Die Bedeutung eines Batteriemanagementsystems

Ein Batteriemanagementsystem hat direkten Einfluss auf die Sicherheit, Effizienz und Langlebigkeit der Batterie und damit auf die Gesamtleistung und Zuverlässigkeit des Systems. Zu den wichtigsten Aspekten eines Batteriemanagementsystems gehören:

• Sicherheit:
  • Schutz vor Überladung und Tiefentladung: Das Batteriemanagementsystem stellt sicher, dass jede Zelle eines Batteriepacks innerhalb ihrer sicheren Spannungsgrenzen gehalten wird, um Situationen zu vermeiden, die zu einem thermischen Durchgehen oder einer vorzeitigen Degradierung der Zellen führen könnten.
  • Überwachung von Spannung und Temperatur: Das Batteriemanagementsystem überwacht ununterbrochen die Spannung und Temperatur der Batteriezellen und warnt so frühzeitig vor möglichen Sicherheitsproblemen.
• Verlängerung der Batterielebensdauer:
  • Vorbeugung von Stresssituationen: Indem ein Batteriemanagementsystem die Batterie innerhalb ihrer optimalen Betriebsbedingungen hält, verhindert es eine Stressbelastung, die zu einer vorzeitigen Alterung führen könnte.
• Optimierung der Leistung:
  • Optimierung der Einsatzbedingungen: Durch die Überwachung und Anpassung von Parametern wie Temperatur und Lastmanagement kann ein Batteriemanagementsystem sicherstellen, dass die Batterie effizient arbeitet und die bestmögliche Leistung erbringt.
  • Schätzung von Ladezustand (SOC) und Betriebszustand (SOH): Ein Batteriemanagementsystem berechnet und meldet den SOC und SOH der Batterie, die für das Verständnis der verfügbaren Energie bzw. des Gesamtzustands der Batterie entscheidend sind.
  • Zellausgleich: Mit der Zeit können die Zellen in einem Batteriepack aus dem Gleichgewicht geraten, wobei einige Zellen einen höheren oder niedrigeren Ladezustand aufweisen als andere. Ein Batteriemanagementsystem kann die Zellen ausbalancieren, indem es sicherstellt, dass jede Zelle gleichmäßig geladen und entladen wird, was zu einer Maximierung der Akkulaufzeit beiträgt.
• Kostensenkung:
  • Reduzierung der Wartungskosten: Durch die Verlängerung der Lebensdauer der Batterie und die Vermeidung von Schäden durch kontinuierliche Überwachung und Kontrolle kann ein Batteriemanagementsystem die Wartungs- und Austauschkosten senken.
  • Maximale Energienutzung: Durch einen effizienten Zellausgleich maximiert ein Batteriemanagementsystem die nutzbare gespeicherte Energie und erhöht die Kosteneffizienz des Systems.
• Compliance und Integration:
  • Integration mit erneuerbaren Energiesystemen: Ein Batteriemanagementsystem ist für die Integration von Batterien in Systeme zur Nutzung erneuerbarer Energien, wie z. B. Sonnenkollektoren oder Windturbinen, unerlässlich, da es die Speicherung und Abgabe von Energie regelt.
  • Einhaltung von Vorschriften: In vielen Fällen ist das Vorhandensein eines Batteriemanagementsystems aufgrund von Sicherheits- und Effizienzstandards vorgeschrieben, insbesondere bei Elektrofahrzeugen und großen Energiespeichersystemen.

Funktionsweise eines Batteriemanagementsystems

Die Hauptfunktionen eines Batteriemanagementsystems sind Überwachung, Zustandsschätzung, Zellausgleich, Energiemanagement, Wärmemanagement, Schutz und Kommunikation.

Überwachung

Ein Batteriemanagementsystem überwacht Spannung, Strom und Temperatur, um sicherzustellen, dass die Batterie innerhalb ihres sicheren Betriebsbereichs arbeitet.

Zustandsschätzung

Eine wichtige Funktion eines Batteriemanagementsystems ist die Zustandsschätzung, insbesondere die Schätzung des Ladezustands (SOC), des Gesundheitszustands (SOH), des Energiezustands (SOE) und des Leistungszustands (SOP). Der SOC ist eine normierte Größe, die angibt, wie viel Ladung noch in der Batterie vorhanden ist. Er ist definiert als Verhältnis zwischen der maximalen Ladungsmenge, die der Zelle zu einem bestimmten Zeitpunkt entnommen werden kann, und der Gesamtkapazität. Die Methoden zur Schätzung des SOC reichen von einfacher Stromintegration (Coulomb-Zählung) und Spannungsüberwachung bis hin zu komplexen modellbasierten und datengesteuerten Methoden wie Kalman-Filter und neuronale Netze.

Der SOH bezieht sich auf den allgemeinen Gesundheitszustand der Batterie (Innenwiderstand und Kapazität) im Verhältnis zu ihrer Leistung zu Beginn der Lebensdauer (BOL). Die Bestimmung des SOH ist subjektiver als die des SOC, wobei es keine allgemeingültige Übereinkunft darüber gibt, wie der SOH zu definieren ist. Da der SOH anhand der Kapazität oder des Innenwiderstands definiert werden kann, hat jedes Unternehmen möglicherweise seine eigene Methode zur Quantifizierung einer SOH-Schätzung im Batteriemanagementsystem, weshalb es nicht unbedingt erstrebenswert ist, eine Allzwecklösung von der Stange zu entwickeln. Mithilfe von Simscape Battery™ können Sie individuelle Algorithmen zur SOH-Schätzung in Ihrem Batteriemanagementsystem entwickeln und simulieren, die mit der unternehmensspezifischen Interpretation des Batteriezustands übereinstimmen.

Zellausgleich

Im Laufe der Zeit können einzelne Zellen in einem Akkupack aufgrund von Schwankungen in der Herstellung, in der Nutzung oder der Temperaturbedingungen unterschiedliche Ladezustände aufweisen. Ein Batteriemanagementsystem gleicht die Ladung zwischen den Zellen aus, um sicherzustellen, dass alle Zellen den gleichen Ladestand haben, und maximiert so die Kapazität und Lebensdauer der Batterie. Zwei gängige Ansätze für den Zellausgleich sind der passive Ausgleich und der aktive Ausgleich.

Der passive Ausgleich

Ein Batteriemanagementsystem entlädt die Zellen mit hohem SOC-Gehalt mithilfe von Entladewiderständen. In diesem Fall wird die Energie in Form von Wärme abgeführt. Mit Simscape Battery können Sie sowohl einen eingebauten passiven Ausgleichskreis im Batteriepack als auch eine externe Ausgleichsstrategie im Batteriemanagementsystem verwenden.

Sie können den resultierenden SOC von zwei in Reihe geschalteten Zellen mithilfe eines passiven Ausgleichsalgorithmus darstellen.

Mit Simscape Battery können Sie Ihre Algorithmen zur passiven Ausbalancierung von Zellen im Batteriemanagementsystem auf einem Hardware-in-the-Loop (HIL)-System mithilfe des Passive Balancing Interface Block testen.

Der aktive Ausgleich

Ein Batteriemanagementsystem verlagert die Ladung von Zellen mit hohem SOC-Gehalt zu Zellen mit niedrigem SOC-Gehalt, indem es Geräte wie Kondensatoren und Induktoren einsetzt. In diesem Fall wird die Energie zwischen den verschiedenen Zellen im Batteriepack verschoben.

Energiemanagement

Ein Batteriemanagementsystem überwacht und steuert den Energiefluss zu und von einem Batteriepack. Während des Ladevorgangs verhindert das Batteriemanagementsystem sowohl Überströme als auch Überspannungen. Der Konstantstrom-Konstantspannungs-Algorithmus (CC-CV) ist ein gängiges Batterieladeverfahren, das in einem Batteriemanagementsystem verwendet wird. Während der Konstantstrom-Ladephase wird der Ladestrom konstant gehalten und die Batteriespannung schrittweise erhöht. In der Phase des Konstantspannungsladens wird die Ladespannung konstant gehalten und der Batteriestrom fällt allmählich ab.

Wärmemanagement

Die Temperaturkontrolle ist bei Batterien von entscheidender Bedeutung, da hohe Temperaturen die Lebensdauer der Batterien erheblich verkürzen und niedrige Temperaturen die nutzbare Kapazität und Energie verringern sowie die Ladegeschwindigkeit der Batterien beeinflussen. Dabei ist es wichtig, dass ein Batteriemanagementsystem Heizungen oder Kühler aktivieren kann, um die Temperatur innerhalb eines sicheren Bereichs zu halten. Mit Simscape Battery können Sie einen Lade- und Entladezyklus für eine Batteriemodulbaugruppe modellieren und dabei die Zelltemperatur überwachen und die Kühlung aktivieren.

Die Batteriezellen starten mit unterschiedlichen Temperaturen, wobei der Battery Coolant Control-Block die Zellentemperatur überwacht und mit der Kühlung der Modulbaugruppe beginnt, wenn die Batteriezellen eine Grenztemperatur überschreiten. Wenn die Zellentemperatur unter einen Schwellenwert fällt, schaltet der Battery Coolant Control-Block den Kühlmittelfluss ab.

Mit Simscape Battery können Sie anhand von integrierten Blöcken Regelungsalgorithmen für das Wärmemanagement von Batterien erstellen, z. B. Batteriekühlmittelregelung und Batterieheizregelung.

Schutz

Ein Batteriemanagementsystem gewährleistet den Schutz vor schädlichen Einflüssen auf die Batterie, wie z. B. Überladung, Überentladung, Überstrom und Übertemperatur. Solche Situationen müssen unbedingt vermieden werden, um Schäden an den Batteriezellen zu vermeiden und die Sicherheit des Benutzers zu gewährleisten.

Simscape Battery bietet mehrere eingebaute Batterieschutzalgorithmen zur Entwicklung von Batteriemanagementsystemen:

• Überwachung von Batteriezellenkontakten: Überwachung des Batteriezellenkontakts
• Überwachung des Batteriestroms: Überwachung des Batteriestroms
• Überwachung der Batterietemperatur: Überwachung der Batterietemperatur
• Überwachung der Batteriespannung: Überwachung der Batteriespannung
• Fehlerqualifizierung: Algorithmus zur Fehlerqualifizierung

Sie können einen Battery Cell Contact Monitoring-Block in Ihrem Batteriemanagementsystem verwenden, um eine nicht angeschlossene Zelle anhand der Spannung der Parallelschaltung zu erkennen.

Sie können in Ihrem Batteriemanagementsystem eingebaute Schutzblöcke verwenden, um den Strom und die Temperatur einer Batterie auf Unter- und Übertemperaturfehler sowie Überstromfehler zu überwachen (siehe das Beispiel zu Simscape Battery).

Kommunikation

Ein Batteriemanagementsystem kommuniziert mit externen Geräten oder Systemen, liefert Echtzeitinformationen über den Zustand der Batterie und empfängt Anweisungen für das Energiemanagement.

Durch die Erfüllung der oben genannten Hauptfunktionen gewährleistet ein optimal konzipiertes Batteriemanagementsystem maximale Leistung, einen sicheren und zuverlässigen Betrieb und eine optimale Lebensdauer unter verschiedenen Lade- und Entlade- sowie Umweltbedingungen.

Entwicklung eines Batteriemanagementsystems mit Simulink und Simscape Battery

Mit Simulink^® und Simscape Battery können Ingenieure Batteriemanagementsysteme entwerfen und simulieren:

• Modellierung von Batteriepacks mithilfe der Battery Builder-App oder der MATLAB^® API in Simscape Battery
• Charakterisierung von Batteriezellen-Ersatzschaltkreis-Modellelementen mithilfe von Testdaten zur genauen Darstellung der Zellchemie
• Entwicklung von Regelungsalgorithmen für Batteriemanagementsysteme mithilfe der integrierten BMS-Regelungsblöcke in Simscape Battery
• Tests von BMS-Algorithmen mithilfe von Closed-Loop-Desktop-Simulationen, Software-in-the-Loop-Simulationen (SIL), Prozessor-in-the-Loop-Simulationen (PIL) und Hardware-in-the-Loop-Simulationen (HIL)
• Modellierung und Simulation von Fehlern im Batteriesystem
• Entwicklung der Schaltung der Leistungselektronik, die das Paket mit den Steuerungen verbindet
• Entwicklung von Closed-Loop-Regelungsalgorithmen zur Überwachungs- und Fehlererkennungslogik
• Verwaltung von Anforderungen und Erstellung von Systemarchitektur und Funktionalität

Mithilfe von Simulink und Simscape Battery lassen sich verschiedene Betriebs- und Fehlerbedingungen für das Batteriemanagementsystem testen, bevor Sie Hardware-Tests durchführen. So können Sie aus Simulink-Modellen C Code generieren, um Ihre Regelungsalgorithmen für das Rapid Prototyping von Systemen oder Microcontrollern einzusetzen.

Simulink generiert Code aus den Batterie- und Elektronikkomponentenmodellen und ermöglicht Ihnen so die Durchführung von Echtzeitsimulationen für HIL-Tests zur Validierung Ihres BMS vor der Hardware-Implementierung.

SOC-Schätzung mit Simscape Battery

Genaue Batteriemodelle sind für die Entwicklung von Algorithmen zur modellbasierten SOC-Schätzung in einem Batteriemanagementsystem unerlässlich. Klassische Ansätze zur SOC-Schätzung in einem Batteriemanagementsystem, wie die Messung der Leerlaufspannung (Open Circuit Voltage, OCV) und die Stromintegration (Coulomb-Zählung), sind einfach zu implementieren und in bestimmten Fällen verhältnismäßig genau. Der OCV-basierte Ansatz erfordert jedoch eine OCV-Messung, der eine längere Ruhephase vorausgehen muss. Die Coulomb-Zählung hat den Nachteil einer unzureichenden Initialisierung und der Ansammlung von Strommessrauschen. Die Ansätze des erweiterten Kalman-Filters (EKF) und des Unscented Kalman-Filters (UKF) haben gezeigt, dass sie in realen BMS-Implementierungen mit einem akzeptablen Rechenaufwand genaue Ergebnisse liefern.

Simscape Battery bietet mehrere SOC-Schätzer zur BMS-Entwicklung:

• SOC-Schätzer (Adaptiver Kalman-Filter): Ladezustands- und Endwiderstandsschätzer mit adaptivem Kalman-Filter
• SOC-Schätzer (Adaptiver Kalman-Filter, variable Kapazität): Ladezustands- und Endwiderstandsschätzer mit adaptivem Kalman-Filter und variabler Kapazität
• SOC-Schätzer (Coulomb-Zählung): Ladezustandsschätzer mit Coulomb-Zählung
• SOC-Schätzer (Coulomb-Zählung, variable Kapazität): Ladezustandsschätzer mit Coulomb-Zählung und variabler Kapazität
• SOC-Schätzer (Kalman-Filter): Ladezustandsschätzer mit Kalman-Filter
• SOC-Schätzer (Kalman-Filter, variable Kapazität): Ladezustandsschätzer mit Kalman-Filter und variabler Kapazität

Im Vergleich zum SOC-Schätzer mit Kalman-Filter verfügt der SOC-Schätzer mit adaptivem Kalman-Filter über den Endwiderstand als zusätzlichen Zustand. Bei beiden, dem adaptiven Kalman-Filter-SOC-Schätzer und dem Kalman-Filter-SOC-Schätzer, besteht die Möglichkeit, einen EKF oder UKF zu wählen, um einen Beobachter-Block zur Schätzung des SOC zu entwickeln. Dieser Beobachter-Block in einem Batteriemanagementsystem umfasst normalerweise ein Modell des nichtlinearen Systems von Interesse (die Batterie), das den von der Zelle gemessenen Strom und die Spannung vom BMS als Eingangsgrößen verwendet, sowie einen rekursiven Algorithmus, der die internen Zustände des Systems (darunter SOC) auf der Grundlage eines zweistufigen Vorhersage-/Korrekturprozesses berechnet.

SOC-Schätzung mithilfe eines Deep Learning-Netzes

Anstelle eines Kalman-Filters kann ein Batteriemanagementsystem auch eine datengesteuerte Methode wie z. B. ein neuronales Netz zur Schätzung des SOC verwenden. Diese Methode erfordert keine umfangreichen Informationen über die Batterie oder ihr nichtlineares Verhalten. Stattdessen wird das Netz mit Strom-, Spannungs- und Temperaturdaten und dem SOC als Antwort trainiert. Sie können ein neuronales Netz mithilfe der Projektion komprimieren, was zu schnelleren Vorwärtsdurchläufen führt, wenn es auf der CPU ausgeführt oder mithilfe der bibliotheksfreien C oder C++ Codegenerierung auf eingebetteter BMS-Hardware bereitgestellt wird. 

SOH-Schätzung mit Simscape Battery

Für ein Batteriemanagementsystem ist es von entscheidender Bedeutung, den Gesundheitszustand der Batterie einzuschätzen. Alle Batterien, auch solche, die zum Zeitpunkt der Herstellung den Leistungsspezifikationen entsprechen, verschlechtern sich im Laufe der Zeit aufgrund der kalendarischen Alterung und der wiederholten Ladezyklen, was zu einem allmählichen Verlust an Kapazität sowie zu einem Anstieg des Innenwiderstands führt. Während letzterer relativ einfach für ein Batteriemanagementsystem anhand von Kurzzeitmessungen abgeschätzt werden kann, erfordert erstere für eine genaue Berechnung eine vollständige Lade- oder Entladeexkursion, was nicht immer praktikabel ist.

Diese Herausforderung hat zu einem wachsenden Interesse an der SOH-Schätzung in einem Batteriemanagementsystem und der Entwicklung von adaptiven Kalman-Filter-Formulierungen geführt, die neben den Zuständen auch die Batterieparameter berücksichtigen. Eine genaue Schätzung des aktuellen Innenwiderstands ist für ein Batteriemanagementsystem zur Festlegung von Leistungsgrenzen von großem Nutzen.

Simscape Battery bietet integrierte SOH-Schätzer zur Abschätzung der Batteriekapazität in einem Batteriemanagementsystem:

• Schätzung der Batteriekapazität (Kalman-Filter): Schätzung der Batteriekapazität mit Kalman-Filter
• Schätzung der Batteriekapazität (kleinste Quadrate): Schätzung der Batteriekapazität mithilfe von Algorithmen der kleinsten Quadrate
• Schätzung der Batteriekapazität (kleinste Quadrate, variable Gewichte): Schätzung der Batteriekapazität mithilfe von Algorithmen der kleinsten Quadrate und variablen Gewichten
• SOH-Schätzer: Schätzer des Gesundheitszustands
• SOH-Schätzer (kapazitätsbasiert): Schätzung des Gesundheitszustands auf Grundlage des Kapazitätsverlusts

Schnelles Aufladen der Batterie

Die Nutzer von moderner Technologie erwarten eine schnelle und effiziente Aufladung ihrer Geräte. Das Schnellladen der Batterie minimiert die Zeit, die man an eine Steckdose gebunden ist, und ermöglicht es den Nutzern, ihre Aktivitäten ohne lange Unterbrechungen fortzusetzen, was besonders für Elektrofahrzeuge von Bedeutung ist.

Mit Simulink und Simscape Battery können Sie Algorithmen für das Schnellladen von Batterien in Ihrem Batteriemanagementsystem entwickeln, indem Sie integrierte Blöcke wie den Battery CC-CV block modifizieren, um ein mehrstufiges Konstantstrom- und Konstantspannungs-Schnellladeprotokoll einzubinden. Der Battery Single Particle Block, der die elektrochemischen Prozesse im Inneren von Batterien umfassend modelliert, bietet eine Plattform für die Optimierung des Schnellladestroms unter Berücksichtigung von Beschränkungen, die die Lithiumbeschichtung und die Degradation der Batterie minimieren.