PACK-Fertigungsprozessreihe: Kernfunktionen, Systemarchitektur und Hardwarestruktur des Batteriepack-BMS

Sowohl Leistungsbatteriepacks als auch Energiespeicherbatteriepacks enthalten typischerweise Dutzende oder sogar Hunderte von internen Zellen. Um eine so große Anzahl von Zellen zu verwalten, ist das Batteriemanagementsystem (BMS) zu einer unverzichtbaren Schlüsseltechnologie geworden.

Man kann sagen, dass das BMS das "Gehirn" des Batteriepacks ist. Seine Funktionen bestehen darin, die Sicherheit von Personal und Batterie zu gewährleisten, die Anforderungen an Leistung oder Energiespeicherung zu erfüllen und die Batterielebensdauer zu verlängern.

01 Kernfunktionen des BMS

Die Kernfunktion des BMS besteht darin, Batteriespannung, Temperatur und Strom in Echtzeit zu überwachen, die Batterieleistung durch Schätzung des Ladezustands (SOC) und Regelung des Ausgleichs zu optimieren und gleichzeitig Fehler-Schutzfunktionen wie Überspannungs-, Überstrom- und Übertemperaturschutz zu besitzen.

Die Schätzung des Zustands der Zellen ist die Kernfunktion des BMS. Um diese Funktion zu realisieren, werden ein Analog Front-End (AFE)-Chip (für die Spannungserfassung), Hallsensoren (für die Stromerfassung), NTC-Sensoren (für die Temperaturerfassung) und andere Sensoren (für die Erfassung von Gasdruck, Rauch usw.) benötigt.

Nach der Erfassung der Signale werden diese mit elektrochemischen Modellen und fortschrittlichen Schätzalgorithmen (wie Extended Kalman Filter, Sliding Mode Observer usw.) kombiniert, um den Ladezustand (SOC), den Gesundheitszustand (SOH), den Leistungszustand (SOP), den Energiezustand (SOE) und den Sicherheitszustand (SOS) der Batterie in Echtzeit zu schätzen.

Basierend auf diesen Zustandsgrößen,

a) Für den Akkupack selbst:

Das BMS steuert und verwaltet die Optimierung der Lade- und Entladeleistung der Batterie, begrenzt die Lade-/Entladezeit und interagiert über Steuerbefehle, Kommunikation und Diagnosefunktionen, um eine effektive Verwaltung des internen Zustands der Batterie zu erreichen.

b) Für externe Systeme:

Durch Kommunikations- und Diagnosefunktionen verbreitet das BMS wichtige Statusinformationen und Steuerbefehle an das Fahrzeug und das Ladegerät und gewährleistet so einen koordinierten Betrieb zwischen der Batterie und externen Systemen.

02 Systemarchitektur des BMS

(1) Zentralisierte und verteilte Architekturen

Das zentralisierte BMS integriert die drei Funktionsmodule – die Zellüberwachungseinheit (CMC), die Hochspannungsüberwachungseinheit (HVMU) und die Batteriemanagementeinheit (BMU) – auf einer einzigen Leiterplatte oder einem integrierten Controller und bildet so eine "Single-Point-Control"-Architektur.

Ein zentralisiertes BMS führt zu einer kompakten Systemstruktur, reduzierter Verkabelung, geringerem Platzbedarf und relativ niedrigeren Gesamtkosten. Da jedoch die Hochspannungs- und Niederspannungsmodule auf derselben Leiterplatte untergebracht sind, muss besondere Aufmerksamkeit auf elektrische Isolierung und Sicherheitsabstände gelegt werden.

Verteilte BMS delegieren die Erfassungsfunktion an einzelne Batteriemodule. Mehrere Slave-Steuereinheiten (CMCs) realisieren verteilte Abtastung und vorläufige Datenverarbeitung, während die Master-Steuereinheit (BMU/BCU) für die systemweite Verwaltung und Zeitplanung zuständig ist und so eine "Mehrpunkt-Erfassung, zentrale Verarbeitung"-Architektur bildet. Dies kann die Anforderungen von Batteriesystemen mit großer Kapazität erfüllen, wie z. B. zahlreiche Erfassungskanäle und verteilte Modulplatzierung.

Wie aus der obigen Abbildung ersichtlich ist, fügt die sogenannte verteilte Architektur im Wesentlichen eine Verwaltungsebene von Untersystemen hinzu. Diese kleinen Systeme sind hauptsächlich dafür verantwortlich, Informationen von einem Teil der Zellen zu sammeln und diese dann über einen Bus an die BMS-Steuerplatine zu melden. Die BMS-Steuerplatine implementiert dann umfassende Schutzmaßnahmen, Ladezustandsberechnungen und andere Verwaltungsfunktionen basierend auf den gemeldeten Informationen.

Vereinfacht ausgedrückt ähnelt es der Organisationsstruktur eines Unternehmens. Wenn die Anzahl der Personen steigt, wird ein flaches Management in groß angelegten Batteriemanagementsystemen unzuverlässig. Daher werden zur Entlastung des Kernmanagement-Boards einige Teilaufgaben an CSC-Module (Cell Supervision Circuits) zur privilegierten Verwaltung delegiert.

Verteilte BMS können weiter unterteilt werden in: Sternförmig verteilt, Busförmig verteilt und Daisy-Chain-verteilt.

Sternförmig verteilt: Das BMU ist zentral angeordnet, wobei jede CMC über eine unabhängige Kommunikationsverbindung direkt mit dem BMU verbunden ist. Diese Struktur bietet unabhängige Kommunikationsverbindungen mit starker Entstörungsfähigkeit. Sie erfordert jedoch ein Bus-Konzentrationsmodul, was die Verkabelung und die Schnittstellenverwaltung relativ komplex macht.

Bus-verteilt: Mehrere CMCs kommunizieren über einen CAN-Bus mit der BMU (derzeit die am weitesten verbreitete BMS-Kommunikationsmethode). Da sich alle CMCs den Bus teilen, ist der Stromverbrauch zwischen den Knoten relativ ausgeglichen. Das System ist jedoch stark von der Integrität des Busses abhängig; wenn der Bus ausfällt, kann die gesamte Kommunikation unterbrochen werden.

Daisy-chain-verteilt: Mehrere CMCs sind seriell in einer Kette verbunden, wobei Daten hop-by-hop entlang der Verbindung zur BMU übertragen werden. Diese Struktur bietet eine einfache Kommunikationsverbindung und spart Verkabelungsressourcen. Sie eignet sich für Systeme mit vielen Modulen und einer klar geschichteten Batteriestruktur.

(2) Funktionale Schichtung

Um Modularität, Skalierbarkeit und hohe Zuverlässigkeit zu gewährleisten, kann das BMS im Allgemeinen in drei Schichten unterteilt werden, wie in der folgenden Abbildung dargestellt.

a) Physikalische Schicht: Verantwortlich für die Erfassung direkt messbarer externer Zustände während des Batteriebetriebs, wie Spannung, Strom, Oberflächentemperatur usw., und liefert Datenunterstützung für höhere Schichten.

b) Kernschicht: Verantwortlich für die Schätzung interner, nicht messbarer Zustände der Batterie durch Modelle und Algorithmen, wie SOC und interne Zelltemperatur. Dies ist der kritische Teil des Systems.

c) Managementschicht: Nutzt die von der Kernschicht bereitgestellten internen Zustandsinformationen, um ein vernünftiges Management des Batterie-Lade-/Entladevorgangs und die Vorhersage zukünftiger Betriebsbedingungen zu erreichen und so einen sicheren und effizienten Batteriebetrieb zu gewährleisten.

03 Hardware-Struktur des BMS

Die BMS-Hardwarearchitektur ist der physische Träger seiner Systemfunktionen. Das Hardwaredesign beeinflusst direkt die Systemgenauigkeit, Zuverlässigkeit und Kosten. Ein typisches BMS-Hardwaredesign verwendet eine verteilte Architektur, die hauptsächlich die Master Control Unit (BMU), Slave Control Units (CSCs), Sensornetzwerke und Aktuierungs-/Schutzschaltungen umfasst.

(1) Master Control Unit

Main Control MCU: Ein Hochleistungs-Prozessor, der die funktionale Sicherheitsstufe ASIL-D unterstützt.

Speicher: Flash-Speicher speichert Parameterkonfigurationen und Fehlerprotokolle; RAM wird für die Pufferung von Echtzeitdaten verwendet.

Isoliertes Netzteil: Versorgt die BMU über ein DC/DC-Isolationsmodul mit Strom (Eingangsspannung oft 12V/24V, Ausgang 3,3V/5V).

Kommunikationsschnittstellen: CAN-Transceiver, Ethernet-PHY-Chips.

(2) Slave Control Units

AFE-Chips: Dedizierte Analog-Front-End-Chips zur Überwachung von in Reihe geschalteten Zellen.

Spannungsabtastschaltung: Multiplexerschalter + Präzisions-ADC, verwendet differentielle Abtastung zur Rauschreduzierung.

Temperaturerfassungsschaltung: NTC-Thermistor + Spannungsteiler-Netzwerk oder digitale Temperatursensoren.

Balancierschaltung: Passive Balancierung: MOSFET + Leistungswiderstand; Aktive Balancierung: Bidirektionale DC/DC-Wandler oder Kondensatorarrays.

(3) Sensoren

Hall-Sensoren: Berührungslose Messung, Genauigkeit ±0,5 % (verwendet für die Erkennung des Gesamtstroms).

Shunt-Widerstände: Kostengünstige Stromerfassungslösung, die bei Kopplung mit einem Differenzverstärker eine Genauigkeit von ±0,5 % erreicht.

Temperatursensoren: NTC/PTC-Sensoren an Schlüsselstellen wie Zelloberflächen, Sammelschienen und Kühlkörpern platziert.

(4) Stell- und Schutzschaltungen

Relais und Vorladestromkreis:

Hauptrelais: Hochspannungs-DC-Relais, die den Lade-/Entladekreis des Akkupacks steuern.

Vorladestromkreis: Verwendet einen Vorladewiderstand + Schütz für einen sanften Start, um den Einschaltstrom beim Einschalten zu verhindern.

Sicherungen und Schutzschalter:

Hauptsicherung: Schnell wirkender Typ zum Schutz vor Kurzschlussfehlern.

Sekundärschutz: Rückstellbare Sicherungen (PPTC) zur Verhinderung lokalisierter Überströme.