Wie Sensorfusion die Leistung des Batteriemanagementsystems und die Batterielebensdauer verbessern kann

Die Sensorfusion kann ein äußerst nützliches Werkzeug bei der Entwicklung von Batteriemanagementsystemen (BMS) für Anwendungen wie Elektrofahrzeuge (EVs), Batteriespeichersysteme für Wohn- und Nutzgebäude (BESSs) und autonome mobile Roboter (AMRs) sein. Um die Leistung und Lebensdauer der Batterie zu maximieren, sind beispielsweise der Ladezustand (SoC) und der Gesundheitszustand (SoH) wichtige Merkmale, die vom BMS überwacht und verwaltet werden müssen. Um den SoC und den SoH einer Batterie in den Griff zu bekommen, können Sie Sensorfusionstechniken anwenden, die Spannungs-, Strom- und Temperaturmessungen in Echtzeit kombinieren.

Um optimale Ergebnisse zu erzielen, müssen die Sensoren im BMS jedoch hochgenau sein und rauen Umgebungsbedingungen wiederstehen können. Selbst kleine Sensorfehler können im Laufe der Zeit eine kumulative Wirkung haben, die zu falschen Schätzungen von SoC und SoH führt. Darüber hinaus müssen bei den Berechnungen für SoC und SoH die Lade- und Entladeraten sowie der Temperaturverlauf der Zellen berücksichtigt werden. Jede dieser Herausforderungen kann durch Sensorfusion gelöst werden.

Werfen wir einen kurzen Blick darauf, was mit SoC und SoH gemeint ist, und auf die Methoden zu ihrer Berechnung, einschließlich der Auswirkungen, die Temperaturschwankungen auf die Genauigkeit haben können. Anschließend werden wir uns ansehen, wie die Sensorfusion die BMS-Leistung verbessern kann, und einige Beispiele für Spannungs-, Strom- und Temperatursensoren vorstellen, die Sie für BMS-Designs im Automobil- und Industriebereich verwenden können.

Was sind SoC und SoH?

SoC ist einfach die Menge an Ladung in einer Batterie. Lithium(Li)-Batterien haben sehr flache Entladungskurven und ihre Spannung ist nahezu konstant, bis sie zu etwa 80 % entladen sind, so dass die Messung der Ausgangsspannung keine sinnvolle Methode zur Messung des SoC darstellt. Um den SoC zu messen, muss das BMS den Stromfluss überwachen und Coulombwerte in und aus der Batterie messen.

Während SoC eine gemessene Größe ist, ist SoH eine Schätzung der vorhandenen Kapazität der Batterie in Prozent ihrer Kapazität im Neuzustand. Es wurden zahlreiche Algorithmen zur Schätzung des SoH entwickelt, die alle auf der Sensorfusion beruhen. Einige gängige Parameter, die in SoH-Algorithmen verwendet werden, sind:

• Impedanz
• Selbstentladungsrate
• Fähigkeit, eine Ladung zu akzeptieren
• Anzahl der Lade-/Entladezyklen
• Alter der Batterie
• Der Temperaturverlauf der Batterie
• Kumulierte geladene und entladene Energie

Die Sensorfusion für SoC und SoH wird mit Hilfe von Sensoren realisiert, die über das gesamte Batteriesystem verteilt sind. Dazu gehören Temperatursensoren in einzelnen Packs, Spannungs- und Temperatursensoren in Multizellen-Batteriemonitoren, Strommonitore im Hochspannungs-Stromverteilungsbus und zentralisierte Hochspannungserkennung und Temperatursensoren in der Hauptsteuereinheit (Abbildung 1). Für genaue SoC- und SoH-Berechnungen benötigen Sie Sensoren, die hochpräzise und langzeitstabil sind und auch unter rauen Bedingungen arbeiten können.

Abbildung 1: Eine Vielzahl von Temperatur-, Spannungs- und Stromsensoren (grüne Kästchen) werden zur Unterstützung der Sensorfusion in einem BMS benötigt. (Bildquelle: Vishay)

Die gute Nachricht ist, dass Vishay eine breite Palette von Bauelementen anbietet, um Ihre BMS-Designaktivitäten zu unterstützen. Die folgenden Sensoren kratzen nur an der Oberfläche.

HV-Bus-Stromerkennung

Die Widerstände der WSLP-Serie eignen sich gut für den Einsatz als HV-Bus-Stromerkennungsshunts. Sie unterstützen hochpräzise Messungen in Hochtemperaturanwendungen mit Temperaturkoeffizienten von nur 75 Teilen pro Million pro Grad Celsius (ppm/°C) und einer thermischen elektromotorischen Kraft (EMK) von unter 3 Mikrovolt (µV) pro °C. Sie sind mit Widerstandswerten von 0,0002 bis 0,1 Ohm (Ω) erhältlich. Eine weitere Wahl für die Erkennung von HV-Busstrom sind die Leistungsshunts WSBS/WSBM mit Widerstandswerten ab 25 Mikroohm (µΩ), die Impulse von mehr als 2 Kiloampere (kA) verarbeiten können. Darüber hinaus sind die Metallband-Leistungswiderstände WSK1216 mit vier Anschlüssen, einer Toleranz von 1 % und Werten ab 0,0002 Ω erhältlich.

Spannungserkennung

Dünnschicht-Chipwiderstände wie der MCA1206MD5004BP500 mit 5 Megaohm (MΩ) können zur HV-Erkennung im Hauptsteuergerät und in Batteriemonitoren verwendet werden. In dieser Familie von Komponenten für die Automobilindustrie sind Widerstandswerte von 1 Ω bis 10 MΩ erhältlich. Sie sind mit Betriebstemperaturbereichen von -55 bis 175°C und Temperaturkoeffizienten von nur ±10 ppm pro Grad Kelvin (ppm/K) erhältlich. Die hochstabilen Dünnschicht-Chipwiderstände TNPW sind für Präzision und Langzeitstabilität ausgelegt. Sie haben eine geringe Widerstandsdrift von ≤0,05 % nach einem 1000-Stunden-Lebensdauertest.

Temperatursensoren

Vishay bietet auch eine Reihe von Temperatursensoren an, die für spezielle BMS-Anwendungen geeignet sind, wie z. B. die Fühler der Serie NTCALUG, die für die Messung von Oberflächentemperaturen ausgelegt sind (Abbildung 2). Sie kombinieren elektrische Isolierung und soliden thermischen Kontakt und bieten genaue und zuverlässige Messungen von -40 bis +150°C.

Die oberflächenmontierbaren NTC-Thermistoren der Serie NTCS, die zum Schutz vor Umwelteinflüssen mit Glas ummantelt sind, eignet sich für Batterieüberwachungsschaltungen und Hauptsteuergeräte. Sie ermöglichen eine hochempfindliche und hochpräzise Messung von -40 bis +150°C. Sie verwenden eine Technologie auf Keramikbasis und sind in drei Größen erhältlich: 0402, 0603 und 0805.

Abbildung 2: Vishay bietet eine Vielzahl von Bauformen für Temperatursensoren an, darunter NTC-Temperatursensoren für die Kabelschuh- (links) und Oberflächenmontage (rechts) (nicht maßstabsgetreu). (Bildquelle: Vishay)

Fazit

Die Sensorfusion ist in einem BMS nützlich, um Spannungen, Ströme und Temperaturen zu messen, um eine genaue Bestimmung von Batterie-SOC und -SOH zu ermöglichen, die Lebensdauer der Batterie zu verlängern und die Leistung des Batteriesystems zu maximieren. Wie gezeigt, bietet Vishay ein komplettes Sortiment an robusten und präzisen Sensoren und anderen Komponenten an, die für Hochleistungs-BMS-Designs geeignet sind.

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