Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Zusammenspiel BQ76940+BQ78350-R1 (BMS)


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von Daniel H. (stud_xy)


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Hallo allerseits,

ich befinde mich in den ersten Wochen meiner Masterarbeit und habe die 
Aufgabe, ein BMS zu entwickeln für 12s3p Zellen vom Typ NCR18650B.

Ein paar Randinformationen: Zwar habe ich Mechatronik studiert, jedoch 
nie gelernt eine Schaltung auszulegen (das war auch bei unseren 
E-Technikern nicht im Lehrplan), dementsprechend sitze ich nun da wie 
der Ochs vorm Berg. Dennoch habe ich diese Stelle angenommen, eben 
gerade weil ich mich in dem Bereich noch nicht auskenne und eine 
Herausforderung will.

Mittlerweile bin ich so weit, dass ich ein ungefähres Verständnis habe 
und so langsam an die Teilebestellung gehen kann. Für das BMS habe ich 
den BQ76940 ausgesucht. Dazu wurde mir noch der Fuel Gauge BQ78350-R1 
empfohlen. Es soll weiterhin ein ESP32 Mikrocontroller verwendet werden. 
Da die Batterien ein Fluggerät versorgen, muss das ganze auch 
entsprechend gesichert sein. Später soll es auch mit Solarzellen 
ausgestattet werden, d.h. eine Integration des dazu nötigen Systems 
(MPPT) soll möglich sein. Der Strom, der von den Solarzellen kommt und 
den Batterien zugeführt wird, soll dazu noch dosierbar sein. Ich glaube 
worauf mein Betreuer hinaus will ist, dass bei genügend erzeugter 
Energie von den Panels ein Teil abgeknapst werden kann, um die Batterien 
zu laden.

Meinem Betreuer sind SoC und SoH relativ egal, ihm geht es prinzipiell 
ums Messen von Batteriespannung und Strom. Die SoC Berechnung könne 
softwareseitig erfolgen, falls sie im Nachhinein benötigt wird.


Nun zu meinen Fragen:
Mit dem BQ76940 messe ich ja die Zellen und implementiere ein paar 
Sicherheitsfunktionen. Die Batteriedaten kann ich ja über meinen uC 
auslesen, wenn ich den anhänge. Mit dem kann ich dann auch Algorithmen 
zu SoC und SoH implementieren. Eine Ladesteuerung kann ich dann ja 
diskret dazu aufbauen. Ein Kollege hatte mir dazu schon mal eine 
Schaltung in die Hand gedrückt, aber dort ist auch ein Fuel Gauge drin. 
Denke ich hier zu einfach bzw. ist es schon genug Arbeit, die 
Kombination aus AFE+Gauge zu bauen?

Brauche ich dann den BQ78350-R1 überhaupt? Soweit ich das verstanden 
habe, liest der die Daten aus der AFE, berechnet den SoC über einen 
speziellen Algorithmus und steuert das Ladeverfahren. Kann ich selbst 
überhaupt eine so genaue Berechnung implementieren, wie das Teil das 
macht?

Zum Einsatz soll passives Balancing kommen, da die Balancing-Widerstände 
auch gleichzeitig zum Heizen verwendet werden sollen. Kann ich die mit 
dem geplanten Setup ansteuern oder macht mir da eine Komponente 
Probleme?


Ich hoffe das war nicht allzu wirr geschrieben; dass ich noch nicht 
allzu viel Ahnung von dem Thema sieht man wohl.

Viele Grüße

: Bearbeitet durch User
von Boris O. (bohnsorg) Benutzerseite


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12S mit MPPT ist schon ein ordentlicher Eigenbau. Dafür solltest du dir 
einen passenden MPPT-Algorithmus aussuchen. Da die Zellen fest verbaut 
sind und es ein Einzelstück ist, kannst du Open-Circuit-Voltage/ fixed 
voltage machen. Die ganzen statistischen Verfahren halte ich für 
übertrieben.

Da dein System nicht flexibel oder für Serienfertigung gedacht ist, 
würde ich eher zum analog front end und Rest in Software tendieren. Du 
kennst deine Akku-Zellen, deine Solarzellen, deinen Energiebedarf und 
kannst alles über einfache Regelung abwickeln. Geschickte Schätzmodelle 
sparen dir Shunts und Rechenleistung.

Im Wesentlichen nimmt dir die fuel gauge nur die Multiplikationen ab. Da 
du aber bspw. Betriebsdauer und Leistung eingeschalteter Verbraucher 
kennst, kannst du das extrapolieren. (Statt den genauen Strom je Zeit zu 
messen genügt dir die Zeit, da du den Strom aufgrund Verbraucherleistung 
kennst – falls es keine großen Schwankungen gibt.)

Die Kapazität der Zellen schwankt stark mit der Temperatur, wie auch ihr 
Innenwiderstand. Laden und Entladen werden davon direkt beeinflusst. Ist 
das Fluggerät bei -50°C im Einsatz, wird es knackig, Li-Ion zu laden 
bzw. Leistung herauszubekommen. Wenn du nur im Wohnzimmer bei 22°C 
fliegst, ist es deutlich einfacher.

Das Balancing würde ich nicht machen, in Abhängigkeit von der 
Betriebsdauer. Zellen aus einer Charge mit einigermaßen 90%-Selektion 
bzgl. Innenwiderstand und 80%-Betrieb (nicht voll entladen, nicht voll 
laden) halten den Akku 1-2 Jahre stabil. Wenn es zwischendurch 
Möglichkeiten des Balancierens von außen gibt, reicht das vollauf. Als 
autarkes System würde ich dagegen aktiv balancieren, d.h. überschüssige 
Leistung aus Zellen in solche mit Mangel überführen (über 
Speicherdrosseln/ DC-DC-Wandler).

Wenn du noch etwas Projekttext rundum machst, ließe es sich genauer 
durchgehen. So bleibt es schwammig.

von Daniel H. (stud_xy)


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Boris O. schrieb:
> Im Wesentlichen nimmt dir die fuel gauge nur die Multiplikationen ab. Da
> du aber bspw. Betriebsdauer und Leistung eingeschalteter Verbraucher
> kennst, kannst du das extrapolieren.

Das heißt die AFE reicht, Fuel Gauge brauche ich nicht, sondern mache 
das per Software anhand der AFE-Daten.

> Die Kapazität der Zellen schwankt stark mit der Temperatur, wie auch ihr
> Innenwiderstand. Laden und Entladen werden davon direkt beeinflusst. Ist
> das Fluggerät bei -50°C im Einsatz, wird es knackig, Li-Ion zu laden
> bzw. Leistung herauszubekommen.

Jupp, Außentemperatur wird so -60°C sein. Daher sollen die 
Balancing-Widerstände nicht nur balancen, sondern auch zum Heizen 
angesteuert werden können.

> Wenn du noch etwas Projekttext rundum machst, ließe es sich genauer
> durchgehen. So bleibt es schwammig.

Welche Infos wären denn noch hilfreich? Denn arg viel mehr weiß ich auch 
nicht.

von Mark W. (kram) Benutzerseite


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> Jupp, Außentemperatur wird so -60°C sein. Daher sollen die
> Balancing-Widerstände nicht nur balancen, sondern auch zum Heizen
> angesteuert werden können.
>
Dann schau Dir nochmal das Datenblatt der NCR18650B an.
Du musst also immer so heizen, dass Du ueber -20 Grad Celsius bleibst. 
Beim Laden sogar ueber 0 Grad. Unter 10 Grad kannst Du dann nur noch mit 
025C laden...usw...
Oder sehr gut isolieren.
Ich wuerde auch mal nach anderen Batterietypen Ausschau halten. Sehe Dir 
mal an, was die Leute immer in den Wetterballons verbauen.

von Daniel H. (stud_xy)


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Mark W. schrieb:
> Du musst also immer so heizen, dass Du ueber -20 Grad Celsius bleibst.
> Beim Laden sogar ueber 0 Grad. Unter 10 Grad kannst Du dann nur noch mit
> 025C laden...usw...
> Oder sehr gut isolieren.
> Ich wuerde auch mal nach anderen Batterietypen Ausschau halten. Sehe Dir
> mal an, was die Leute immer in den Wetterballons verbauen.

Der Batterietyp ist vorgegeben. Isolation und Temperaturmanagement ist 
ein separates Thema, das mich nur indirekt betrifft. Das ist 
wahrscheinlich nochmal eine eigene Thesis. Bei mir geht es nur darum, 
dass ich durch die Widerstände bei Bedarf (zumindest ein wenig) Wärme 
erzeugen kann.

von Mark W. (kram) Benutzerseite


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Daniel H. schrieb:
> Mark W. schrieb:
>> Du musst also immer so heizen, dass Du ueber -20 Grad Celsius bleibst.
>> Beim Laden sogar ueber 0 Grad. Unter 10 Grad kannst Du dann nur noch mit
>> 025C laden...usw...
>> Oder sehr gut isolieren.
>> Ich wuerde auch mal nach anderen Batterietypen Ausschau halten. Sehe Dir
>> mal an, was die Leute immer in den Wetterballons verbauen.
>
> Der Batterietyp ist vorgegeben. Isolation und Temperaturmanagement ist
> ein separates Thema, das mich nur indirekt betrifft. Das ist
> wahrscheinlich nochmal eine eigene Thesis. Bei mir geht es nur darum,
> dass ich durch die Widerstände bei Bedarf (zumindest ein wenig) Wärme
> erzeugen kann.

Ist auch kein Problem, man sollte nur dran gedacht haben.

von Daniel H. (stud_xy)


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Mal noch eine allgemeine Frage:
Haltet ihr es für realistisch, in 6 Monaten ein BMS zu entwickeln?
Ich habe wie gesagt keine Vorkenntnisse in Schaltungsauslegung und mein 
Betreuer weiß etwa so viel wie ich, heißt ich muss alles selbst 
erarbeiten. Mir kommen da nämlich gerade Zweifel...
Zwei Kommilitonen haben über ein Semester bereits versucht, an der 
Hochschule ein BMS zu basteln und wurden nicht fertig. Sie meinten, die 
Profs wollen nicht einsehen, dass so etwas mehr Zeit benötigt und nicht 
grad mal so gemacht ist. Wie seht ihr das? Zu komplex für ein halbes 
Jahr? Es soll am Ende auch etwas Abgeschlossenes bei rauskommen.

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