Analys och implementation av batteristyrningssystem för drönare

Analys och implementation av batteristyrningssystem för drönare

Eric Torsede

Teknisk fysik och elektroteknik, kandidat 2021

Luleå tekniska universitet Institutionen för system- och rymdteknik

Förord

Jag har de senaste 10 veckorna fått en väldigt djup förståelse för BMS-enheter och batterisystem generellt.

I början av detta arbete var det en del motgångar och jag kände en hel del osäkerhet i hur jag skulle gå tillväga. I slutändan är jag nöjd med resultatet och jag är väldigt glad att jag fick chansen att göra just detta examensarbete. Jag vill säga ett stort tack till min handledare Jonny Johansson samt min laborations-handledare Joakim Nilsson för otrolig hjälp och vägledning i detta arbete. Bild på framsidan¹

1Lithium Balance. “User manual c-BMS”, (2019).

Sammanfattning

Ända sedan uppfinnandet av batteriet i slutet av 1700-talet har det funnits en önskan om att de fungerar så väl som möjligt. Battericeller har en finit laddning samt en finit livslängd. Detta är något som experimenterats med och utvecklas fram till de celler vi har idag. Cellerna idag har markant högre energidensitet och kapacitet men det råder fortfarande stor risk för att de skadas och blir oanvändbara vid dålig hantering.

Detta är något som det inte fanns en lösning på under de tidigare åren av batterierna och de hade därför en mycket kortare livslängd än dagens batterier. När tekniken progresserade uppfanns batteristyrningsystemet, ett system som hanterar laddning av batteriet, interna temperaturer samt potentiella problem. Batteristyrings- sytemen(BMS) är idag en otroligt väsentlig del i nästan alla moderna batteridriva saker. Att generera en hög spänning för att driva en last är idag ingen svår uppgift, men att lyckas vårda batterierna och få dem att räcka så länge som möjligt är fortfarande en utmaning.

Då vi mer och mer går mot eldrivna fordon som bilar, motoryklar och—potentiellt i framtiden—eldrivna flyg- plan, kommer utvecklingen av batterier och batterisystem vara otroligt viktig. En teknik som blivit allt mer vanlig det senaste årtiondet samt en teknik som mycket väl kan appliceras i större skala i framtiden är drönare.

Drönare används idag till en rad olika saker som hobby-flygning, övervakning, leveranser med mera. Detta är någonting som endast kommer att fortsätta med tanke på deras mångsidighet.

Katla aero är ett drönarföretag som är intresserad av just denna vision. Deras drönare ska vara robusta och ha uthållighet för att klara av de olika användningsområden och uppgifter som kan tänkas att komma. En stor del av vad som kommer ge drönarna den prestanda som efterfrågas är just batterikapaciten och batterianvändning- en. På Katla aero vill man även där att bästa möjliga resultat uppnås med avseende på batterierna i drönarna.

Därav görs denna analys och implementation.

I detta examensarbetet har en total uppbyggnad av ett batteripack tillsammans med en BMS utförts. Det- ta system har sedan testats för laddning och urladdning i syftet att på bästa sätt hantera batterier i en drönare.

Vidare har en rad olika tester utförts samt en omfattande felanalys.

Syftet och målet med detta arbete var att få en djupare förståelse för hur dessa system fungerar och hur de kan optimeras. Arbetet som utförts under de senaste 10 veckorna kommer förhoppningsvis bli behjälpligt för batterisystemen i Katlas drönare. Det kommer senare i denna rapport ses hur viktigt det är med ett batteri- styrningssytem samt vilka potentiella problem som Katlas drönare står inför och hur de kan förhindras.

Abstract

Since the invention of the battery in the end of the 18th century there has been a desire to make sure that the battery runs as well as possible. Battery cells have a finite charge as well as a finite life time. This is something that has been experimented with and developed to the cells that we have today. The cells today have a signifi- cantly higher energy density as well as capacity, but there is still a great risk that the cell will be damaged or rendered unusable due to poor handling.

This is a problem which did not have a solution for the early years of battery technology. When the tech- nology progressed battery management systems (BMS) were invented. These systems handle the charge and state of the battery, internal temperatures and potential hazards. To generate a large voltage to power a load is no difficult task with today’s technology, but to nurture the batteries and to make the last as long as possible is still a challenge.The battery management systems are today an incredibly important part of virtually every battery-driven system.

As we more and more move towards electrically powered vehicles such as cars, motorcycles and— potenti- ally in the future—electrically powered airplanes, the development of batteries and battery management system will play a tremendous part. One technology that’s getting more and more common the last decade that very well can be applied in larger sale in the future is drones. Drones are extremely versatile and are today used in a variety of different areas such as leisure, surveillance, delivery and more. This is something that will continue in the future due to their versatility and applicability.

Katla aero is a drone company that is interested in this exact vision, their drones need to be robust and be able to last for a long time to manage the different usage areas and applications. A big part of what will give the drones the requested performance is the battery capacity and battery endurance.

In this thesis project a complete construction of a battery pack together with a BMS has been carried out.

This system has then been tested for charge and discharge for the purpose of seeing how to best handle battery systems in drones. A series of tests has then been conducted as well as an extensive failure analysis.

The purpose and goal of this project was to gain deeper knowledge for how these systems work and how they can be optimized. The work that has been carried out during the past 10 weeks will hopefully be helpful for the battery systems in Katlas drones. We will later see in this paper how important it is to include a battery management system as well as the potential problems they might run into and how to prevent them.

Innehåll

1 Inledning 6

1.1 Bakgrund . . . 6

1.2 Problemformulering . . . 6

1.3 Litteratur . . . 7

1.4 Resurser . . . 7

1.5 Avgränsingar . . . 7

1.6 Syfte . . . 7

2 Teori 8 2.1 Battery management system (BMS) . . . 8

2.2 CAN-kommunikation . . . 12

2.2.1 Little endian . . . 12

2.2.2 Big endian . . . 12

2.2.3 Laddare . . . 13

2.2.4 BMS . . . 13

3 Metod 15 3.1 Planering . . . 15

3.2 Uppbyggnad . . . 15

3.2.1 Battericeller och batteripack . . . 15

3.2.2 BMS-koppling . . . 16

3.2.3 Relä-koppling för last och laddning . . . 21

3.2.4 Relä 1 . . . 21

3.2.5 Relä 2 . . . 22

3.2.6 Laddare . . . 22

3.3 Mjukvara . . . 24

3.3.1 BMS creator . . . 24

3.3.2 RX-frame . . . 26

3.3.3 TX-frame . . . 27

3.3.4 GPIO . . . 28

3.3.5 Konfiguration och användning . . . 30

3.3.6 PCAN viewer . . . 31

3.4 Testning . . . 32

3.5 Felanalys . . . 32

4 Resultat 33 4.1 Systemuppbyggnad . . . 33

4.2 Grundfunktionalitet . . . 34

4.3 Testfall . . . 34

4.3.1 FMEA . . . 35

5 Diskussion och slutsatser 36

6 Bilagor 37

Ordlista

BMS- Battery management system

CAN- Data-buss, står för Controller Area Network

DC/DC-omvandlare- Elektronisk komponent för att konvertera spänningsnivåer, står för Direct current/Direct current-omvandlare

GPIO- General Purpose Input/Output I/O- Input/Output

Mbps- Hastighet för CAN-bus, står för megabits-per-second

MOSFET- Transistor, står för metal–oxide–semiconductor field-effect transistor Relä- Elektronisk komponent för att slå av och på ström

Resistor- Elektronisk komponent för begränsning av ström Shunt- Elektronisk komponent för mätning av ström

Thermistor- Elektronisk komponent för mätning av temperatur

1 Inledning

1.1 Bakgrund

Katla aero är ett svenskt företag ifrån Västervik som utvecklar drönare [1]. Dessa drönare planeras att användas för ett flertal olika ändamål såsom övervakning, leveranser med mera. För just leveranser som mat och mindre frakt är drönare en väldigt intressant teknik för framtiden. I nuläget utförs de flesta medelstora leveranserna med bränsledrivna lastbilar och de flesta matleveranser sker med bil. Detta är en marknad där drönare verkligen kan ta plats som ett mer miljövänligt val. Där drönare faller kort i nuläget är i kapaciteten på lasten och även räckvidden om man jämför med lastbilar. Detta är dock något som med en fortsatt utveckling inom batteritek- nik kommer ändras inom en snar framtid.

Katlas drönare är relativt stora och har därför stora batterisystem. För att drönare ska prestera så bra som möjligt samt så säkert som möjligt används ett battery management system (BMS). Detta är ett system som monitorerar alla tänkbara aspekter av batterierna såsom laddning, urladdning, temperaturer, potentiella pro- blem med mera. Detta examensarbete har som mål att implementera och testa denna BMS tillsammans med de batterier som Katla har i sina drönare för att få djupare förståelse för hur de fungerar och hur de kan optimeras.

En ytterligare del av arbetet är en felanalys för BMS:en, en s.k. FMEA.

1.2 Problemformulering

Batterier och batterystyrningssystem är en relavtivt gammal teknik, men det finns väldigt mycket som kan förbättras inom området. De batterier som används av Katla och som har använts i detta projekt är i dags- läget marknadsledare inom nästan alla elektroniska produkter—litium-jon-batterier. Dessa batterier är så pass attraktiva då de har en hög energidenistet, hög spänning samt håller länge [4].

Det finns dock alltid en risk med batterier att de får en kort livslängd på grund av användandet. Det är just där BMS:en kommer in. BMS-tekniken är just den som är av intresse i detta projekt. BMS:er har appli- cerats på många olika produkter under åren men ändamålen samt vilken BMS som väljs kan ha stor betydelse för hur väl batterierna håller. Vad som är intressant att fördjupas i inom detta arbete är just hur man bäst använder batteripacket för en drönare och hur en BMS kan faktorera in. Det finns en rad problem som drönare ställs inför och utefter dessa har följande problemformulering ställts upp.

• Vilka parametrar är bäst att använda för ändamålet?

• Hur kan batterianvändningen optimeras?

• Vilka fel kan uppstå under laddning och hur kan de reduceras?

• Vilka fel kan uppstå under flygning och hur kan de reduceras?

Testfallen i detta projekt kommer handla om hur olika temperaturer påverkar batteriet, hur laddning och ur- laddning kan optimeras, samt generell hälsa på batteriet. Det ska säkerhetställas att batteriet ej laddar över en viss gräns samt hastighet, detsamma gäller för urladdning.

Då drönarna kommer vara i kontakt med andra fordon samt människor är det otroligt viktigt på vilket sätt ett batterifel hanteras. Analysen kommer även delvis att fokusera på hanteringen av system då ett batterifel uppstår och om huvudbrytaren för drönare direkt slås av vilket potentiellt kan orsaka skador i trafiken eller om det skall vara något slags “limp-home”-läge där den väntar tills den befinner sig över säker yta.

Felanalysen i projektet består även delvis av en failure mode and effects analysis (FMEA). Denna analys genomförs genom att identifiera alla potentiella fel i ett system för komponenter, subsystem med mera. FMEA- analysen brukar även skrivas som FME(C)A där FME är den första delen och (C)A är den andra, CA står för critical analysis. I denna rapport hanteras till en början endast FMEA.

1.3 Litteratur

Majoriteten av litteraturen ifrån detta arbete kommer från manualen samt den kringliggande information ifrån Lithium Balance som är företaget som tillverkar BMS:en som används i projektet [2]. Manualen besvarade många frågor men var inte alltid enkel att förstå. Vidare användes boken “Microelectronic circuits” av Adel S.

Sedra och Kenneth C. Smith för beräkningar, formler med mera [6].

1.4 Resurser

De resurser som användes under arbetet var i första hand BMS-enheten samt laddare som tillhandahölls ifrån Katla aero. Vidare byggdes ett batteripack upp identiskt med det som finns i drönarna. Detta inkluderar alltså alla nödvändiga komponenter så som batterier, relän, kablage, motstånd, säkringar med mera.

1.5 Avgränsingar

Arbetet kommer endast innefatta analys av BMS på en liknande uppsättning av batterier som används i Katla aeros drönare. Det kommer alltså inte användas en riktigt drönare för analys. Alla tester av urladdning samt fel kommer därför att simuleras i ett labb.

1.6 Syfte

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]

2.2 CAN-kommunikation

CAN står för “Controller Area Network” och är en databuss som funnits sedan runt början av 80-talet. CAN- bussar är väldigt vanliga inom fordonsinustrin på grund av sin hastighet, mångsidighet samt robusthet. Det är därför naturligt att även en BMS-enhet samt en laddare använder sig av dem. CAN-bussen har i de flesta fall en relativt simpel koppling med endast två kablar—CAN High och CAN low [7].

CAN-kommunikation är en vital del för funktionaliteten av BMS:en. Både för att kommunicera med ladda- ren samt för att aktivera de funktioner som finns i BMS:en. I Figur 8 nedan illustreras en väldigt översiktlig bild av den grundläggande kommunikationen som sker. BMS:en är kopplad till en knytpunkt via en CAN-kabel.

Ifrån knytpunkten går sedan en till CAN-kabel till laddaren och slutligen en kabel till en CAN-läsare och vidare in till en dator. I denna koppling sitter även så kallade termineringsmotstånd eller ändmotstånd. Detta är ett vanligt motstånd på 120 Ω. Syftet med detta är att försluta nätverket så att det inte uppstår störningar i kommunikationen.

Figur 8: CAN-komunikation–Laddare, BMS, dator, baserad på figur från: [3]

För CAN-kommunikation finns det två olika format för hur datan ska skickas—Little endian och big endian.

Egentligen handlar det mest om preferenser men de har olika för- och nackdelar. Det är även viktigt att veta vilket format som man ställt in då resultatet blir totalt annorlunda om man skriver fel.

2.2.1 Little endian

Little endian har sina mest signifikanta bitar lagrade först, alltså till vänster och därmed den minst signifikanta biten till höger. Skulle exempelvis datan 0x12345678 skickas så kommer det med little endian-format att skickas så här:

78 56 34 12 (1)

Se Figur 9 för hur formatet ser ut i bitar:

Figur 9: Little endian, hämtad från: [3]

2.2.2 Big endian

Big endian är tvärtom mot little endian och har alltså sina mest signifikanta bitar till höger och sina minst signifikanta bitar till vänster. Skulle det skickas samma som ovan blir det i big endian-format:

12 34 56 78 (2)

Se Figur 10 för hur formatet ser ut i bitar:

Figur 10: Big endian, hämtad från: [3]

Det som används i projektet är big endian då jag anser är enklare att arbeta med.

2.2.3 Laddare

CAN-kommunikationen till laddaren är enkel och lyssnar egentligen endast på en byte som relaterar till ström- begäran. Laddaren fungerar genom att den får data skickad till sin unika adress på en specifik byte. Datan som skall skickas motsvarar strömbegäran och hanteras hexadecimalt. Det gäller då att 0–64 hexadecimalt motsvarar 0–100 procent av den maximala strömmen som laddaren kan ge ut. Figur 11 nedan visar ett exempel på det som laddaren förväntar sig som input.

Figur 11: Strömbegäran för laddare, hämtad från: [11]

2.2.4 BMS

CAN-kommunikationen för BMS:en är mer komplex. För att skicka strömbegäran till laddaren samt aktivera all funktionalitet behöver det först sättas upp så kallade CAN-frames. En CAN-frame är ett datapaket, som antingen kan användas för att ta emot eller skicka data. Typiska saker som ingår i en frame är ID, datalängd, data, dataformat, frekvens med mera. CAN-frames som används för att skicka kallas för TX-frames (Transmit) och de som tar emot kallas för RX-frames (Receive).

Hädanefter kommer det refereras till dem som TX respektive RX. Den grundläggande kommunikationen för CAN ifrån BMS:en illustreras i Figur 12 och ser ut som följer: En TX-frame och en RX-frame skapas där de får unika ID:n samt lämpliga data. Ett CAN-meddelande kommer sedan skickas manuellt till RX-framen som är designad för att ta emot meddelanden. Detta skickas vidare och slutligen skickar TX-framen vidare meddelandet till laddaren som startar laddningen.

Figur 12: Flödeschema, överblick för CAN-kommunikation

3 Metod

3.1 Planering

Den första delen av examensarbetet var planering, och vad som ingick där var en uppsättning av en generell plan för hela arbetet, ett antal diskussioner med hanledare samt beställning av nödvändiga komponenter. Val av den ursprungliga hårdvaran gjordes inte av mig utan av Katla aero. Detta eftersom det är hårdvaran som de själva skall använda i sina drönare. Jag anser dock att den valda BMS:en samt laddaren är bra val för använd- ningsområdet. De övriga komponenterna i projektet, som shunt, relä, säkringar, strömbrytare och termistorer har gjorts av mig. Att jag valde just de komponenter som jag gjorde var egentligen efter specifikationen för batterierna samt användningsområdet.

3.2 Uppbyggnad

3.2.1 Battericeller och batteripack

Batterierna som användes under detta projekt samt i Katlas egna drönare var litium-jon-batterier. Dessa batte- rier är de vanligaste batterierna för nästan alla elektroniska komponenter i dagsläget, och används i saker som mobiltelefoner, datorer, elbilar med mera. Anledningen att de är så eftertraktade är för deras höga energidensi- tet, vilket innebär att de kan lagra väldigt mycket energi relativt deras storlek och vikt. Cellen som användes i detta projekt var en VTC6, 18650 cell [8]. Där VTC6 är namnet på själva cellen och relaterar till dess spänning och kapacitet och 18650 är dess storlek. Dessa batterier är något större än ett vanligt AA-batteri. Se Figur 13.

Figur 13: VTC6, 18650 battericell, hämtad från: [8]

Batteriet har en nominell spänning på 3,7 volt och en kapacitet på 3000 mAh. Det beställdes därför i projektet 24 stycken sådana. Laborationsuppställningen består av tre huvudsakliga delar: batteripack, BMS, laddare samt dator med mjukvara. Batteripacket består av 12 stycken seriekopplade batterier samt 2 batterier i parallell. Det är alltså en 12s2p-koppling. I drönarna som Katla aero använder används dock en 12s7p-koppling, men ur BMS- synpunkt blir resultatet detsamma. Seriekopplingen av batterierna utförs för att öka spänningen som batteriet kan ge ut. Uträkningen blir som följer:

Utot= U1+ U2+ U3+ ... + Un (3)

Där U1, U2, U3... är de individuella cellspänningarna och Utot är den totala spänningen efter seriekopplingen.

Detta ger då:

Utot= 3, 7 ∗ 12 = 44, 4V (4)

Vidare är det en parallell-koppling. Den ökar inte spänningen på något sätt men den ökar den totala kapaciteten för batteriet alltså gör så att det räcker längre—i detta fallet dubbelt så länge. För de batterier som används är det 3000mAh per cell. Detta ger alltså i och med parallellkoppling att det blir 2∗3000mAh = 6000mAh = 6Ah.

Kapaciteten på batteripacket blir alltså 6 Ah. Vidare kan antalet Watt-timmar som fås räknas ut. Detta med formeln:

X = U ∗ Q = 44, 4 ∗ 6 = 266, 4Wh (5)

Där X är antalet Watt-timmar, Utot är totala spänningen och Q är antal ampere-timmar.

Figur 14 nedan är en illustration över hur batteripacket ser ut och hur de olika potentialerna ser ut. I figu- ren visas endast 12s delen. Det finns alltså en exakt likadan del kopplad i parallell till denna.

Figur 14: Batteripack, 12s

3.2.2 BMS-koppling

Som nämndes i teorin har BMS:en totalt 68 in- och utgångar. Endast några av dessa användes dock. I Figur 15 nedan visas batteripacket uppkopplat till BMS:en. Dessa kopplingar är endast för mätning av potentialerna. Det finns totalt två kretsar för potentialmätning i BMS-kortet, 12 kablar till varje och båda dessa behöver spänning för att de ska kommunicera med varandra och vidare kommunicera med mjukvaran.

Detta betyder att kopplingen kunde göras på två olika sätt; Antingen kopplades alla 24 potentialkablar upp för mätning och båda kretsarna blir på så vis spänningssatta eller så användes endast endast 12 potentialkablar, alltså för ena kretsen och de övriga tolv kopplas samman med minuspolen (kortsluts). Den senare lösningen passade bättre i mitt fall då batterierna är parallellkopplade. Alltså kommer det att vara samma potentialer som läses vid varje punkt och därmed räcker det med 12 potentialmätningar. För kablarna så är det totalt 13 pinnar som användes där c⁻1 (top 0–12) går till jord (GND) och c⁺1–c⁺12 går till de olika potenitalerna. Eftersom den positiva kabeln för “top”-potentialer var sammanfogad med “top 12”, klippptes den av fysiskt och istället kopplades på c⁺12(low 12).Se Figur 16.

Figur 15: Batteripack, 12s samt BMS

Figur 16: Batteripack, Koppling potentialer, hämtad från: [3]

Det kopplades sedan in ytterligare kablar och komponenter till BMS:en för mätning, brytning av ström med mera. Figur 17 nedan är en illustration med alla grundläggande komponenter inkopplade samt tillhörande kablage.

Figur 17: Batteripack, 12s samt BMS

Vid detta skede kopplades de övriga komponenterna in. Den fullständiga kopplingen förutom relän illustreras i Figur 18 nedan. De första komponenterna är två stycken tjockare kablar för plus-och minuspolen på hela batteri- et. Dessa beskrivs mer i detalj senare vid inkoppling av relät. Vidare i J1-kontakten finns det totalt 2 jordkablar och 1 positiv kabel för matningen till BMS:en. Jordkablarna är sammanfogade för att säkerhetställa potentialen.

Hur BMS:en spänningssätts är upp till individen, antingen kan man ha en oberoende spänningskälla för endast den eller spänningsätta direkt ifrån batteripacket. Om det senare alternativet väljs måste man välja ytterligare ett designkrav. Detta eftersom batteripackets spänning förmodligen är över den avsedda spänningen (max 24 V). Det rekommenderas därför i manualen att i så fall använda en DC/DC-omvandlare. Detta kändes onödigt och det valdes därför ett annat alternativ, att spänningssätta ifrån batteriet. Jordkablarna kopplades till mi- nuspolen på den ena batterisidan och den positiva kabeln kopplades till potential nummer 3, alltså vid cell 5.

Detta ger en spänning på 18,5 V (nominellt). Det hade så klart fungerat att endast använda fyra celler men fem valdes utifall att ett batteri går i sönder. En nackdel med denna koppling är om man i ett extremt scenario hade tappat fler än en cell. Då hade BMS:en inte haft tillräcklig spänning och slutat kommunicera. I ett sådant fall hade en DC/DC-omvandlare fortfarande kunnat leverera spänning, men då risken inte är stor att det blir ett sådant batteribortfall så valdes ändå metod 2.

Kopplingen kompletteras även med en 500 mA-säkring och en strömbrytare för att stänga av strömmen till BMS:en. För att sedan kunna mäta strömmen kopplades shunten som sitter på J2-kontakten in på följande vis:

Batteriets minuspol kopplades till den ena sidan av shunten och på samma knytpunkt kopplades även shunt- ka- beln ifrån BMS:en in. På andra sidan kopplades shunt+-kabeln samt en 5 mA-säkring. På andra sidan säkringen finns nu en ny minuspol med möjlighet att mäta ström. Sedan kopplades termistorerna in och som nämndes i teorin sitter även de på J2-kontakten.

För termistorerna finns det totalt 6 st ingångar samt 6 tillhörande jord. Detta är något som togs upp i teorin då antalet är problematiskt eftersom det i batteripacket endast är 24 celler. Lösningen blev att termistorerna seriekopplades. Detta är något som kan göras eftersom de i princip är motstånd. Det seriekopplades alltså totalt 6 par (3 par per sida) och kopplades in input och jord som vanligt och får på så vis en medeltemperatur på alla cellpar i batteripacket.

BMS:en förväntar sig dock en resistans på 10kΩ och det är vid varje serikoppling 20kΩ. Alltså fick detta ändras inne i mjukvaran. För J1-kontakten kopplades sedan det tillhörande CAN-kablaget in på CAN high och CAN low. CAN-kablaget har ett inbyggt termineringsmotstånd och behöver kompletteras med ett till i slutet av kabeln.

Figur 18: Kopplingschema, hela systemet

Den sista viktiga komponenten är ett relä. Detta är inte något som behövs för att faktiskt kunna använda BMS:en med grundläggande funktionalitet som balansering och monitorering, men om man vill ha ett mer sofistikerat system med fler funktioner så behövs relän. Nedan är en bild på det relä som används. Se Figur 19.

Ett relä är en slags strömbrytare och har vanligtvis 4 stycken kontakter där två av dem är ändarna (plus eller minus) till en spole och två av dem är ändarna till en normalt öppen strömbrytare. Det fungerar så att en spole inuti relät slår till då den får den given spänning över de två bakre kontakterna. När detta sker så sluts kretsen mellan de två främre kontakterna och på så vis agerar den som en strömbrytare. Nedan är en bild som förtydligar detta. Se Figur 20.

Figur 19: Relä

Figur 20: Relä, kopplingsschema

Reläna används för att koppla på och bryta lasten och laddaren. Utöver det så rekommenderas det även att ytterligare två relän kopplas in för att möjliggöra en så kallad pre-charge. Figur 21 nedan är en illustration på hela kopplingen där “Pre charge”’, “Load positive”, “Load negative” och “Charge negative” är relän.

Figur 21: Reä-kopplingar, hela systemet, hämtad från: [3]

Kopplingen är alltså 2 relän som används för att sluta den positiva sidan för lasten samt laddaren. Sedan ytter- ligare två relän som används för pre charge. Detta är en funktion som gör att batterierna får en mjukstart vid laddning. Vid påslagning av en huvudbrytare till en laddare eller last ifrån ett batteri kommer en “in-rush”-ström att gå i kretsen. Detta gör den tills laddaren eller lasten har samma spänning som batteriet. För att undvika detta sätts därför en kondensator som håller en liten laddning ifrån batteriet samt ett motstånd som begränsar strömmen. När spänningarna sedan har jämnats ut så stängs det översta relät och huvudbrytaren får en säker start. Kretsen blir då som Figur 22.

Figur 22: Reä-kopplingar, hela systemet, hämtad från: [3]

När pre-chargen är färdig (tidsinställt i programmet) så slår de undre relät till och batteriet börjar laddas.

Denna koppling ska nu ske tillsammans och av BMS:en och detta sker genom att BMS:en har totalt 6 stycken I/O’s. I/O står för digitala input/output och är små kretsar i BMS:en som gör det möjlig att skicka ut en viss potential. I detta fall är de byggda som pull-up motstånd vilket innebär att de har en spänning på 2,8 V till dem hela tiden och när I/O:n slår till så skickar den ut 0 V (GND). Se Figur 23.

Figur 23: Pull-up motstånd, hämtad från: [3]

3.2.3 Relä-koppling för last och laddning

För relä-kopplingar i BMS:en krävs det två signaler för att en funktion ska aktiveras. Den första signalen är funktionsignalen som kan vara exempelvis “Activate charge” eller “Activate load”. Den andra signalen är en feedback-signal som monitorerar om den första signalen faktiskt har skickats. Detta betyder att man antingen behöver använda sig av två relän eller ett relä med flera pinnar för hantering av feedback-signaler. I detta fall används två relän.

I kopplingen benämns de två reläna, relä 1 och relä 2. Relä 1 hanterar av och påslagningen av laddningen eller lasten och relä 2 hanterar övervakningen för om relä 1 har slagits på eller ej. Båda reläna har totalt fyra pinnar där pinnarna för spolen är pinne 1 och 2 på respektive relä och brytarpinnarna är pinne 3 och 4 på respektive relä. Se Figur 24 nedan.

Figur 24: Relän, Parallellkoppling

3.2.4 Relä 1

För relä 1 kopplades matning ifrån batteriet. Denna matning kommer ifrån samma ställe som en matning till BMS:en alltså från cell nummer 5. Matningen kopplades in på pinne 2 som spänningsätter spolen i relät. Efter detta kopplades GP IO1in på pinne 1. GP IO1 agerar här som jord.

För de brytarpinnarna på relät som hanterar själva av och påslagningen så kopplades den negativa polen ifrån laddaren eller lasten på pinne 3. Pinne 4 kopplades sedan till negativa polen på batteriet. Den positiva polen på batteriet eller lasten är permanent kopplad.

3.2.5 Relä 2

För relä 2 kopplades pinne 1 till matningen ifrån batteriet. pinne 2 kopplades ihop med pinne 1 på relä 1.

På så vis kommer relä 2 att jordas då relä 1 gör det. Pinne 3 kopplades sedan till BMS:ens egen jord (ifrån J1-kontakten). Slutligen kopplades pinne 4 till GP IO2 som då övervakar positionen på relä 1 genom att relä 2 speglar relä 1.

Med denna koppling kommer signalen “Activate charge” eller ’Activate load’ försöka dra relä 1 med GP IO1

som slår på laddning till batteriet. Samtidigt som detta sker slås relä 2 på vilket skickar jord till GP IO2 som aktiverar signalen “Charge negative feedback” som sedan aktiverar laddningen.

3.2.6 Laddare

För uppladdning av litium-jon batterier krävs en speciell laddare. Detta eftersom att batterierna är väldigt känsliga och inte skall överladdas eller laddas för snabbt. Detta är någonting som en BMS vidare skall kunna korrigera. Laddaren måste dock vara tillräckligt kraftfull för att kunna ladda upp batterierna inom en rimlig tidsram. Laddare som används är en ZIVAN battery charger som är specificerad för upp till 48 V [11]. Se Figur 25.

Figur 25: ZIVAN laddare, hämtad från: [11]

Laddaren kommunicerar endast via CAN och det är nödvändigt att koppla upp med CAN för att kunna ladda överhuvudtaget. Matning till laddaren är via ett vanligt 220 V-uttag. Ut ifrån laddaren är det totalt 3 kablar, en plus-och en minuspol för laddningen av batteriet. Dessa är benämnda “OUT” i Figur 26. I samma figur har kabeln benämnd “AUX” totalt tre kontakter som har hand om kommunikation och mätning.

Kontakt 1 används för temeratursensorer samt LED-lampor. Kontakt nummer 2 har hand om alla in- och ut-portar och kan sedan kopplas via ett relä och vidare in i BMS:en. Detta för att kunna kontrollera av- och påsslagning av laddning. Den tredje och sista kontakten har hand om CAN-kommunikationen och det är den enda av de tre som används.

Figur 26: ZIVAN laddare, utgångar, hämtad från: [11]

På kommunikations-kontakten är det totalt 5 poler, CAN High (terminerad), CAN Low(terminerad), CAN High, CAN Low samt CAN negativ. Eftersom det i byggnationen av CAN-kommunikationen redan finns ett termineringsmotstånd utsatt så användes de oterminerade polerna. För att få laddaren att kommunicera med

BMS:en skall de två CAN-kablar som väljs kopplas in i knytpunkten för kommunikationen mellan datorn och BMS:en. Detta beskrevs i mer detalj i teorin.

Det är även möjligt att kommunicera direkt med laddaren. Den ska då kopplas in direkt in på CAN-kablaget som går in i datorn. Man kan då med ZIVANs egna mjukvara ställa in vilken baud rate som önskas samt maximal ström och spänning. Laddaren var redan förprogrammerad efter just Katlas drönare, och har då en maximal utspänning på 48 V samt en maximal utström på 6 A. Dock var baud raten på laddaren inställd på 800 Mbps, vilket är den högsta hastigheten för laddaren. Detta var ett problem då BMS:en endast kan kommuni- cera på hastigheterna 125, 250, 500 och 1000 Mbps. Av den anledningen behövdes laddaren ställas till 500 Mbps.

För att sedan kommunicera med laddaren ifrån BMS:en och begära ström krävdes först den fysiska kopp- ling som visas i Figur 27. Efter detta skall strömbegäran skickas till laddarens unika ID enligt instruktionerna i teorin, stycke 2.2.

Figur 27: Laddare, BMS-koppling

All CAN-kommunkation för BMS:en sker i två olika program, BMS creator och PCAN-viewer.

3.3 Mjukvara

3.3.1 BMS creator

Mjukvaran till BMS:en är en mjukvara ifrån lithium balance kallad “BMS creator”. Datorn kopplas upp via CAN och kan via mjukvaran övervaka allting i BMS:en. Inuti går att se alla aktuella potentialer, temperaturer samt spänningar och strömmar. Vidare går det att justera ett flertal parametrar som maximal spänning vid laddning och urladdning. Det finns möjlighet att ställa in alarm för potentiella fel. Nedan är en bild på grundläggande gränssnittet för simulerad data, se Figur 28.

Figur 28: BMS mjukvara, simulerad data

De grundläggande menyerna som är vitala för kalibrering av BMS är följande:

• System Configuration

– Inställningar för storheter på shunts, offsets, initial kapacitet på batteriet med mera

• Operational limits

– Inställningar för gränser på spänningar, temperaturer, kontaktorer-försök med mera – Antalet temperatursensorer inkopplade, balanseringsgränser

– Laddningsgränser för olika temperaturer

• Charger

– Inställningar för laddaren

• GPIO mapping

– Inställningar och mappning för GPIO’s

• Custom Data Processing

– Inställningar för custom data processing – Modifiering av signaler

• CAN settings

– Inställningar för all CAN-kommunikation

• CMU config

– Inställningar för de olika CMU:erna

För laddningsmomentet av CAN-frames är det då ett antal olika signaler som är involverade. Det finns totalt fyra fördefinierade signaler i BMS creator som är vitala för laddningsprocessen. Dessa är:

• CAN request load ID Map ID

• CAN request charge ID Map ID

• CAN request staging ID Map ID

• CAN request balancing ID Map ID

De olika signalerna är alltså förfrågan för last, laddning, förladdning samt balansering. Nedan är ett schema som illustrerar processen, se Figur 29.

Figur 29: Flödesschema, Förfrågan

Det första steget är då att en manuell CAN-signal skickas till den RX-frame som satts upp i BMS-creator. Detta innebär att användaren skickar signalen på CAN-bussen och det som skickas är “1” till “Activate charge” på den plats där den är definierad i RX-framen. Detta sker via “PCAN Viewer” som beskrivs mer i detalj i stycke 3.3.6.

RX-framen tar sedan emot signalen och placerar denna på det stället som konfigurerats. I detta exemplet så placeras signalen i ID Map ID 50001 som är en global variabel. Se Figur 30.

Figur 30: Flödesschema, RX-frame

I steg två kollar parametern CAN request charge ID Map ID på det som ligger i dess konfigurerade data. I detta fallet är det då samma variabel—50001. När signalen är mottagen skickar parametern ut att laddning skall påbörjas med funktionen Activate charge. Se Figur 31.

Figur 31: Flödesschema, TX-frame

I det sista steget är nu laddning efterfrågad och då kommer ännu en parameter i BMS:en som konfigurerats av användaren att skicka ut hur mycket ström som begärs ifrån laddaren. Detta skickas till TX-framen som sedan skickar det vidare till laddaren. När detta är gjort börjar batterierna laddas. All konfigurering sker i programmet BMS creator som beskrivs nedan.

3.3.2 RX-frame

RX-framen blir tilldelat ett godtyckligt ID-nummer som används senare för att skicka till den. Sedan konfigureras de grundläggande parametrarna upp, där man kan se om den är aktiverade eller ej, ifall värdet som tas emot är konstant eller variabelt, längd och starbit, endian-format samt själva datan som ska skickas. Se Figur 32.

Figur 32: RX-frame, konfigurering

Detta är vad som är skrivet för en frame, men vad som syns är att det är totalt fyra individuella konfigurationer.

Detta är datapaketen som skickas från de olika bytesen på framen. Det finns alltså en frame med ett godtyckligt ID som innehåller totalt fyra datapaket som börjar på byte 56 och skickar på varje byte fram till 32 (4 stycken).

De har alla samma konfiguration förutom deras startbit samt den data som de ska ta emot. Datan som de ska ta emot är i detta fall fördefinierade “globala” variabler som det totalt finns 25 stycken av (50001–50025). Dessa variabler kan användas som en mellanhand för TX, RX samt eventuella andra signaler.

3.3.3 TX-frame

För TX-framen konfigureras den på ett liknande sätt, återigen de grundläggande parametrarna men med ett nytt godtyckligt ID på framen. De olika data som skall skickas på framen sätts då till samma globala variabler som för RX-framen. På så vis kommer det som TX-framen skickar att komma till det som RX-framen lyssnar på. I programmet ser den ut som följer. Se Figur 33.

Figur 33: Tx-frame, konfigurering

För att bättre förklara hur de “globala variablerna” så finns en bild nedan, se Figur 34.

Figur 34: Globala variabler - 50000 ID

Här pekas det i TX och/eller RX framen på en global variabel som då representeras av ett 50000-ID. Det är sedan i denna variabel som data kan skickas till och hämtas från, den agerar då som en mellanhand.

Som nämndes ovan finns det en meny i BMS creator som heter ”Custom Data Processing”. Det är något som används då man vill skala om olika värden. Exempelvis om man vill att BMS:en ska efterfråga endast 10 procent av värdet som skrivits in så gör man det där. Detta är illustrerat i bilden nedan. Se Figur 35.

Figur 35: Globala variabler med Custom Data Processing

3.3.4 GPIO

GIPO:n ska sedan konfigureras i BMS creator vilket görs på följande vis. I BMS creator så finns som nämnt i stycke 3.3.1 en kategori som heter GPIO. GPIO står för General-Purpose Input/Output och är digitala portar för att styra eller monitorera fysiska komponenter såsom relän. I BMS creator finns totalt 16 stycken för användning och lika många kablar ifrån BMS:en. För att sätta upp en GPIO ska tre saker göras:

• En GPIO ska väljas och tilldelas en global variabel,

• en eller flera funktioner ska tilldelas det korresponderande GPIO-ID och

• den fysiska GPIO-kabeln samt jordkabeln ifrån BMS:en ska kopplas in.

Den första delen är endast att tilldela exempelvis ID 50001 till GPIO 4 enligt Figur 36 nedan.

Figur 36: GPIO inställningar

Efter detta skall funktionen få sitt värde och det är här relä-systemet kommer in. Totalt kan följande funktioner ställas in för GPIO:s. Se Figur 37.

Figur 37: GPIO funktioner

Om det exempelvis önskas att styra start av laddning så sätts numret på den första GPIO på Activate Charge, detta gör då att när BMS:en skickar ut att den begär laddning så kommer GPIO att dra relät. Nästa steg är att verifiera så relät verkligen är draget, därför sätts signalen Activate charge feedback till ett annat GPIO. Det som händer då är att GPIO kommer dra det första relät som i sin tur är parallellkopplat med det andra och på den sidan av relät så sitter feedback signalen och monitorerar så att det verkligen har dragits. Om den har det så startar laddningen. Det blir sedan exakt samma procedur för en last. Se Figur 38.

Figur 38: GPIO funktioner

3.3.5 Konfiguration och användning

För att starta och kunna se data och ändra parametrar i BMS creator ska några steg göras. När batteriet är inkopplat ska BMS:en startas via strömbrytaren till batteriet och efter detta skall datorn kopplas in till CAN- kablaget. BMS:en skall blinka till precis när strömmen har slagits på om allt är korrekt. Vid detta skede ska en sökning efter hårdvara göras i BMS creator. Om allt fungerar så ska enheten dyka upp med namnet ”USB 2”.

Datorn har nu hittat enheten och nästa steg är att den kopplas upp, vilket innebär att starta kommunikationen mellan BMS:en och datorn. Här finns en del inställningar; Den första och viktigaste är baud raten. Denna måste vara samma som BMS:ens inställda och det finns även en inställning som automatisk läser av vilken baud rate som är inställd. Denna rekommenderas. Tryck sedan på “connect” och efter några sekunder skall det stå

“connected” och vara en liten grön bock i högra hörnet. Se Figur 39.

Figur 39: BMS Creator, Connection

Om det istället kommer upp en ruta där det står att det inte gick att koppla upp till BMS:en kan det bero på att BMS:en inte har ström eller att CAN-kablaget inte är inkopplat.

När det nu är uppkopplat ska vi navigera till den första menyn “service”. Här ska enheten få sin firmware samt en konfigurationsfil. För att ladda ner firmware trycker man helt enkelt på “choose recommended firmwa- re” och programmet hämtar automatisk den senaste mjukvaran. Man kan även klicka ur den rutan om man vill ladda in en annan version. Se Figur 40.

Figur 40: BMS Creator, Service

När enheten sedan har startats är det dags för konfigurationen. Gå då till fliken “konfiguration”. Här kommer det vid varje start att vara tomt och konfigurationen kommer att behöva laddas in. Första gången behövs det även genereras en konfiguration. Tryck då “generate new configuration”. Det kommer då att komma upp en ruta som fråga efter vilken BMS den ska generera för. Tryck på “no” tills du hittar rätt version vilket i detta fall är C-BMS.

När konfigurationen genererats är det bara att börja ändra de parametrar som önskas. Efter ändringarna är gjorda tryck på knappen “generate”, så kommer BMS creator skapa den nya konfigurationen med ändringarna.

Detta går att se längst till höger då den får ett unikt ID. Se Figur 41.

Figur 41: BMS Creator, Configuration

Se sedan till att spara konfigurationen på en rimlig plats. Vid nästkommande användning öppnar man istället denna konfiguration. Det som är kvar nu är att ladda in konfigurationen och detta görs i samma flik som för firmware nedladdningen alltså, “service”. Tryck då på “download configuration”, då kommer den senast genererade konfigurationen att laddas ned. Se Figur 42.

Figur 42: BMS Creator, Opened Configuration

När detta är klart så är det bara att börja använda BMS:en. Vid användning kommer denna process behöva göras om, alltså att öppna konfigurationen, göra önskade ändringar, generera konfigrationen och sedan ladda in den i enheten.

3.3.6 PCAN viewer

PCAN viewer är ett verktyg som hanterar CAN-bussar. Detta verktyg är väldigt generellt och är CAN-systemets egna program. Progam som PCAN viewer finns det många av och de används för att läsa och skriva på bussen.

Det flesta är simpla och har ingen direkt tolkning på vad som skickas på bussen utan visar endast ID samt vilken data som skickas var. Allt detta är i hexadecimalt eller binärt format. På en del liknande verktyg kan även en databas laddas in för att enklare se vad som står. Nedan är en bild på hur det kan se ut när data läses i programmet. Se Figur 43.

Figur 43: PCAN viewer, CAN-data

3.4 Testning

Urladdning av batteriet sker vanligvis av en last och i Katlas fall är det motorerna till drönarna. Eftersom detta projekt sker i ett labb utan drönare kommer en last att simuleras. Vad som kommer användas är så kallade effektmotstånd. Detta är väldigt stora resistorer som drar ström ifrån batteriet vilken sedan dissiperas till värme.

På så vis kan en last på batteriet simuleras. Katlas drönare drar runt 200 Wh vid drift och runt 300 Wh vid start. Alltså behövs effektmotstånd som kan motsvara detta. Det motstånd som användes är totalt 6 st på 2 Ω var. Detta gjorde det möjligt att simulera motorernas last. Se Figur 44 nedan:

Figur 44: Effektmotstånd

Eftersom det är 2 Ω per motstånd blir det rimligt att seriekoppla 5 stycken vilket ger oss ett totalt motstånd på 10 Ω som i sin tur ger en ström på runt 4,4 A. Enligt batterierna kan man dra så mycket som 15 A, men mer än detta skulle kunna vara skadligt. Vidare drar Katlas drönare runt 7 A i drift och därför räckte det med 4,4–6,0 A, vilket ger en effekt på 195–266 W.

3.5 Felanalys

Det första fallet som var intressant att prova var batteribortfall. Detta skulle potentiellt kunna uppstå då ett batteris hälsa har reducerats markant och på grund av det får ett spänningsfall. Mer troligt är att någon kabel kopplas bort under drift vilket påverkar den totala spänningen. Detta testas genom att helt enkelt ta bort en eller flera celler vid drift.

Vidare är det intressant att se hur BMS:en reagerar då det laddas med för hög ström eller drar för hög ström.

Detta testas genom att antingen höja strömbegäran via CAN vid laddning eller minska antalet motstånd på lasten. Vad som bör hända är att ett larm triggas och att system slår ifrån för att skydda batterierna.

Det sista testet är en kombination av de två ovanstående, alltså vad protokollet bör vara då ett fel uppstår vid drift. Detta är relevant då man vill orsaka så lite skada som möjligt på drönaren samt andra trafikanter.

Detta test är svårare att utföra utan ett helt drönarsystem, men vad som kan testas är en sorts nödlösning om det anses vara för stort problem på systemet och att det enda rimliga alternativet är att slå av huvudbrytaren och landa. Exempelvis om det är ett väldigt stort batteribortfall eller att BMS:en visar väldigt höga tempera- turer vid drift ska BMS:en då slå av systemet direkt eller ska det—baserat på sin höjd och GPS—vänta en viss tid för att göra en säker landning.

4 Resultat

4.1 Systemuppbyggnad

Den första delen av resultat kommer vara uppbyggnaden och den andra delen blir testning och felanalys. Det första som byggdes var de två seriekopplade sidorna av batteripacket där en av dem hade de 12 potentialkablarna ifrån BMS:en inkopplade. Se Figur 45 nedan:

Figur 45: Batteripack, 12s

Vidare löddes de två sidorna ihop parallellt. Det skapades även en enkel konstruktion för enklare och mer stabil hantering av batteripacket. Se Figur 46 och 47 nedan:

Figur 46: Batteripack, konstruktion

Figur 47: Batteripack, konstruktion

4.2 Grundfunktionalitet

För balanseringen kunde man tydligt se hur celler med högre spänning stannade upp vid den satta nivån i BMS creator. Som beskrivet i stycke 2.1 gick strömmen till de cellerna istället igenom ett motstånd för att sedan dissiperas till värme. Under arbetet kördes väldigt många laddningar och urladdningar för att klart se hur väl balanseringen fungerade.

Det var ofta en eller två celler som hade något högre spänning i början, men i slutet av laddningen eller urladdningen så var alla celler nästan jämna. Olika nivåer provades för vad som var fulladdat men att rekom- mendera är vad som finns i specifikationen för batteriet, alltså aldrig mer urladdat än till 3200 mV och aldrig mer uppladdat än till 4200 mV.

När batterierna kom till någon av dessa nivåer så stängdes laddaren av och påbörjades inte förrän batteri- et började urladdas eller laddas igen. Det finns även några “deadband-parameterar” som var vitala. Detta är parametrar som bestämmer hur stor tolerans det får vara på det uppladdade eller urladdade batteriet innan det ansågs färdigt. Exempelvis om den slutgiltiga nivån på batteriet sattes till 4100 mV och deadband sattes till 100 mV så betyder det att den får max laddas 100 mV mer än slutnivån. Och på samma vis vid urladdning.

4.3 Testfall

Tester som är relevanta och kritiska för batterierna och i sin tur Katlas drönare är följande:

• Överladdning

• Överurladdning(För djup urladdning)

• Höga/Låga temperaturer

• Batteribortfall

• Allmäna problem med batteripacket

Det första fallet var väldigt basal testning vilket innebar att det sattes en rimlig nivå på hur mycket maxström som accepterades vid laddning och sedan begärde lite över det. Utan ytterligare inställningar kan man då se att BMS:en varnar för en för hög ström in. Detta sker dock endast i fliken för felkoder och felkoden stannar tills strömmen sänks igen. Man kan vidare ställa in så att BMS:en skall agera då en viss felkod utlöses. Det ställdes då i nästa fall in att om felkoden för hög ström kom så skall BMS:en avbryta laddningen. Detta fungerade som förväntat.

Vid nästa testfall gjordes egentligen samma steg som i det förra, men denna gång minskades antalet serie- kopplade effektmotstånd vilket ökade utströmmen. Detta ställdes sedan in som ett larm för att stänga av lasten och bryta kretsen. Detta är något man inte endast vill lita på BMS:en för vilket är anledningen till att det även sattes en relativt låg säkring i kretsen utifall utströmmen skulle överstiga den rekommenderade nivån.

Som nämnt tidigare så fungerade inte temperatursensorerna för mig men det gick ändå att prova funktio- naliteten om än på ett sämre sätt. BMS:en registrerar konstant en temperatur på 0 grader på alla celler. Alltså sattes den högsta accepterade temperaturen som −1 grad. Detta gjorde att BMS direkt varnade för en för hög temperatur. Även detta kunde bindas ihop med ett larm som bryter kretsen. Samma sak gjorde då det var för låg temperatur.

För det fjärde testfallet kopplades lasten på och en normal körning av drönare simulerades. Efter ett tag plockades ett av batterierna i packet ut. BMS:en registrerade direkt då ett spänningsfall och även här sattes larm för en viss nivå då BMS:en skulle bryta kretsen. Det provades även med att ta ut fler batteriet för att simulera ett väldigt stort fel.

För det femte och sista testfallet kopplades återigen batteriet upp till lasten och simulerade en vanlig kör- ning. Denna gång drogs kablar bort i serie och parallellkopplingarna. Detta varnar då BMS:en för och sätter ett flertal felkoder för “open wire”. Här är det svårt att veta exakt vad som gått fel och var. Man får då om felet är okänt kolla vart spänningsfallet är någonstans och utgå ifrån det. Det som tyvärr var svårt att få med i testfallet då det inte fanss någon drönare till hands var såklart hur den skulle agera rent praktiskt om något av detta hände. Som nämndes tidigare hade det varit relevant att den i luften exempelvis försöker baserat på GPS avgöra om det är säkert att landa på grund av ett eventuellt fel eller rent av bryta kretsen och kraschlanda.

Detta är något som Katla aero får experimentera med.

4.3.1 FMEA

Den andra delen av testningen var en FMEA. Detta är typiskt sett en analys som görs efter att datan är insamlad.

FMEA relaterar exakt till den testning som gjorts och handlar mer om att kategorisera allvarlighetsgraderna på de potentiella felen som kan uppstå. Vidare handlar den om att kartlägga vilket sorts problem det är och hur det påverkar lokalt och globalt, alltså om de endast påverkar sin individuella del eller om de också påverkar andra komponenter. FMEA handlar slutligen om eventuella lösningar på problemen men dessa är lite svårare att svara på och från min sida blir det endast förslag som inte kan besvaras i detta arbete. Se Figur 48 nedan:

Figur 48: FMEA, Testfall, Beskrivning, Lokal effekt, Global effekt, Slutgiltig effekt, Allvarlighetsgrad, Detek- tionsmetod

De två första kategorierna är de olika testfallen samt deras beskrivning. Vidare har vi den lokala effekten som är den påverkan ett problem kan göra på lokal nivå, alltså minsta möjliga nivå. För exempelvis överladdning blir den lokala effekten att cellen blir på lång sikt skadad och kommer i sin tur ge dålig prestanda. Den globala effekten refererar till den påverkan problemet kan ha på en global nivå, alltså högsta möjliga nivå. För fallet med överladdning blir det då att mer än en cell kan bli skadad. Vi har sedan den slutgiltiga effekten av ett potentiellt problem och för exemplet ovan med överladdning blir det att batteriet behöver bytas. Vidare inklu- derades allvarlighetsgrad samt detektionsmetod. För de flesta av fallen är allvarlighetsgraden ganska stor då alla av dessa fall kommer att påverka väldigt mycket, om än på lång sikt i vissa fall. Detektionsmetoden blir även den samma på alla, alltså regelbundna mätningar med mjukvaran. Detta eftersom BMS:en är implementerad just för detta ändamål.

En FMEA kan ha väldigt många fler kategorier än detta. Det hade även kunnat inkluderas fler testfall/funktioner men det ansågs att för just detta projekt så räckte det med ovan nämnda. Det ska även vara en sista kategori i FMEA som valdes att skriva om här istället och det är just lösningen på problemen. I nästan alla dessa fall är lösningen densamma, vilket är att optimera BMS:en genom att ställa in rimliga nivåer på hur mycket ström som är tillåtet vid laddning samt urladdning och sedan ställa in larm för när detta inte stämmer. Larmen bör sedan agera på bästa möjliga sätt. Vid laddning är det väldigt enkelt eftersom vi i det läget endast har en lokal effekt.

Detta löses genom att kretsen bryts. Vid urladdning blir det lite svårare. Här kan inte endast kretsen brytas då vi riskerar en global effekt. Detta skulle exempelvis innebära att drönaren kraschar och flera komponenter blir oanvändbara.

För trasiga celler finns det också en risk för en global effekt. Dock finns det lite mer spelrum här då man kan sätta en nivå samt ett larm för hur stort spänningsfall man tycker är tillåtet innan man agerar. Den bästa lösningen på de fall då det finns en global effekt att faktorera in hade varit om Katlas drönare hade kunnat programmeras tillsammans med BMS:en för att avgöra hur den ska agera vid ett visst tillfälle. Exempelvis om det är ett stort batteribortfall eller en brand så skulle larmet från BMS:en tillsammans med GPS-koordinater och/eller en höjdmätning kunna avgöra om det är en rimlig tidpunkt och plats att bryta kretsen för att mini- mera den globala effekten. Detta är dock inte något som har kunnat experimenteras med i detta projekt, men från BMS:ens sida bör det vara möjligt att skicka denna data vidare för användning.

5 Diskussion och slutsatser

Som slutsats av detta arbete tycker jag att resultatet var väldigt blandat. Den första delen av arbetet gick väldigt bra då det strukturerades upp vad som skulle göras, hur det skulle göras och vilka komponenter som behövdes med mera. Det fanns även en väldigt tydlig tidsplan och jag försökte förhålla mig till den. Uppbyggnaden av batteripacket tillsammans med alla komponenter gick bra och jag var nöjd med resultatet, det var dock vid den andra delen av arbetet som problem började uppstå.

Den dokumentation som fanns för BMS-enheten var enligt min åsikt något undermålig. Med detta menas att saker var lite för komplext förklarade eller ibland inte förklarade alls. Detta ledde till mycket ledtid då jag blev tvungen att kontakta Lithium Balance för support. Kommunikationen med företaget var stundvis långsam vilket ledde till ännu fler förseningar.

Att behöva support ifrån ett tredjeparts företag är dock något som är väldigt vanligt i arbetslivet och därav en stor lärdom för mig. Det var en hel del problem med att konfigurera BMS:en samt sätta upp kommunikationen mellan BMS och laddare och det var detta som tog längst tid. En del av det berodde på min egen okunskap inom CAN-kommunikation och en del på grund av bristfällig dokumentation. I och med den senare delen hoppas jag att detta examensarbete kan ge en bättre bild för hur denna enhet ska hanteras och hur ett likande system skall sättas upp.

Som slutsats av den analys och implementation som utförts anser jag att BMS:en definitivt gör den uppgift som beskrevs i inledningen. Under testningen kunde det tydligt ses vilken vital del BMS:en är för batterisystem och vidare för det fordon som använder det. För problemformulering i början av rapporten anser jag att resultatet var väldigt bra. De huvudsakliga funktionerna som man ville uppnå fungerade som förväntat och de övriga testerna kunde påvisa vilka brister som fanns.

FMEA-analysen var behjälplig för att identifiera dessa brister. Som nämndes i det sista testfallet i FMEA:n så finns en brist i vad BMS:en kan göra. Om man i ett extremt läge behöver nödlanda på grund av ett stort batteribortfall eller brand så kan BMS:en indikera detta samt bryta kretsen. BMS:en kan dock inte göra en större analys än så. I den situationen hade det varit bra med en förlängning av BMS:ens data där drönaren kan avgöra om det är en lämplig plats och tid för att nödlanda baserat på hur illa läget är i batteriet. Detta är något som Katla får experimentera med och förhoppningsvis hittar en lösning på.

Jag anser att just denna BMS kommer fungera väldigt bra i Katlas drönare och med de funktioner nämn- da i rapporten kommer en längre livstid för batterierna garanteras. Detta kommer även medföra en säkerhet för övriga komponenter samt hela drönaren. Det enda jag anser som hade kunnat var bättre är cellbalanseringen, som nämndes i teorin så använder denna BMS:en passiv cellbalansering vilket inte tar vara på all laddning och vidare gör att BMS:en måste ha säkerhetssystem som temperaturskydd vid höga cellbalanseringsströmmar. Jag anser därför att en BMS med aktiv cellbalansering hade varit ett bättre val i det stora hela.

Som helhet är jag nöjd med arbetet och min insats, jag fick även otroligt mycket hjälp från mina handle- dare samt support ifrån Lithium balance, Zivan och Katla aero.

6 Bilagor

Figur 49: Ursprunglig tidsplan för examensarbetet

Referenser

[1] Katla aero. url: https://katla.aero/en/katla-aero-english/. (Hämtad: 30-08-2021).

[2] Lithium Balance. url: https://lithiumbalance.com/. (Hämtad: 30-08-2021).

[3] Lithium Balance. “User manual c-BMS”. I: (2019).

[4] Epecec. Cell comparison. url: https://www.epectec.com/batteries/cell-comparison.html. (Häm- tad: 30-08-2021).

[5] Iopscience. Passive Cell Balancing of Li-Ion batteries used for Automotive Applications. url: https:

//iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/1716/1/012005/pdf. (Hämtad: 30-08-2021).

[6] Adel S. Sedra och Kenneth C. Smith. Microelectronic circuits. 2014.

[7] Kvaser. The CAN protocol tutorial. url: https://www.kvaser.com/can-protocol-tutorial. (Hämtad:

30-08-2021).

[8] Orbtronic. Lithium Ion Rechargeable Battery Technical Information. 2015-06-30. url: https://www.

orbtronic.com/content/sony-VTC6-datasheet-specs.pdf. (Hämtad: 30-08-2021).

[9] Changhao Piao m. fl. “Lithium-Ion Battery Cell-Balancing Algorithm for Battery Management System Based on Real-Time Outlier Detection”. I: Mathematical Problems in Engineering 2015 (okt. 2015), s. 1–

12. doi: 10.1155/2015/168529.

[10] Pyrosales. What is a thermistor? url: https : / / www . pyrosales . com . au / blog / thermocouple - information/what-is-a-thermistor. (Hämtad: 30-08-2021).

[11] Zivan. SG3 CAN Bus Interface. url: http://www.zivan.it/en/manual/SG3.pdf. (Hämtad: 30-08-2021).