Hogyan működik a BMS?

Üdv,

leírná pontosan, hogy ballanszolja ki EV-nél egy BMS a 180ah-s cellákat egy hajszálvékony kábelen? Milyen módon és technikával, eszközzel teszi ezt?

Válaszát köszönöm

Tisztelt Uram,

Először is szeretnék gratulálni: az elmúlt egy évben senki sem tudott nekem ilyen rövid, ámde ennyire nehezen megválaszolható kérdést feltenni! Erről a témáról még álmomból felriasztva is minimum 10 oldalt tudnék írni; ha meg úgy igazán nekilódulnék, száz oldalas kisregény lenne a válasz, mivel ez a legkedvencebb témaköröm. :-)

A 180Ah-ból arra tippelek, hogy ez egy Hyundai Kona 64 kWh-s akkumulátora, amelyben ha nem is hajszálvékony vezetékek vannak, de tény, hogy "csak" 0,3 mm2-esek. Ezek a vezetékek akku-modulon belül 2A-es vezeték-védő biztosítékkal vannak védve; így jutnak el a BMS-ig (itt CMU), amely kb. 30 mA-es (0,03A) átlagárammal balanszolja őket - éjjel-nappal! A balanszolást magát egy 3. generációs BMS chip végzi a CMU-nak (Cell Management Unit) nevezett modulokon belül.

Az elektromos autók 2008-tól kezdődő szédítő fejlődése leginkább az akkuk és BMS-ek fejlődésében nyilvánul meg. A "nulladik" generációs buta BMS-ek (Pl. Nissan LEAF, Renault Fluence ZE/Kangoo ZE, Tesla Roadster) után megjelenő 1. generációs BMS-ek közös jellemzője, hogy külső kapcsolóelemekkel (FET-ekkel) kapcsoltak be 18-47 Ohm értékű balanszer ellenállásokat, amelyek 120-180 mA-es átlagárammal tudták a cellákban lévő többlet töltést elmelegíteni, ezzel visszasütve a túltöltött cellák feszültségét az összes többihez. Ezt a "fűnyíró-módszert" alkalmazta pl. az Opel Ampera (PHEV), a Volvo V60 PHEV, és hogy egy tisztán BEV típust is mondjak, pl. a Renault Zoe is.

Ezen korai BMS-ek kizárólag csak töltés közben végeztek balanszolást, folyamatosan figyelve a cellák pillanatnyi feszültségét. Ha valamelyik cella a balanszolás ellenére is kezdett túl magas feszültséget elérni, akkor a BMS utasítására a fedélzeti töltő (OBC) folyamatosan csökkentette a töltőáramot olyan alacsony szintre, amit csak tudott, hogy elegendő idő álljon rendelkezésre a teljes balanszoláshoz. Talán leginkább a Renault Zoe-re jellemző, hogy ha sokáig állt, akkor a 100%-os feltöltése akár +2-3 óráig is elhúzódott, és csigalassúsággal ment bele az utolsó 1-2%, holott előtte 90-95%-ig meg kifejezetten tempósan, villámgyorsan töltött.

Ezek az 1. generációs BMS-ek relatíve nagyok, mert "nagy" árammal balanszolnak - ami költség szempontból sem szerencsés, ill. a BMS nagy melegedése sem előnyös. Ezért a 2. generációs BMS-ek szakítottak a "nagy balanszoló áram - rövid balanszolási idő" párossal, és helyette állandó balanszolást végeznek; ha szükséges, éjjel-nappal folytatva azt. Ennek a legszebb példája a Tesla Model S/X típusok BMS-e, amely töltés közben gyakorlatilag nem végez balanszolást, csak "beméri", melyik cellát és milyen mértékben kell balanszolni, majd az autó állásában folyamatosan végzi a balanszolást.

Mivel itt a balanszoló áram ~100 mA-es, a Teslák akkuja meg különösen nagy kapacitású (250Ah-s), így 24 óra alatt alig 1%-nyi töltés-eltérést tud kiszedni (24h*0,1A = 2,4Ah), azaz 3-5 km elveszett hatótáv jön vissza. Ezért egy látszólag sokat degradálódott Tesla akkut érdemes feltölteni ~90%-ra, hogy a BMS elkezdhesse a balanszolást, majd a töltőről lehúzva 2-3 napig békén kell hagyni az autót; ez idő alatt akár 10-15 km "eltűnt" hatótáv is visszajöhet. (Ez szigorúan csak a Tesla Model S/X-re igaz, a Model 3/Y-ra már nem!)

A fenti megoldás még mindig rengeteg hátránnyal jár: a nagyobb méretű ellenállások és a külső FET-ek sajnos drágák, mert ezeket nem csak legyártani kell, hanem tesztelni is - ennek ellenére nem ritka, hogy magában az autóban hibásodik meg a BMS, ami jobb esetben "csak" működésképtelen autót jelent, rosszabb esetben egy kigyulladó akkumulátort. Sajnos Teslából is gyulladt már ki pár példány... Voltak ugyan próbálkozások arra, hogy a fő BMS-t egy kiegészítő BMS-el lássák el; ez utóbbi chip balanszolást nem végez, csak ellenőrzi a fő BMS chip munkáját. Ilyen dupla BMS-e van a Tesla Model 3/Y párosnak a BatMan és Robin chippel, vagy pl. a BMW I3 is egy ilyen megoldást alkalmaz, ahogy a VW e-Golf/e-Up/GTE családja is. De a fejlődés iránya az egyre növekvő gyártási volumen és a költség-csökkentés miatt inkább abba az irányba tart, hogy minél több funkciót egy öntesztelő képességű chipben valósítsanak meg, minél kevesebb külső alkatrésszel. Ez a megbízhatóságot nagy mértékben javítja, a tűzveszélyt pedig csökkenti - viszont egyetlen chip hőleadó képessége már erősen korlátozott...

Így jelentek meg azok a 3. generációs chipek, amelyekre extrém kicsi, 30-50 mA-es balanszoló áram jellemző. Ilyen pl. a kérdező által kérdezett Hyundai Kona akkumulátora is. Ezekben már nincsen külső kapcsolóelem (FET), a balanszoló áramot a BMS chipen belül kapcsolgatják - ami emiatt erősen korlátozott. (Sőt, olyanra is van már példa, hogy a külső balanszer ellenállások helyett maga a chip végzi a felesleges töltés elmelegítését is.) Emellett rengeteg öntesztet is végeznek ezek a modern BMS chipek: egyesével letesztelik a balanszer áramkört szakadásra és zárlatra, ahogy a feszültség-szenzor áramköröket is, cellánként külön mindkét cella-vezetékre. Emiatt nem is folyamatosan balanszolnak, hanem kis impulzusokban, felváltva a páros és a páratlan cellákat balanszolva. Ezért írtam, hogy "30 mA-es átlagáram", mert bár a Hyundai Kona BMS-ében lévő ellenállások konkrétan 2x27 Ohm-osok, azaz 77 mA lenne az elméleti maximális balanszoló áram a maximális cellafeszültség mellett, valójában a páros-páratlan oldal külön balanszolása miatt ennek helyből a fele, amibe beiktatódik még 6 (!) önteszt funkció is, amely közben a balanszolás rövid időszakokra kikapcsol. Ezt másodpercenként kb. 100x csinálja meg; de hasonló ellenőrzések miatt pl. még a jó öreg Volvo is csak maximum 20-25 balanszoló "tüskét" tud csak másodpercenként.

Ahhoz, hogy ez a trükk működjön, több feltételnek kell teljesülnie. Részint gyártáskor a cellák közti kapacitásbeli szórás nem lehet több, mint 1,0-1,2%. Ez máris megmagyarázza azt az irdatlan nagy mennyiségű "selejtet", amit a hazai akkugyárak is termelnek, és amelyről mostanában elég sok tényfeltáró cikk jelent meg, ahogy országszerte hol itt, hol ott bukkannak fel "selejt" akkucellák hordókban, zsákokban, raktárakban. Ezek jelentős részének nincs más baja, mint hogy kicsit több vagy kicsit kevesebb a kapacitása, mint pont kellene - de a hazai, egy kézbe került hulladék-gazdálkodás miatt ezeket inkább mind ledarálják. Másrészt az ilyen bonyolult algoritmusokat könnyen meg lehet bolondítani olyan őskori hülyeségekkel, hogy "Csak 80%-ig tölts, mert az kíméli az akkumulátort!" Szerencsétlen szuper-intelligens BMS sosem jut el abba a fázisba, hogy lássa, mikor és mennyit kell majd balanszolnia az éjszakai nyugalomban. Ami a Nissan LEAF kőkorszaki BMS-én még működött, az nem fog működni egy modern Hyundai Konán!

Harmadrészt amit leírtam, az csak az "A" minőségi osztályú NMC kémiás "modern" akkukkal működik, az ebay/AliExpress-ről származó olcsó, kínai LFP kémiával már bajosan. Az LFP kémiára sajnos jellemző az önkisülés nagy szórása, így 2-3 hónapos pihenők után több tíz Ah-s töltés-beli eltérések alakulhatnak ki a cellák között. Az eddigi "rekordom" 95,5Ah kapacitás-eltérés egy 200Ah-s hajóakkuban, ami fél évig állt töltetlenül (és balanszolatlanul) a kikötőben. Ezért a kínai (ára alapján gyaníthatóan "B" vagy "C" minőségi osztályba tartozó gyártási "selejt") LFP akkuknál pont ellenkezőleg, a nagyáramú balanszolás terjedt el, sok esetben a bonyolultabb és drágább aktív balanszolással, amely esetében nem "fűnyíró módszerrel" melengetik el a jó cellákban maradt rengeteg felesleges töltést, hanem különféle trükkös (vagy épp faék egyszerű) módszerekkel áttöltik a gyengébb cellákba a jobb cellák töltés-feleslegét. Aki az ilyen típusú, nagy áramú (2A-8A) aktív BMS-ek világából jön, azok számára egy 0,3 mm2-es "hajszálvékony" balanszer vezeték, meg a 30 mA-es átlagos balanszoló áramú egy chipes passzív BMS maga a fekete mágia!

Üdvözlettel: VillanyPásztor