Ein Artikel zum Verständnis des BMS-Batteriemanagementsystems
Ein Artikel zum Verständnis des BMS-Batteriemanagementsystems
Das Batteriemanagementsystem (BMS) ist ein wichtiger Bestandteil des Antriebssystems von Elektrofahrzeugen. Es erfasst, sammelt und berechnet die Echtzeit-Zustandsparameter der Batterie und steuert gleichzeitig das Ein- und Ausschalten der Stromversorgung durch Vergleich der Messwerte mit den zulässigen Werten. Darüber hinaus übermittelt es die erfassten Schlüsseldaten an das Fahrzeugsteuergerät und empfängt dessen Anweisungen zur Koordination mit anderen Fahrzeugsystemen. Unterschiedliche Zelltypen stellen unterschiedliche Anforderungen an das Managementsystem. Lithium-Ionen-Batterien in Elektrofahrzeugen zeichnen sich durch hohe Kapazität, viele in Reihe und parallel geschaltete Zellen, komplexe Systeme und hohe Leistungsanforderungen hinsichtlich Sicherheit, Langlebigkeit und Leistung aus und sind daher schwer zu realisieren. Dies stellt ein Hindernis für die Verbreitung von Elektrofahrzeugen dar. Der sichere Arbeitsbereich von Lithium-Ionen-Batterien ist durch Temperatur- und Spannungsgrenzen begrenzt. Wird dieser Bereich überschritten, verschlechtert sich die Batterieleistung rapide, was sogar zu Sicherheitsproblemen führen kann.
Das Batteriemanagementsystem (BMS) dient in erster Linie der Sicherstellung der Leistungsfähigkeit des Batteriesystems und erfüllt Funktionen in drei Bereichen: Sicherheit, Langlebigkeit und Leistung. Im Hinblick auf die Sicherheit schützt das BMS die Batteriezellen bzw. Akkupacks vor Beschädigungen und beugt Unfällen vor. Bezüglich der Langlebigkeit wird die Lebensdauer der Batterie verlängert, selbst wenn sie in einer sicheren Umgebung betrieben wird. Im Hinblick auf die Leistung ist es notwendig, den Betriebszustand der Batterie aufrechtzuerhalten, um die Anforderungen des Fahrzeugs zu erfüllen.
Das Batteriemanagementsystem (BMS) besteht im Wesentlichen aus verschiedenen Sensoren, Aktoren, Steuergeräten und Signalleitungen. Um die sichere Fahrt von Elektrofahrzeugen im Straßenverkehr zu gewährleisten und die Einhaltung relevanter Normen und Spezifikationen sicherzustellen, sollte das BMS folgende Funktionen erfüllen:
Batterieparametererkennung: einschließlich Gesamtspannung, Gesamtstrom, Einzelbatteriespannungserkennung (um Überladung, Tiefentladung und sogar Verpolung zu verhindern), Temperaturerkennung (es ist am besten, für jeden Batteriestrang, wichtige Kabelverbinder usw. einen Temperatursensor zu haben), Raucherkennung (Überwachung von Elektrolytleckagen usw.), Isolationserkennung (Überwachung von Leckagen), Kollisionserkennung usw.
Schätzung des Batteriezustands: einschließlich Ladezustand (SOC) oder Entladetiefe (DOD), Gesundheitszustand (SOH), Funktionszustand (SOF), Energiezustand (SOE), Ausfall- und Sicherheitszustand (SOS) usw.
Online-Fehlerdiagnose: umfasst Fehlererkennung, Fehlerartenbestimmung, Fehlerlokalisierung, Ausgabe von Fehlerinformationen usw. Die Fehlererkennung bezieht sich auf die Verwendung von Diagnosealgorithmen zur Diagnose von Fehlerarten und zur Frühwarnung anhand der erfassten Sensorsignale. Batteriefehler umfassen Sensorausfälle, Aktorausfälle (z. B. von Schützen, Lüftern, Pumpen, Heizungen usw.), Netzwerkausfälle sowie diverse Software- und Hardwarefehler der Steuerung. Der Ausfall des Akkus selbst umfasst Überspannung (Überladung), Unterspannung (Tiefentladung), Überstrom, Überhitzung, interne Kurzschlüsse, lose Verbindungen, Elektrolytleckagen und Isolationsverluste.
Batteriesicherheitssteuerung und Alarmierung: einschließlich Temperaturregelung und Hochspannungsschutz. Nach der Fehlerdiagnose durch das Batteriemanagementsystem (BMS) wird das Fahrzeugsteuergerät über das Netzwerk benachrichtigt und angewiesen, Maßnahmen zu ergreifen (das BMS kann bei Überschreitung eines bestimmten Schwellenwerts auch die Hauptstromversorgung unterbrechen), um Schäden an der Batterie sowie Gefahren wie Stromfluss und Leckströme zu verhindern.
Ladekontrolle: Im BMS ist ein Lademanagementmodul integriert, das den Lader so steuert, dass die Batterie sicher geladen wird, und zwar unter Berücksichtigung der Batterieeigenschaften, der Temperatur und des Leistungsniveaus des Ladegeräts.
Batterieausgleich: Durch Inkonsistenzen in der Kapazität der einzelnen Zellen kann die Gesamtkapazität des Akkupacks geringer sein als die der kleinsten Zelle. Der Batterieausgleich nutzt aktive oder passive, dissipative oder nicht-dissipative Ausgleichsverfahren, basierend auf den Informationen der einzelnen Zellen, um die Gesamtkapazität des Akkupacks so nah wie möglich an die Kapazität der kleinsten Einzelzelle anzunähern.
Thermisches Management: Anhand der Informationen zur Temperaturverteilung im Akkupack und der Lade- und Entladeanforderungen wird die Intensität der aktiven Erwärmung/Strahlung so bestimmt, dass der Akku möglichst bei der optimalen Temperatur arbeiten kann und seine Leistungsfähigkeit voll ausschöpft.
Netzwerkkommunikation: Das BMS muss mit Netzwerkknoten wie dem Fahrzeugsteuergerät kommunizieren; gleichzeitig ist es unpraktisch, das BMS im Fahrzeug zu demontieren, und es ist notwendig, Online-Kalibrierung, Überwachung, automatische Codegenerierung und Online-Programm-Download (Programmaktualisierung und Demontage des Produkts) usw. durchzuführen. Das allgemeine Fahrzeugnetzwerk verwendet die CAN-Bus-Technologie.
Informationsspeicher: Hier werden wichtige Daten wie Ladezustand (SOC), Gesundheitszustand (SOH), Ladezustand (SOF), Ladezustand (SOE), kumulierte Lade- und Entladekapazität (Ah), Fehlercodes und Konsistenzinformationen usw. gespeichert. Ein reales Batteriemanagementsystem (BMS) in einem Fahrzeug verfügt möglicherweise nur über einen Teil der oben genannten Hardware und Software. Jede Batteriezelle sollte mindestens einen Spannungssensor und einen Temperatursensor besitzen. Bei Batteriesystemen mit Dutzenden von Zellen kann es nur einen BMS-Controller geben oder die BMS-Funktionalität ist sogar in den Hauptcontroller des Fahrzeugs integriert. Bei Batteriesystemen mit Hunderten von Zellen kann es einen Master-Controller und mehrere Slave-Controller geben, die jeweils nur ein Batteriemodul verwalten. Jedes Batteriemodul mit Dutzenden von Batteriezellen kann über Modulschaltkreise, Schütze und Ausgleichsmodule verfügen. Der Slave-Controller verwaltet die Batteriemodule, misst Spannung und Strom, steuert die Schütze, gleicht die Batteriezellen aus und kommuniziert mit dem Master-Controller. Basierend auf den erfassten Daten führt der Hauptcontroller die Batteriezustandsbestimmung, Fehlerdiagnose, das Wärmemanagement usw. durch.
Elektromagnetische Verträglichkeit: Aufgrund der rauen Umgebungsbedingungen von Elektrofahrzeugen muss das BMS eine gute Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen aufweisen und gleichzeitig eine geringe externe Strahlung abgeben.
Als Überwachungs- und Managementzentrale des Akkus von Elektrofahrzeugen muss das Batteriemanagementsystem (BMS) Temperatur, Spannung, Lade- und Entladestrom sowie weitere relevante Parameter des Akkus in Echtzeit dynamisch überwachen und bei Bedarf proaktiv Schutzmaßnahmen für die einzelnen Zellen einleiten. So werden Sicherheitsrisiken wie Überladung, Tiefentladung, Überhitzung und Kurzschluss vermieden. Darüber hinaus muss das BMS den Ladezustand (SOC) des Akkus während seiner gesamten Lebensdauer präzise ermitteln und dem Fahrer zeitnah und angemessen wichtige Informationen wie Restkapazität, Kilometerstand und Störungen übermitteln. Der Datenaustausch zwischen System und Fahrzeug-Steuergerät (ECU) bzw. Bordcomputer muss ebenfalls gewährleistet sein.
