Kun Róbert (szerk.)

Energiatárolási és akkumulátoripari alapismeretek

Fejezetek a villamosenergia-rendszerek, az elektrokémiai és további energiatárolási technológiák témaköréből


1.3. A BMS-rendszerek evolúciója

Az első igazán komolyan vehető BMS-chip a Texas Instruments (TI) bq76PL536A-Q1 típusú chipje volt, amely 3×6 csatornát tudott kezelni, és ún. „Level-Shifter” soros perifériás interfész- (Serial Peripheral Inerface, SPI) busszal több chipet is össze tudott kapcsolni egy rendszerbe [6]. A Tesla Model S 2012-es megjelenése volt az első olyan e-autó, amely már modern BMS-t alkalmazott, és ez nagymértékben hozzá is járult a márka sikeréhez.
A szintén 2012-es Nissan LEAF ehhez képest egy mára rettenetesen elavult és megszűnt japán chipet használt központi BMS-ként. (A megoldás lényege az volt, hogy egy nyomtatott áramköri lapra rátették az összes BMS-chipet, mindenféle buszrendszer nélkül, és oda kábelezték be az összes cella feszültségét.)
Ezzel szemben a CAN-busz-alapú megoldások egy olyan buszszabványt követnek, ahol a mikrokontrollerek és egyéb eszközök központi számítógép nélküli együttműködését lehet vezérelni. A BMS esetében a panel egyik felében galvanikus leválasztású CAN-meghajtó található, ami a BMS-kábelezéstől kapja a feszültséget (általában 12 V), melyből előállítja a működéséhez szükséges 5 V tápfeszültséget, hogy a vezetékeken eső feszültség ne okozzon problémát. A modulok címeinek beállítására van egy „lánc”-vezeték, amely fizikailag kódolja a lánc adott elemének CAN-báziscímét. Ezt titkos protokollal, gyártáskor bekódolják, így általában az akkumulátormodulok (ill. a rajtuk lévő CMU-panelek) utána nem cserélhetők szabadon. A tényleges BMS-elektronikához integrált processzor az elsődleges BMS-chipet kezeli. A konstrukció mindig master-slave rendszerű: a BMU lekérdezi a CMU-egységektől a cellák feszültségeit és hőmérsékleteit, majd címzett parancsokkal vezérli az egyes cellák kiegyenlítő (balanszoló) áramköreit. Az akkumulátor összes adatát – cellák kapacitása, akkumulátor-élettartam, töltési-kisütési ciklusok száma stb. – a BMU memóriája tárolja, ami általában nehezen olvasható ki. A CMU-egységek adatokat nem tárolnak.
Az első generációs BMS-chipek főbb típusai: Analog Devices LTC680x (Trió, Outlander PHEV, BMW), Texas Instruments bq76PL536A (Smart ForTwo, Mercedes B250e), valamint az LG Chem megrendelésére az ST Microelectronics által gyártott egyedi és titkos chip, az L9763 (Opel Ampera, Volvo V60 PHEV) [6], [7]. A chipek csak alapvető funkciókat tudnak, főként a cellafeszültség mérését és a balanszolást végzik el, ezért sok esetben CPU-szinten oldanak meg egyéb védelmeket, amilyen például a modulok feszültségmérése (és ennek összehasonlítása a cellafeszültségek összegével) vagy további hőmérőbemenetek kezelése.
Ezen első generációs BMS-chipek legnagyobb hibája, hogy semmiféle öndiagnosztikával nem rendelkeznek. Ez ellen megoldást jelentenek a kettős BMS-megoldások, ahol az egyik BMS-chip mér és balanszol, míg a másik BMS-chip ellenőrzi az első chip működését. Ilyet használ a Tesla Model 3/Y (BatMan és Robin-chip) és a BMW (Preh GmbH). Az ilyen kettős BMS-ek szimpla chiphiba esetén letiltják a töltést, értesítik a sofőrt (és akár rögtön a gyártót is), hogy fatális meghibásodás áll fent, de engedik az autót hazamenni vagy a szervizig saját keréken elmenni.
A mai, modern buszrendszerű BMS-chipek közös jellemzője, hogy a két- vagy négyhuzalos differenciális SPI-átvitelükkel, amelyet transzformátoros vagy kondenzátoros leválasztás egészít ki, lehetővé teszik a chipek „Daisy-Chain” láncba kötését. Ennek köszönhetően a chipek nem rendelkeznek külön „CAN-címmel”, hanem a láncban elfoglalt helyük határozza meg a sorszámukat, így a BMS-modulok könnyen cserélhetők. A chipek több, 2-3 független A/D átalakítót tartalmaznak, és különálló feszültségreferenciákkal rendelkeznek. Ezenfelül képesek külön kezelni a páros és páratlan oldalakat, ami lehetővé teszi a cellavezeték-szakadások – mint legkritikusabb akkumulátorhibák – észlelését. Emellett ezek a chipek „On-Chip” balanszolást is támogatnak, amihez nincs szükség külső balanszer-ellenállásra vagy kapcsolóra, tovább növelve a rendszer integráltságát és megbízhatóságát.
Mivel az akkumulátorcsomagok igen változatosak lehetnek, általános diagnosztikájuk, kimérésük komplex feladat. A jellemzéshez szükséges gépparknak le kell fedni az alacsony (~2,7 V – 1 cella) és magas (130 V – 31 cella) közti feszültségek, a 4–288 Ah modulkapacitások, és a 2–31 cellaszám közötti balanszolási képességek kezelési lehetőségét, a bonyolult kommunikációs folyamatok megoldása mellett.
Az akkumulátor töltöttségi szintje (State of Charge, SoC): A legtöbb e-autó esetében megkülönböztetünk bruttó (azaz fizikailag beépített) és nettó (azaz kihasználható) akkumulátorkapacitást. Így a SoC-értékekből mindig kettőt találunk. Az egyik a kijelzett vagy elméleti SoC, ami 0–100% között változik, a még megtehető hatótáv kiszámításában játszik fontos szerepet. A másik, a valós SoC informatívabb, hiszen az akkumulátorcellák tényleges, fizikai töltöttségét mutatja. Szintén 0–100% között van az elméleti értéke, viszont az akkumulátor védelme alapján ez az érték az elméleti értéknél szűkebb tartományban mozog. Több akkumulátornál a 75% körüli töltöttségi szinten való tartás segíti az élettartam növekedését. A legtöbb esetben az autó akkumulátorának elméleti kapacitása ~20%-kal nagyobb a ténylegesen felhasználható valós kapacitásnál.
Az akkumulátor egészségi állapota (State of Health, SoH): A lítiumion-akkumulátorok a használattól és az eltelt időtől degradálódnak, öregednek. Ennek van egy kezdeti, intenzívebben csökkenő, rövid időn belül akár 3–5%-ot is elérő szakasza, mely szokványos használat mellett, néhány hónap elteltével kisebb, 1–2%-os csökkenésre áll be. Viszont mindenképpen monoton csökkenő érték, amely nem függ a gyorstöltések számától vagy az akkumulátor hőmérsékletétől. A SoH esetében néha megkülönböztetik a SoH:c-t, azaz a kapacitásra vonatkozó állapotot és a SoH:r‑t, azaz a belső ellenállás (resistance) hasonló adatát.
A fenti adatok mellett a BMS-eknek léteznek nem mindig publikusan kiolvasható adatai; azok, amelyek alapján a SoH-értékeket kapjuk. Egy fejlett BMS ugyanis nemcsak az egész akkumulátorra számol SoH-értéket, hanem cellánként is rögzíti, mennyi töltést tudott az adott cellába betáplálni.
 
 
9.2. ábra. Volvo V60 PHEV akkumulátorok BMS-rendszerében tárolt SoH értékek
 
A 9.2. ábrán 9 db különböző Volvo V60 PHEV e-autókban működött akkumulátor (ebben a típusban 10 modulban 10 cella található, azaz 100 cella helyezkedik el) BMS-ének memóriájából kinyert adatok láthatók. A legfelső, világoskék hullámos vonal nagyon jó állapotú, új akkumulátor értékeit mutatja. Jól látható, hogy minden egyes cella értékei magasak és kis szórással megegyeznek.
A barna, sárga és szürkéskék akkumulátorok esetében stabil, kis szórással rendelkező modulrendszert láthatunk, ahol az értékek csökkenése a használatból adódó természetes kapacitásvesztést mutatja. A többi esetben látható negatív irányú kiugrások a hibás cellákra utalnak. Például a sötétkék vonal esetében kettős cellahiba is fellép (a 18. és 100. cella hibás). Általában az akkumulátorok meghibásodásának nagy részében az ilyen jellegű cellahibák a felelősek; a cellák a diagnosztika után azonosíthatók, esetleg cserélhetők, az akkumulátorok javíthatók.
 

Energiatárolási és akkumulátoripari alapismeretek

Tartalomjegyzék


Kiadó: Akadémiai Kiadó

Online megjelenés éve: 2025

ISBN: 978 963 664 126 9

A kötet átfogó, horizontális tematikával vezeti be az olvasót az akkumulátor értéklánc teljes spektrumába: bemutatja a villamosenergia-piac működését, a telepített energiatárolási megoldásokat, az akkumulátorok járműipari alkalmazása terén az alternatív hajtásláncok felépítését és kulcskomponenseit, valamint részletesen tárgyalja a Li-ion akkumulátorok felépítését, működését, gyártástechnológiáját és a legfrissebb fejlesztési irányokat. Áttekintést nyújt továbbá az akkumulátorok biztonságtechnikájáról, diagnosztikai eljárásairól és az újrahasznosítás legfontosabb szempontjairól. Az olvasó átfogó képet kaphat az elektrokémiai energiatárolás technológiai hátteréről, a mobilitási és telepített tárolási megoldások térnyeréséről, az akkumulátoripar hazai és globális fejlődési irányairól, valamint az ezekhez kapcsolódó lehetőségekről, kihívásokról és szabályozási kérdésekről. A kötet az akkumulátorgyártás alaplépéseitől a jármű- és energiarendszer-integrációig, a töltőinfrastruktúrától a biztonságtechnikai, gazdasági és jogi aspektusokig számos kapcsolódó területet is tárgyal. Hasznos olvasmány lehet gépész-, villamos- és vegyipari mérnökök, mechatronikai és gazdasági szakemberek, autóipari és energiaipari szereplők, valamint a közszféra és az oktatás területén dolgozók számára – de mindazoknak is, akik naprakész, rendszerszintű tudást keresnek az energiatárolás és az elektromobilitás dinamikusan fejlődő világában. A kötet elkészítését a Magyar Akkumulátor Szövetség támogatta.

Hivatkozás: https://mersz.hu/kun-energiatarolasi-es-akkumulatoripari-alapismeretek//

BibTeXEndNoteMendeleyZotero

Kivonat
fullscreenclose
printsave