BMS Funderingar
Batteriövervakning
Det här blir ett långt inlägg, i en debatt som stundtals varit tämligen infekterad bland de som under många år diskuterat detta på nätet. Jag skall nu ge min syn på det här med "Battery Management/Monitoring System". Det jag skriver här är min syn på saken efter att ha läst "spaltkilometer" om vad andra har skrivit på ämnet, jag är dock inte främmande för att ändra min åsikt om någon på ett logiskt sätt kan bevisa mig fel. På olika forum har det ofta spårat ur till närmast flamewars. Det här är fösta gången som jag nyttjar funktionen "läs mer" eftersom det här blir långt. Ämnet är dock inte oviktigt.
Det skulle vara intrssant om någon insatt från SFRO gav en logiskt uppbyggd kommentar, likaså om någon med mer empirisk erfarenhet kunde skriva om sina mer praktiska erfarenheter.
BMS står för "Battery Management System" eller "Battery Monitoring System". Någon form av koll på batterierna måste man ha, dels för att inte köra torsk på ström givetvis, men också för att inte skada batterierna. Litiumbatterier (LiFePo eller sk. LYP) har visserligen inget sk. "minne" och behöver därför inte köras ur till en viss nivå innan laddning och behöver (skall) inte heller laddas proppfulla, de mår egentligen bäst av att leva sitt liv lite halvladdade. Batterierna tar dock skada av att överladdas, främst är det livslängden som förkortas på stora batteripackar som inte kan laddas så hårt, alltså hur många laddningscykler de håller.
Somliga tror att de skulle ta eld, explodera osv. hemskheter vid överladdning. Det är visserligen sant, men det där är något som främst fötts ur små verktygsbatterier eller modellbilar som ofta laddas hårt, ofta också batterier uppbyggda av en helt annan kemi än litium-järnfosfat. För att inte tala om gamla blybatterier som släpper ut knallgas när de laddas hårt. De LYP-celler jag har tål en laddning på 3CA, alltså tre gånger dess Ah-kapacitet. I mitt fall med 100Ah-celler innebär det 300A. Hela mitt batteripack blir på nominellt 250 volt och att ladda ett sådant med 300 ampere.. Tja, lycka till med att hitta en laddare på 75-tusen watt, eller ens ett eluttag med den kapaciteten. Alltså, även om man skulle överladda en del voltmässigt, så skulle en laddare på sådär 2kW knappt ens höja temperaturen på cellerna, såvida den inte står på och överladdar väldigt länge. Det är en annan sak om vi talar om små celler som räknas i milli-ampere, då kan redan en liten laddare innebära en fara vid överladdning. Därför är det främst livslängden på cellerna i ett bateripack för bilar som tar stryk om man laddar för mycket, man laddar med bara med tiondelar av den laddström cellerna tål. Det här kan låta som om man inte skulle behöva ha koll på laddningen, men det finns en annan fara som jag återkommer till, skall bara klara av det där om livslängd först.
Enligt databladen för just mina batterier så har de en livslängd av ca. 3000 laddningar om de används till 80% av sin kapacitet och 5000 laddningar vid 70%. Omvandlat till mil, räknat på 2kWh/mil, så blir det i mitt fall med 25kWh kapacitet ca. 30-tusen mil vid 80% nyttjande och drygt 40-tusen mil vid 70% nyttjande av kapaciteten. För mig som bygger en entusiastbil som troligen aldrig kommer att rulla över tusen mil om året, så är batteriernas livslängd alltså inget problem. Denna aspekt rörande livslängd kan jag i stora drag lämna därhän, inget jag behöver tänka på, såvida jag inte misshandlar batterierna.
Det här om BMS har varit ett djupt diskuterat område, tidvis rent av infekterat och är så än idag. Förr med blybatterier var det närmast odiskutabelt, men med olika nya batteriteknologier har saker förändrats, åt olika håll, särskilt med små högpresterande batterier i radiostyrda leksaker. Många lever nog tyvärr kvar i blybatteriernas problemställning som i mångt o mycket grundas i att energi in i cellen inte ens i närheten motsvaras av energi ut, där denna skillnad också varierade rätt mycket inom ett batteripack, dessutom förändrades cellernas kapacitet gentemot varandra över tid, sk. "cell drift", trots att alla celler konstant låg i serie.
Det stora problemet.
Över då till den där faran jag nämde. Celler som är seriekopplade har ju sin pluspol mot nästa cells minuspol. Det är inte så svårt att räkna ut vad som händer om en cell i serien skulle bli helt urladdad när de andra fortfarande har gott om kraft kvar. Den kan få sin polaritet omvänd genom kraften i de andra batterierna, det blir som att koppla in en laddare på flera hundra ampere med fel polaritet! Sker detta så har man just skapat precis den där situationen som gett upphov till historier om eldsvådor, det är inte laddaren som våldsamt överbelastar den enskilda cellen, det är de andra friska cellerna runt omkring den som står för den kraften. Det här är också en situation som kan skapas mycket fort, när man kör med en elbil belastas ju batteripacken med många hundra ampere vid acceleration.
En liknande situation grundad i obalans mellan cellerna, dock inte lika akut abrupt, kan givetvis också uppstå i andra änden av skalan, när en cell är proppfull och de andra inte är det. Vid laddning sker det dock betydligt långsammare eftersom det inte är tal om många hundra ampere, på sin höjd ett tiotal. Den där ensamma proppfulla cellen blir överbelastad, dock inte så våldsamt.
Cellbalans.
Alla celler i en batteripack är inte likadana, även om de på pappret skall vara det. Det har med tillverkningstoleranser att göra. Svagaste cellen i en serie kanske är på 95Ah och den starkaste på drygt 100Ah. Den svaga cellen kommer att bli full först vid laddning och den kommer att bli tom först vid urladdning. En batteripack med seriekopplade celler är alltså inte starkare än den svagaste cellen. Som det gamla ordspråket, en kedja är inte starkare än sin svagaste länk. En tillverkare som har stor tillgång till celler kan mycket väl ha en automatiserad process att matcha enskilda celler som ligger mycket nära vandra till en stor batteripack, men som privatperson har man inte de möjligheterna. Alltså måste man som privatperson på något sätt kunna hantera det där med celler som skiljer sig lite från varandra kapacitetsmässigt.
Lyckligtvis har LiFePo och LYP celler en god egenskap i detta sammanhang, något som tidigare bara var påstått men som folk nu börjar få rent praktisk erfarenhet av. En serie av celler som behandlas lika, i serie så att de alltid får lika mycket laddning och urladdning, har nästan ingen kapacitetsmässig "cell drift" gentemot varandra. Den svagaste cellen kommer fortfarande att vara det även efter flera år av användning. Detta då förutsatt att ingen av dem överladdas eller laddas ur helt när andra celler i serien har gott om energi kvar, så som jag beskrev ovan om faran med omvänd polaritet. De som endast övervakar sina bottenbalanserade celler och inte använder något system som shuntar ut laddenergi som därmed ger cellerna olika laddmängd, de har under några år nu rent empiriskt kunnat uppleva att cellerna inte driftar iväg, den svagaste cellen fortsätter att vara just det.
Cellbalansering.
Man måste således hitta en balans som undviker att man skadar den svagaste cellen. Detta kan bara göras när cellerna nästan är helt urladdade eller när de är fulla. För sådana här litiumceller skiljer det bara ungefär 0,1 volt mellan 20% och 90% laddning! Att mäta batterispänning för att avgöra laddningstillstånd inom det område som batterierna bör användas i, är alltså närmast meningslöst, sådan mätprecision har vi vanliga dödliga inte tillgång till och i synnerhet inte under drift i en bil.
Det är endast längst ut på skalan som spänningen sticker iväg, alltså inom just det laddningstillstånd man bör undvika under drift och laddning.
För att kunna balansera cellerna måste de behandlas individuellt, alltså ge dem antingen olika laddning eller ladda ur dem olika. Men hur var det nu? Man undevek ju "cell drift" genom att alltid ge dem samma mängd laddning och urladdning, förutsatt att man undviker ytterligheterna. Balanserar man cellerna så att de har samma spänning när de är fulladdade, då kommer den svagaste att leva mycket farligt när batteripacken börjar bli tom och körs till en låg nivå. Gör man tvärt om, så blir problemet det omvända, den svagaste cellen stressas av batteriladdaren när batteripacken börjar full.
Idealet skulle givetvis vara något system som fixade båda ändarna av skalan, både under drift och laddning. Men det finns inte. Problemet är att automatiskt kunna styra så att en enskild cell laddas ur mindre än de andra när packen börjar bli tom. Visst kan något sådant konstrueras, men kostnaden för sådan kraftelekronik på varje enskild cell skulle vida överstiga värdet av den. Det omvända finns dock, system som automatiskt shuntar ut lite ström från de celler som börjar bli fulla, så att de andra hinner ikapp. Problemet med detta är ju då att man gett cellerna olika mängd laddning som givetvis straffar sig i den andra änden när packen börjar bli tom, den svagaste cellen riskerar bli helt tom före de andra, om man inte har något som hindrar detta.
Det som bör uppnås.
- Ingen cell skall gå över 90% laddning.
- Ingen cell skall gå under 10% laddning.
- Alla celler skall ta emot samma laddning.
- Alla celler skall laddas ur lika.
Kan man då uppnå detta? Givetvis. Det börjar rulla rätt många elbilar med litiumbatterier i världen nu, de har inte för vana att brinna eller ens att battericeller dör på löpande band. Fordon som går på bensin brinner betydligt oftare. Skulle världen sett annorlunda ut, att elbilar var normen och det som folk var van vid, då skulle nog myndigheterna fullständigt slå bakut om någon var så tokig att de skulle ha en förbränningsmotor och köra omkring på almänna vägar med något så brandfarligt som en tank bensin!
Det finns idag två vägar att gå för att ta väl hand om sina batterier, bottenbalansering eller toppbalansering. Den ena associerad med lite arbete som bör göras som en serviceintervall, den andra associerad med introduktion av väldigt många potentiella felkällor om man försöker automatisera det. Men låt oss hoppa över automatiserandet en stund.
Toppbalansering.
Vid toppbalansering så skyddar man enskilda celler från att stressas av batteriladdaren, men har istället problemet när batteripacken börjar bli tom, när den svagaste cellen riskerar att skadas av kraften som finns kvar i de övriga. Detta problem löser man med att motorstyrningen helt enkelt slår av vid en viss pack-spänning, som med marginal skyddar den svagaste cellen. Att ta reda på den spänningen är att helt sonika försiktigt köra ned den toppbalanserade packen till en låg nivå, mäta enskilda celler tills man identifierat den som nått ca. 2,6-2,7 volt först. Den spänningen som hela batteripacken då har skall sedan aldrig understigas. Man ställer in detta i motorstyrningen. Men för säkerhets skull bör man ha en uppmätning av alla celler vid nästan urladdat som en serviceintervall, kanske sådär en gång per år, var hundrade laddning eller så. En stor nackdel uppstår dock vid kyla, eftersom man måste göra slut på det roliga i motorstyrningen vid god marginal för att skydda den där svagaste länken i batterikedjan.
Bottenbalansering.
Vid bottenbalansering så handlar det istället om att skydda sina batterier mot den farliga situation som kan uppstå när man börjar köra slut på strömmen. Har alla celler samma spänning när de är i stort sett urladdade, då kan inte de starkare cellerna skada den svagaste, i det läget är alla lika. Vad beträffar motorstyrningen så använder man fortfarande funktionen som drar ned effekten vid en viss spänning, men nu kan den ställas betydligt lägre. En stor fördel vintertid, då somliga upplever spänningar ända ned till 2,2 volt per cell för att överhuvudtaget kunna köra med bilen. I den andra änden låter man istället laddaren slå av vid en viss uppnådd packspänning, på samma vis som med toppbalanseringen. Man springer runt med en mätare under laddning för att identifiera den första cellen som når ca. 3,5 volt. Den spänning som hela packen har i detta läge skall aldrig överskridas av laddaren. Men det är samma sak här som ovan. man bör ha som service att mäta upp batterierna för att ha koll på sin bottenbalansering och att den svagaste cellen fortfarande är det.
Automatik.
Men hur var det då med automatiken? Automatisk bottenbalansering vid drift, det finns inte att köpa. Men system som toppbalanserar vid laddning, det finns däremot en välja bland. Det fungerar som så att systemet shuntar ut lite ström (gör värme), förbi den svaga cell som först börjar bli full, så att den då tar emot mindre laddning än de andra tills de också börjar bli fulla. Detta kräver ett kretskort på varje enskild cell, plus minst en sladd från varje cell till en styrenhet. Det här är en enorm introduktion av potentiella felkällor där varje ingående del dessutom är mindre driftsäker än vad batterierna själva är, givetvis till en kostnad också, det blir många komponenter till en hel batteripack. Jag har hittils inte sett något BMS-system som tål högtryckstvätt.. Det är dessutom bara att konstatera, det är inte alls ovanligt med folk som har problem med sitt BMS, finns otaliga exempel på det både på forum och bloggar, där de skriver om sina erfarenheter eller försöker få hjälp. Fundera, hur många kopplingsytor blir det för ett pack av 80 celler? För en cell blir det tre för kretskortet mot batteriet (kretskort + 2 för sladd till andra polen) och ytterligare två för sladden som skall kommunicera med centralenhet, alltså minst 5 per cell, gånger 80 = 400. Det innebär också ett virravarr av små kablar som är anslutna till drivpackens både höga ström och spänning, alla med potential att ställa till problem. Det är inte vad jag kallar god ingenjörskonst, snarare närmast dårskap.
Sådär, då har jag antagligen rört upp en del känslor, där upprörheten troligen tom. kan mätas i priset på det BMS den upprörde köpt.
Undvika strömtorsk.
Näe, jag talar inte om fisk här, utan om den detalj jag inte skrivit om. På något vis bör man ju ha något som kan fungera som bränslemätaren i en bil med förbränningsmotor. Faktiskt en av de viktigare mätarna i en bil, i stort sett lika viktig som hastighetsmätaren. Man kunde ju inte förlita sig på en voltmätare mellan sådär 20 till 80% laddning. Lösningen är istället att mäta ampere. Hur många ampere som gått in respektive ut från batteripacken och koppla detta till en mätare. Det blir inte hundra procent exakt, precis som med tankmätaren på en gammal bil som kan visa rätt mycke fel beroende på hur bilen lutar när bränslet skvalpar omkring i tanken. Det är ju bara under de senaste åren som vi fått bilar som mäter exakt i en färddator. Men tillsammans med kilometerräknaren, en voltmätare och erfarenhet, så blir det precis lika noggrant som i äldre bilar. För mätningen av Ah in/ut har jag köpt en liten pryl från ZEVA i Australien som heter Fuel Gauge Driver Plus. Den mäter hur många ampere som går in/ut och kan justeras in mot en vanlig analog tankmätare som alla äldre bilar har. En rätt enkel pryl som bara induktivt mäter ampere på utgående kabel från batteripacken och därmed endast behöver kopplas in på 12 volt. Enkelt, inte 100% exakt men fullt tillräckligt, precis som gamla bilars tankmätare.
Lösning på BMS.
Jag vill alltså inte ha något "Battery Management System", jag anser att det tillför mer problem än det löser och har potential att ställa till elände, tom. innebära fara genom allt kablage kopplat till HV-systemet. Jag vill dock ha någon form av "Battery Monitoring System", där jag inte har något emot att göra vissa kontroller manuellt vid problem och som en servicepunkt. Bottenbalansering är grunden, voltmätare och den där ampere-räknaren nämd ovan. Utöver detta skulle jag vilja ha något som kan tala om utifall något blivit fel, om någon cell är på väg att dö eller har dragit iväg kapacitetsmässigt på det där viset som många visserligen intygar att det inte sker, åtminstone inte på deras bilar efter några års drift. En genialt enkel lösning som inte kräver en härva av kablar till HV-systemet är Lee Hart's Batt-Bridge Battery Balance Alarm. Den lösningen talar visserligen inte om vilken cell som felar, bara varnar att den ena halvan av batteripacken av någon anledning fått en lägre spänning an den andra halvan, vilket säger att det blivit fel på någon av cellerna. Den lösningen skulle vara god nog för mig i kombination med det jag redan nämt, där grunden vilar på bottenbalansering, servicekontroll och ett par enkla mätare. Den där kretsen kan givetvis också göras lite mer avancerad så att allt in till bilens instrumentpanel blir optoisolerat från HV-systemet. Jag behöver också något som varnar för isolationsfel i HV-systemet. Det är t ex. inte helt ovanligt att koldamm eller annat skit kring motorns kollektor kan orsaka krypströmmar mot bilens chassie. Tål att funderas lite på.
Men.. SFRO skriver i sin elbilsbilaga till bygghandboken, på sidan 8:
En ”battery management unit” (BMU) ska finnas om man har litiumbatterier eller Nickel-metallhydrid (NiMH). Det är ett över-vakningssystem som håller koll på att ingen enskild cell över-laddas, eller överbelastas.
Att riskmässigt klumpa ihop Nickel-metallhydrid batterier, med Litium-järnfofsat är, tja.. host, harkel.. Det verkar som om det där var skrivet för rätt länge sen. Det antyder ju dessutom att blybatterier inte skulle behöva det, vilket nog jag anser med tanke på riskerna med blybatterier och gasen de producerar vid överladdning, i synnerhet med tanke på hur fort blybatterier slits och förändrar sin kapacitet.
Men, i de riktlinjer som SFRO går efter, som finns i bilagan på sidan 20 står:
"Finns det en elektronisk övervakning?"
I detta fall är ju formuleringen sådan att det jag vill ha besvarar frågan jakande. Elektroniskt och ger övervakning, dock inte på identifierande cellnivå. Men krävs det så tvingas jag väl att montera ett BMS som kraftigt försämrar HV-systemets driftsäkerhet, bara för syns skull. Men jag hoppas slippa det.
Inga kommentarer