziej równomiernie osiągać górne i dolne limity, dzięki czemu można wykorzystać większą część istniejącej pojemności pakietu. Nie naprawi uszkodzonego ogniwa ani nie przywróci utraconej pojemności. Metody, moment działania i ograniczenia opisuje artykuł Równoważenie ogniw.

BMS zapisuje także informacje wykorzystywane podczas serwisu i długoterminowej estymacji. Zależnie od producenta mogą one obejmować:

Minimalne i maksymalne napięcia grup ogniw
Skrajne temperatury i zdarzenia przegrzania
Historię ładowania, przepływu energii i czasu pracy
Trendy szacowanej pojemności i rezystancji
Usterki izolacji, styczników, czujników i komunikacji
Niezrównoważenie ogniw i nietypowe samorozładowanie
Kody usterek diagnostycznych i przerwy w ładowaniu

Nie wszystkie wartości wewnętrzne są dostępne przez ogólny interfejs diagnostyczny. Aplikacja zewnętrzna może udostępniać tylko część z nich, a wyświetlana wartość może być filtrowana, skalowana lub interpretowana inaczej niż dane inżynieryjne albo gwarancyjne producenta.

Co zauważa kierowca?

Większość pracy BMS pozostaje niewidoczna, ale jego decyzje wyjaśniają kilka typowych zachowań EV:

Zmienia się moc ładowania: Akumulator może żądać mniejszej mocy, niż ładowarka jest w stanie dostarczyć, z powodu SOC, temperatury, rozrzutu napięć, rezystancji lub limitu ochronnego.
Hamowanie rekuperacyjne jest ograniczone: Akumulator nie ma wystarczającego zapasu mocy ładowania, więc pojazd w większym stopniu wykorzystuje hamulce cierne.
Przyspieszenie jest ograniczone: Niski SOC, niewłaściwa temperatura, spadek napięcia lub usterka zmniejszyły dozwoloną moc rozładowania.
Wartość procentowa zmienia się po postoju lub pełnym ładowaniu: Algorytm SOC skorygował swoje oszacowanie.
Szybkie ładowanie poprawia się po wstępnym przygotowaniu: Cieplejsze ogniwa mają niższą rezystancję i często mogą przyjąć wyższy prąd zatwierdzony przez BMS.
Pojazd nie przechodzi w tryb jazdy: Problem z zasilaniem niskonapięciowym, usterka izolacji, przerwana blokada, usterka stycznika lub utrata komunikacji BMS mogą uniemożliwić podłączenie układu wysokonapięciowego.

Dla nabywcy używanego EV wartość SOH podawana przez BMS jest użyteczna tylko wtedy, gdy znane są jej definicja i metoda pomiaru. Rzetelna ocena uwzględnia energię użytkową, możliwości mocowe, równowagę ogniw, historię diagnostyczną, zachowanie podczas ładowania oraz metodę gwarancyjną producenta — a nie jedną niewyjaśnioną liczbę.

BMS jest więc czymś więcej niż wskaźnikiem akumulatora lub wyłącznikiem awaryjnym. Jego pomiary, modele, kalibracja i strategia ochronna określają, jak dużą część fizycznych możliwości ogniw pojazd może wykorzystać w danej chwili.