Syftet med detta examensarbete är att med de kunskaper jag erhållit ifrån min utbildning analysera och imple-mentera en BMS. Resultatet från detta ska förhoppningsvis kunna vara behjälpligt för Katla aero för framtida byggen av drönare.
2 Teori
2.1 Battery management system (BMS)
Ett battery management system är ett system som används för att monitorera samt styra batterier vid laddning och urladdning. En BMS är en enhet som vanligtvis består av en sammansättning av MOSFETS, cellspännings-mätare, temperatursensorer, realtidsklockor samt ett mikrochip som med mjukvara kontrollerar allting. För att vidare beskriva hur systemet fungerar beskrivs det nedan mer i detalj hur BMS:en opererar. De grundläggande funktioner som BMS:en utför är
• skydd för både över och urladdning (ström),
• skydd för både över och urladdning (spänning),
• cellbalansering,
• temperaturskydd (högt och lågt),
• jordfel och
• kortslutningskydd.
För att skydda batterierna vid laddning och urladdning används något som heter cellbalansering. Detta är något som behövs eftersom att batterier aldrig har exakt likadana värden när det kommer till ström och kapacitet.
Det är ofta inga stora skillnader, men man bör alltid mäta nya celler för att se att det inte är några markanta skillnader mellan cellerna. Anledningen till dessa skillnader är kemiska olikheter i batteriet, detta innebär att de kan ha olika inre motstånd och därav laddas upp och ur olika snabbt.
Detta leder till att vid laddning och urladdning (utan cellbalansering) så kommer efter ett tag en eller flera celler laddas upp snabbare än de andra. Detta gör att den fulladdade cellen forsätter få laddning och genererar därför mycket värme och detta är någonting som skadar batteriet. Efter ett flertal laddningar finns det då risk att batteriet slutar fungera. Det kan även leda till att flera celler på kortare tid också slutar att fungera.
Cellbalansering finns generellt i två varianter med olika teknik bakom, nämligen
• passiv cellbalansering och
• aktiv cellbalansering.
Den passiva cellbalanseringen är inte den mest effektiva metoden men det är den som är vanligast på grund av sin enkelhet samt kostnad. Vad man då gör med den passiva cellbalanseringen är att man placerar ”by-pass”-resistorer vid varje cell. Detta kallas även en “bleeding circuit”.
Detta är en mycket enkel konstruktion som går ut på att när en av battericellerna är fullladdad slås en ström-brytare på vilket istället leder strömmen igenom en resistor och därmed låter laddningen dissiperas till värme.
Detta gör att de andra cellerna jämnas ut tillsammans med de som har högst spänning på grund av att de
“hinner” ikapp med laddningen. Detta är en metod som fungerar väl men är inte så effektiv då den överblivna laddningen inte tas vara på utan enbart blir till värme. Värmen är en annan aspekt av det, då hela BMS:en kan bli väldigt varm om flera celler balanseras samtidigt. Detta är dock något som inte ska förekomma eftersom cellbalanseringen skall stängas av vid en för hög temperatur som mäts av de interna temperatursensorerna. Se Figur 1.
Figur 1: Passiv cellbalansering exempel, baserat på figur från: [9]
För den aktiva cellbalansering så används istället antingen kondensatorer eller spolar vilka placeras på ett lik-nande sätt som ”by-pass”-resistorn. Denna gången vill man dock inte att strömmen skall dissiperas till värme utan man låter laddning ledas över till en cell som ännu inte är fullladdad. Se Figur 2.
På så vis balanserar man laddning utan att skada batterierna. Denna metod är mycket mer effektiv men den är även mer komplicerad.
Figur 2: Aktiv cellbalansering exempel, baserat på figur från: [5]
I BMS:en som används i detta projekt används passiv cellbalansering, alltså en “bleeding circuit”.
För temperaturmätningen används så kallade termistorer och mer specifikt “negative temperature coefficient (NTC)”-termistorer. Dessa mäter temperaturen genom att resistansen minskar då temperaturen ökar, detta eftersom fler elektroner blir i rörelse vilket gör att strömmen leds bättre. Dessa termistorer mäter temperatur väl men mäter bäst inom intervallet −55◦C − 114◦C, vid högre eller lägre temperatur blir mätningen inte lika exakt [10].
Termistorerna kopplas in endast på två ställen, en jord och en positiv input kabel. Termistorerna kan vara interna och externa. För BMS:en som används finns det både och. De interna termistorerna används för att mäta temperaturen på BMS:en. Detta är viktig exempelvis vid cellbalansering då kortet kan bli väldigt varmt.
Vidare används externa termistorer för mätning av cellerna. Detta är alltså en komponent som kopplas till BMS:en och sedan placeras emot cellerna på utsidan. Se Figur 3.
Figur 3: Thermistor 10kΩ, 3900K
För mätning av all ström och för att säkerställa kortslutningsskydd samt eventuell upptäckt av jordfel så används en så kallad shunt. Detta är en komponent som används för att mäta strömmen i batteripacket. Shunten är ett motstånd med känd storlek; spänningen är känd ifrån potenitalmätningen. Strömmen kan därför väldigt enkelt räknas ut med Ohms lag. Med en shunt vill man dock inte påverka funktionaliteten av det man mäter på och därför är de flesta shunt-enheter väldigt små, runt några micro-till milli ohm. Se Figur 4.
Figur 4: Shunt
I BMS:en som används finns totalt tre kontakter med totalt 68 utgångar, alla dessa är inte relevanta för att få en fullt fungerande BMS och det används därför endast några av dem. De tre kontakterna benämns J1, J2 och J3.J1-kontakten består av totalt 16 in- och utgångar och hanterar de digitala in- och utportarna, s.k. GPIO:er (General Purpose Input/Output), CAN-kommunikationen, samt matningen till BMS:en. Se Figur 5.
Figur 5: J1-Kontakt, hämtad från: [3]
J2 kontakten består av totalt 20 in-och utgångar och hanterar temperaturmätningen samt strömmätningen via shunt eller hall-sensor. En hall-sensor är en komponent som används för att mäta ström. Till skillnad ifrån en shunt så använder hall-sensorn ett magnetfält för att mäta upp spänning. Detta kan sedan räknas om i BMS:en för att få ut strömmen. För temperaturmätningen finns 6 stycken temperaturkanaler och 6 stycken korresponderande jordkanaler. För shunt är det endast två ingångar, en positiv och en negativ och för hall-sensorn finns det en positiv(5 V) och en negativ(jord) samt två signalutgångar, high och low. Se Figur 6.
Figur 6: J2-Kontakt, hämtad från: [3]
För den sista och största kontakten J3 är det totalt 32 in- och utgångar. Denna kontakt hanterar all potential-mätning. Eftersom BMS:en har två kretsar, “ASIC1” och “ASIC2”. som hanterar monitoreringen över de “låga”
respektive “höga” potentialerna har de olika kontakterna benämningen “low” och “top”. Där det finns “low 0–low 12” samt “top 0–top 12”. Detta är då de olika potentialkablarna där den lägsta är negativ och resten är positiva.
Se Figur 7.
Figur 7: J3-Kontakt, hämtad från: [3]