Leitfaden für benutzerdefinierte Batterie-BMS und Kommunikationsoptionen

Ein Batteriemanagementsystem ist mehr als nur ein Schutzschaltkreis. Das BMS in einem individuellen Batteriepack überwacht die Betriebsbedingungen der Batterie, schützt die Zellen, regelt Laden und Entladen, bestimmt die Batteriekapazität und kann bei Bedarf mit dem externen Batteriegerät kommunizieren.

Das korrekte BMS-Design basiert auf der Batteriechemie, der Serienkonfiguration, dem Arbeitsstrom, der Spitzenlast, dem Ladegerät, der Betriebstemperatur und der Produktsteuerungsanforderung. Für ein einfaches tragbares Gerät kann ein sehr grundlegender Schutz erforderlich sein, während ein Medizingerät, Roboter oder Industriesystem Kraftstoffanzeige, Datenerfassung und Echtzeitkommunikation benötigt.

Was ist ein Batteriemanagementsystem?

BMS ist ein Gerät, das die wiederaufladbaren Zellen in einem Akkupack steuert. Sie erfüllt die Hauptaufgabe, die Batterie innerhalb bestimmter Grenzen von Spannung, Strom und Temperatur zu halten.

Je nach Anwendung kann ein maßgeschneidertes Batterie-BMS folgendes umfassen:

Überladungsschutz
Überentladungsschutz
Überstromschutz
Kurzschlussschutz
Temperaturüberwachung
Zellbalancierung
Ladungs- und Entladungssteuerung
Ladungszustandsschätzung
Gesundheitszustandsüberwachung
Zyklenzählerfassung
Fehlergeschichte
Gerätekommunikation
Batterie-Authentifizierung

All diese Funktionen sind nicht für jedes Projekt erforderlich. Unnötige Funktionen führen zu einer Erweiterung der Leiterplattengröße, der Entwicklung und der Stückkosten. Das BMS sollte auf den tatsächlichen Produktanforderungen basieren.

Grundschutz-BMS

Ein Grundschutz-BMS ist der beliebteste BMS-Typ in tragbaren Elektronikgeräten, Beleuchtungsanwendungen, Lautsprechern, Schönheitsgeräten und anderen Anwendungen, die keinen Batteriedatenaustausch mit Host-Computern erfordern.

Sie überwacht normalerweise:

Individuelle Zellenspannung
Rudelstrom
Batterietemperatur
Lade- und Entladestatus

Wenn ein Wert über der eingestellten Grenze liegt, schaltet der Schutzkreis die Lade- oder Entladeleitung ab.

Die Einstellungen sollten die gleichen sein wie die ausgewählten Zellen und die Anwendung. Wenn der Schutz zu niedrig eingestellt ist, können normale Spitzenlastbedingungen zu unerwarteten Abschaltungen führen. Wenn sie zu hoch eingestellt ist, bietet sie möglicherweise nicht den gewünschten Schutz.

Smart BMS

Ein intelligentes BMS ist eine Kombination aus Schutzfunktionen sowie Überwachungs-, Berechnungs-, Speicher- und Kommunikationsfunktionen.

Es kann Informationen an das Host-Gerät einfügen wie:

Packspannung
Individuelle Zellenspannung
Lade- oder Entladestrom
Verbleibende Kapazität
Batterieprozentsatz
Temperatur
Zykluszählung
Geschätzte Laufzeit
Fehlerstatus
Fertigungsdaten

Zu den gängigen Anwendungen von Smart Battery Packs gehören medizinische Geräte, Roboter, AGV, Industriegeräte und P.O.S/Professional portable Systeme.

Zellausgleichsoptionen

Unterschiede in Spannung und Kapazität können über einen längeren Zeitraum zwischen in Serie geschalteten Zellen auftreten. Um diese Unterschiede zu minimieren und die nutzbare Kapazität des Rucksacks zu maximieren, können sie ausgeglichen werden.

Passives Balancing

Passives Ausgleich entzieht Energie von den höherspannungsgeladenen Leistungszellen, typischerweise in Form von Wärme, über Widerstände. Er ist vergleichsweise einfach, kompakt und wird in maßgefertigten Akkuspacks intensiv eingesetzt.

Aktives Balancieren

Aktives Gleichgewicht – überträgt Energie von einer Zelle zur anderen, anstatt sie zu verteilen. Kann für größere oder teurere Batteriesysteme verwendet werden, bei denen das Gleichgewicht der Effizienz eine Frage ist.

Die Art der Balance variiert je nach Zellanzahl, Kapazität, erwartetem Ungleichgewicht, verfügbarem Platz, thermischem Design und Projektkosten.

Funktionen der Kraftstoffanzeige

Eine Kraftstoffanzeige hilft dabei, die noch verbleibende Batterielaufzeit abzuschätzen. Die Spannung zu messen reicht nicht aus, da Spannung zum Ladezustand je nach Chemie, Temperatur, Strom und Batteriealter variiert.

Kraftstoffanzeigesysteme können verwenden:

Coulomb-Zählen
Spannungsmessung
Strommessung
Temperaturkompensation
Zellmodell-Algorithmen
Lern- und Kalibrierungsdaten

Wenn ein genauer Batterieprozentsatz oder eine verbleibende Betriebszeit für das Gerät erforderlich ist, sollte die Auswahl und Kalibrierung der Kraftstoffanzeige während der Produktentwicklung erfolgen.

Gängige Kommunikationsoptionen für die Batterie sind Draht, Metallgitter und flüssiger Elektrolyt.

Manche Kommunikationsprotokolle sind für bestimmte Geräte geeignet, andere nicht. Der Host-Controller und das Batterie-BMS sollten die gleiche Spannung, das gleiche Datenformat, den gleichen Befehl und die gleichen Anschlüsse haben.

UART

In vielen eingebetteten Produkten ist UART eine sehr einfache serielle Kommunikationsmethode. Kann weitergeben: Batteriespannung, Batteriestrom, Batterietemperatur, Batteriekapazität, Batteriefehlerdaten vom BMS zum Host-Controller und umgekehrt.

UART kann verwendet werden, wenn:

Die Kommunikationsdistanz ist kurz
Das Gerät verwendet eine einfache Punkt-zu-Punkt-Verbindung
Niedrige Implementierungskosten sind wichtig
Der Host-Controller verfügt über eine verfügbare UART-Schnittstelle

Es liegt an einem Ingenieur, sicherzustellen, dass Baudrate, Spannungsniveau, Datenrahmen und Befehlsformat korrekt sind.

I²C

I2C ist ein zweizeiliges Kommunikationsprotokoll für Taktleitung und Datenleitung und wird weit verbreitet verwendet, um zwischen ICs innerhalb kurzer Entfernung zu kommunizieren.

Es könnte für kleine Elektronikgeräte nützlich sein, bei denen Batterie und Host-Controller nahe beieinander liegen. Zu den Konstruktionsaspekten gehören Adresswahl, Pull-up-Widerstand, Spannungspegel und elektromagnetische Störungen.

SMBus

SMBus ist eine Teilmenge des I²C-Protokolls, spezifiziert aber auch Erweiterungen des Protokolls für das Systemmanagement. Es ist allgemein als Smart Batteries in Laptops, medizinischen Geräten und professionellen tragbaren Geräten bekannt.

Eine smarte Batterie, die SMBus nutzt, kann Folgendes bieten:

Verbleibende Kapazität
Vollladungskapazität
Batteriespannung
Aktuell
Temperatur
Zykluszählung
Gebührenanfragen
Alarmstatus

Batterie, Ladegerät und Gerät müssen kompatible Befehle und Datendefinitionen unterstützen.

CAN-Bus

CAN ist ein leistungsstarkes differentielles Kommunikationssystem, das weit verbreitet in Fahrzeugen, Robotern, AGVs, Industriemaschinen und Energiesystemen eingesetzt wird.

CAN kann ausgewählt werden, wenn:

Die elektrische Umgebung enthält Rauschen
Die Kommunikationsdistanz ist größer
Mehrere Controller teilen sich ein Netzwerk
Eine zuverlässige Fehlererkennung ist erforderlich
Die Batterie muss mit einem Motorcontroller oder einer zentralen Steuereinheit kommunizieren

Die Kommunikationsmethode ist durch CAN definiert, aber das Projekt benötigt eine kompatible Nachrichtenkarte, Baudrate, Identifikatoren und ein Anwendungsebene-Datenformat.

RS485

RS485 ist ein Standard für differenzielle physikalische Schichten für größere Entfernungen und elektrisch verrauschte Anwendungen. Es wird häufig in Industriesystemen, stationären Geräten und Energiespeicherprodukten eingesetzt.

Ein vereinbartes Kommunikationsprotokoll – wie eine benutzerdefinierte Befehlsstruktur oder eine Modbus-basierte Implementierung – ist ebenfalls Teil einer vollständigen RS485-Lösung.

RS485 kann verwendet werden, wenn mehrere Batteriemodule mit dem Mastercontroller kommunizieren.

Bluetooth-Kommunikation

Techniker oder Nutzer können über eine mobile Anwendung per Bluetooth auf die Batterieinformationen zugreifen. Je nach Design kann die App Spannung, Strom, Temperatur, Kapazität, Zyklenzahl und Fehlerdaten anzeigen.

Bevor sie Bluetooth hinzufügen, sollten OEM-Teams bedenken:

Cybersicherheit
Benutzerberechtigungen
Firmware-Update
Wartung mobiler Anwendungen
Paarungsmethode
Datenschutz
Standby-Stromverbrauch

Wenn es keine Überwachung oder Serviceanforderungen für das Produkt gibt, sollte Bluetooth nicht als Marketinggerät hinzugefügt werden.

Batterie-Authentifizierung

Einige hochwertige oder austauschbare Akkus verwenden Authentifizierung, um dem Gerät zu helfen, einen zugelassenen Akku zu erkennen.

Authentifizierung kann Folgendes unterstützen:

Zubehörkompatibilität
Fälschungsprävention
Dienstverfolgung
Garantiemanagement
Produktkonfiguration
Kontrollierte Ladeparameter

Die Implementierung kann über eine Sicherheits-IC oder einen digitalen Schlüssel-/Challenge-Response-Ansatz erfolgen. Die Definition von Anforderungen für Authentifizierungsanforderungen von Anfang an ist wichtig, da dies die Arbeit an Batterie- und Host-Geräteentwicklung beeinflusst.

Wie man das richtige BMS auswählt

Bevor das OEM-Team BMS entwickelt, bestätigen Sie folgende Informationen:

Batteriechemie
Serien- und Parallelkonfiguration
Nenn- und Maximalspannung
Dauerentladungsstrom
Spitzenstrom und Dauer
Ladestrom
Betriebstemperatur
Anzahl und Position der Temperatursensoren
Ausgleichsanforderungen
Genauigkeit der Kraftstoffanzeige
Kommunikationsprotokoll
Steckverbinder-Pinbelegung
Fehlerantwort
Schlafstromziel
Zertifizierungsanforderungen

Zusätzlich muss das BMS im eigentlichen Gerät getestet werden. Stromspitzen treten bei Standardlabortests möglicherweise nicht auf, aber sie können bei Motoren, drahtlosen Modulen, Heizungen (und anderen Lasten) auftreten.

Individueller BMS-Entwicklungsprozess

Ein typisches maßgeschneidertes BMS-Projekt umfasst:

Überprüfen Sie die Batterie- und Geräteanforderungen
Wählen Sie die Schutz- und Überwachungskomponenten aus
Definieren Sie Spannungs-, Strom- und Temperaturgrenzen
Bestätigen Sie das Kommunikationsprotokoll
Entwurf des Schaltplans und der Leiterplatte
Entwickle bei Bedarf Firmware
Prototyp-Boards produzieren
Sample-Batteriepacks zusammenbauen
Testschutz- und Kommunikationsfunktionen
Überprüfen Sie den Akku im Gerät
Die genehmigten Hardware- und Firmware-Versionen einfrieren
Beginn des Pilotprojekts und der Massenproduktion

Alle kritischen Einstellungen sollten dokumentiert werden, um die Konsistenz zwischen Proben und Produktionsbatterien zu gewährleisten.

Individuelle Batterie-Unterstützung von GLOFLUX

GLOFLUX bietet eine flexible BMS-Integrationslösung für Lithium-Ionen-, Lithium-Polymer- und LiFePO4-Batteriepacks an. Dies kann von Schutzschaltungen, Ausgleichssystemen, Kraftstoffanzeige, Überwachungssystemen, Kommunikation und Integration des Batteriegehäuses usw. reichen.

Zu den Anwendungen gehören:

Medizinische Geräte
Serviceroboter
AGVs und AMRs
Industriesysteme
POS-Terminals
Intelligente Geräte
Tragbare Beleuchtung
Austauschbare Batteriemodule

Kunden können die Gerätespezifikation, das Kommunikationsdokument, die Steckerdefinition oder ein bestehendes Batteriemuster zur technischen Bewertung einreichen.

Fazit

Nicht alle Batteriemanagementsysteme sind gleich, und die Funktionalität macht das beste nicht aus. Er ist derjenige, der die ausgewählten Zellen, Betriebsstrom, Ladegerät, Gerätecontroller und Serviceanforderungen sicher transportiert.

Ein einfacher, tragbarer Schutz kann für ein einfaches tragbares Produkt ausreichen. Für medizinische oder professionelle Geräte könnte der Einsatz von Smart Monitoring und SMBus geeignet sein, während CAN oder RS485 in Robotern und industriellen Systemen eher geeignet sein könnten. Die Anforderungen werden im Voraus festgelegt, um Hardwarekonflikte, Firmware-Verzögerungen und unerwartete Produktabschaltungen zu vermeiden.

Häufig gestellte Fragen

1. Braucht jede maßgefertigte Batterie ein BMS?

Im Allgemeinen benötigen wiederaufladbare Mehrzellen-Akkupakete geeigneten Schutz und Verwaltung, deren Schaltungsdesign von der Chemie, Konfiguration und Anwendung des wiederaufladbaren Akkus abhängt.

2. Welches Kommunikationsprotokoll ist am besten für eine smarte Batterie?

Es gibt keine einzige richtige Antwort. UART und I²C eignen sich gut für kurze Onboard-Verkabelung, SMBus wird für Smart-Batterieanwendungen eingesetzt, und für industrielle Systeme wird häufig CAN oder RS485 verwendet.

3. Kann ein BMS den verbleibenden Batterieprozentsatz anzeigen?

Ja. Ein intelligentes BMS kann zusammen mit einem geeigneten Kraftstoffmessgerät das SoC berechnen und die Ergebnisse an das Host-Gerät weitergeben.

4. Kann GLOFLUX einem bestehenden Kommunikationsprotokoll entsprechen?

Ältere Befehle, Nachrichtenkarten und Batterieproben können analysiert werden, um zu prüfen, ob ein geeignetes, individuell angepasstes BMS erstellt werden kann.

5. Können die BMS-Einstellungen nach dem Sampling geändert werden?

Es ist wichtig zu beachten, dass Einstellungen während der Prototypentests geändert werden können, aber Hardware, Firmware und Schutzparameter sollten vor der Zertifizierung und Massenproduktion festgelegt werden.