Akkumulátor technológia: BMS, azaz akkumulátor felügyeleti rendszer

A modern elektromos autózás megteremtésében az anyagtechnológia, azon belül is az akkumulátortechnológia fejlődése játszotta és játssza ma is a legnagyobb szerepet. Hogy ezt jobban megértsük, érdemes megismerkedni az energiatárolás fejlődésével. Öt részes cikksorozatunk elkalauzol az akkumulátorok fejlődésének legfontosabb állomásaira és segít megérteni, hogy miért a lítiumion technológia az, ami újabb esélyt adott az elektromos autózásnak.

A sorozat előző részében a lítium alapú akkumulátorok voltak terítéken, ezzel végigvettük a három legnépszerűbb energiatárolási technológiát. Aki elmulasztotta a sorozat korábbi részeit, annak érdemes visszaolvasnia, sok hasznos információt talál bennük.

A sorozat negyedik részében megvizsgáljuk, miért a Li-ion technológia lett a nyerő a villanyautózásban és milyen nehézségeket kellett megoldaniuk a mérnököknek, mire a Li akkumulátor eljutott a telefonoktól, a laptopokon keresztül, a járműveinkbe is.

Miért a Li-ion?

A lítiumakkumulátorok magas energiasűrűsége és nagy teljesítménye teszi lehetővé, hogy olyan akkumulátorcsomagokat készítsünk, amelyek már járművek mozgatásához is elegendő energia tárolását teszik lehetővé. Ilyen energiasűrűség mellett egy átlagos méretű személyautó 100-400 km megtételére képes. Ez már az autóval közlekedők nagyobbik részének lefedi a közlekedési szokásait, szinte bárki számára ésszerű alternatívát teremtve a belsőégésű motoros járművek mellett. Az akkumulátoros elektromos személyautók forradalmához viszont nem elég sok energia tárolására alkalmas akkumulátor. Szükség van egy segédberendezésre, ami védi az egyébként meglehetősen sérülékeny akkumulátort a balesetek utóhatásaival, a gyártási szórásból eredő hibákkal és magával a felhasználóval szemben. Nem utolsó sorban hosszú élettartamot biztosít a villanyautók akkumulátorai számára.

Az elektromos autók akkumulátorai és felügyeleti rendszerei

A lítiumakkumulátorok egyik legfőbb hátránya, hogy nagyon érzékenyek a töltés és a kisütés paramétereire, különös tekintettel a túltöltésre és a mélykisütésre. Ezért a „mezítlábas”, felügyeleti elektronika nélkül akkucellák felhasználása nem lehetséges, ha hosszú élettartamú, nagy kapacitású energiatárolót szeretnénk építeni. A megoldást nyújtó elektronikai berendezéseket gyűjtőnéven akkumulátor felügyeleti rendszereknek, angolul battery management system-nek (BMS) szokták emlegetni, és minden igényes lítium alapú akkupakkban megtalálhatók.

Mivel a BMS egy gyűjtőfogalom, ezért az egyedi megoldások széles skáláját takarja. A fejlesztésükkel folyamatosan foglalkoznak hazai és külföldi vállalatok. A legegyszerűbb rendszerek csak arra valók, hogy a felhasználó ne tudja szándékosan vagy akarata ellenére tönkretenni a cellát vagy a csomagot, a legösszetettebbek pedig komplex diagnosztikai módszerek segítségével pontos képet adnak az akkumulátor minden egyes cellájának állapotáról.

A BMS fejlesztők között van egy magyar fiatalokból álló kisvállalat, az Xtalin Kft, melynek tagjai 2010 óta meglehetősen nagy tudást halmoztak fel a témában. Jelenlegi megbízójukkal, az Enterprise Kft-vel közösen járművekbe építhető moduláris akkumulátor rendszer kifejlesztését végzik. A jelen projektben létrejövő termékek tesztelésének egy meglehetősen figyelemfelkeltő módját választották azzal, hogy egy Mazda MX-5 típusú roadstert alakítanak át elektromossá. Az átépítésről egy blogot is indítottak, ahol megosztják a nagyközönséggel, mivel jár egy ilyen autóvillamosítási projekt. Az elmúlt héten velük is volt lehetőségem beszélgetni, többek között az akkuelektronikákról.

Az első és talán legfontosabb mérendő jellemző egy akkumulátornál a töltöttsége. Hogy erről pontos képet kapjon a felhasználó, ismerni kellene az akkumulátorban zajló kémiai folyamatok aktuális állapotát, de mivel nem látunk bele a cellába, ezért erre csak áttételesen tudunk következtetni. A legkézenfekvőbb módszer a kapocsfeszültség mérése, de a lítiumakkumulátor kisülési görbéje sok esetben 80 és 20 % között teljesen lapos. Ez azt jelenti, hogy csak nagyon pontos méréssel lehet következtetéseket levonni a töltöttségre vonatkozóan és ezt is csak akkor, ha a cellák nyugalmi állapotban vannak, vagyis a belsejükben lejátszódó kémiai folyamatok megálltak. Ilyen állapotba egy akkumulátor csak néhány órás várakozás után kerül, ami lássuk be, nem életszerű. A felhasználó működés közben szeretné tudni az akkumulátora töltöttségi szintjének pillanatnyi állapotát.

Az akkumulátor kapocsfeszültségének alakulása a kivett energia függvényében. Forrás: batteryuniversity.com

A kapocsfeszültség és a töltöttség kapcsolatát nagymértékben befolyásolja a hőmérséklet és a pillanatnyi terhelés is. A hőmérséklet változtatásával változhat a cella belső ellenállása, ami hatással van a terhelés miatti kapocsfeszültség esésére. Ha azonban ismerjük az adott cella paramétereit, akkor számítással és méréssel készíthetünk egy olyan több dimenziós táblázatot, aminek segítségével a külső tényezők hatását korrigálni tudjuk. Folyamatos terhelés- és töltésmonitorozással a felügyeleti elektronika képes meghatározni az adott cella vagy akkupakk kapacitását is, amit összevet újkori kapacitásával és kiszámítja az akkumulátor állapotát, vagyis hogy életciklusa mely részén jár.

Akkumulátorcsomagról akkor beszélünk, amikor több cellát kapcsolunk össze olyan módon, hogy a felhasználó számára ideális kapacitás mellet, mind az áram, mind pedig a feszültségértékek a rendszerbe illeszkedjenek. Bizonyos esetekben lehet moduláris felépítésű az akkupakk, ilyenkor az egyes modulok önálló BMS-sel rendelkezhetnek és kommunikálnak is egymással. A legkisebb egységekben minden feszültségszint mérésére van lehetőség, működés közben is.

A BMS funkcionális felépítése. Forrás: avnet.com

Az akkupakk működése során gyakran előfordul, hogy a gyártási szórásból, vagy a cellák pakkon belüli elhelyezkedéséből fakadóan máshogy öregszenek, ezért az energiatároló képességük kis mértékben eltérhet egymástól. Ilyenkor az történik, hogy egyes cellák hamarabb elérik a töltési végfeszültséget és az elektronika kénytelen leállítani a folyamatot azelőtt, hogy a csomag minden cellája teljesen feltöltődne. Egy jól megtervezett BMS ilyen esetekben képes a kiegyenlíteni az elemek töltöttségét. Ezt teheti passzív módon, amikor csak hozzámeríti a töltöttebb cellát a többihez és aktív módon, amikor az energia konkrétan átkerül a töltöttebb cellából a kevésbé feltöltöttekbe, csökkentve ezzel a kiegyenlítési veszteséget. Természetesen ez a folyamat lejátszódhat fordítva is, amikor a cellák merítését végezzük, de jellemzően még a modern BMS-ekben is csak a töltés közben történik meg a cellák kiegyenlítése.

Bizonyos BMS-ekbe gépi tanuló mechanizmust is beépítenek, ami megfigyeli, hogy általában melyik cellát kell többször kiegyenlíteni és már a korlát elérése előtt megkezdi a folyamatot. A BMS ezeket a mért értékeket képes eltárolni és visszakövethetővé tenni, hogy hiba esetén a számítógépes diagnosztika segítségével a javítást végző szakember azonnal a hibás cellára tudjon fókuszálni. További feladata a BMS rendszereknek, hogy bármilyen hiba esetén képesek legyenek megakadályozni a veszélyes helyzetek (pl. áramütés vagy tűz) kialakulását. Az ilyen rendszereket hibatűrő rendszernek nevezik, mert a hiba ellenére képes beavatkozni és működésbe hozni a biztonsági berendezéseket. Természetesen az utólagos hibafeltárás esetén az elektronikának információt kell szolgáltatnia a hiba típusáról és lehetséges forrásairól is.

Az akkumulátor felügyeletnek nagy szerepe van abban, hogy a modern elektromos autók akkumulátora a lehető legtovább megőrizze jó kondícióját és közben állandó hatótávolságot biztosítson a jármű számára. Amellett, hogy az elektromos járművek nem pontosan ugyanazt az akkumulátor felépítést használják, mint a kis méretű hordozható eszközök, a BMS-ük is egészen más követelmények alapján van megtervezve. Amíg egy mobiltelefon várható maximális élettartama 5 év, egy személygépjárműé 10-15 év és sok százezer kilométer is lehet, ezért az egyiket a lehető legnagyobb kapacitásra, a másikat a hosszú élettartamra optimalizálják.

A batteriuniversity.com és más források szerint a hosszú élettartam egyik kulcsa, hogy a jármű nem használja ki az akkumulátor teljes kapacitását. Tehát ha a töltöttség visszajelző 100%-ot mutat, akkor valójában az akkumulátor még csak 80-90 %-ig van feltöltve és amikor teljesen lemerült állapotot mutat, akkor is van benne még 10-30 %. Ezek az értékek gyártónként és típusonként eltérnek, vannak gyártók, akik több, vannak akik kevesebb biztonsági tartalékot hagynak.

Az akkumulátor kihasználtsága életciklusa során. Forrás batteryuniversity.com

A fenti értékek az akkumulátorok újkori állapotára vonatkoznak de az állapot romlásával nem kell feltétlenül csökkennie a hatótávnak (az akkumulátorból kivehető energiának). Ha elég „okos” az elektronika, akkor a biztonsági tartalék mértékét veszi vissza, mielőtt a megtehető út drasztikusan csökkenne és a felhasználó bármit is észrevenne ebből az egész mechanizmusból.

A BMS-nek, ahogy már említettük, biztonsági szerepe is van. Sérülés vagy akkumulátorhiba esetén azonnal lekapcsolja a pakkot a többi rendszerről, valamint elektromosan elszeparálja a sérült cellákat a többitől.

Amikor használjuk a járművet, az elektromos rendszer különböző terhelésnek van kitéve. Ahogyan az akkumulátor kapocsfeszültsége, a leadott maximális teljesítménye is több paraméter függvénye. Szélsőségesen alacsony, vagy magas hőmérsékleten csökken az az áramerősség, amely biztonságosan kivehető a cellákból, ezért a BMS folyamatosan méri (akár több ponton is) az akkumulátor hőmérsékletét és nem engedi jobban megterhelni a csomagot, mint amennyi a gyári előírások szerint megengedett. Sok esetben nem csak passzívan méri, hanem szabályozza is a hőmérsékletet. A nagyobb teljesítményű villanyautókban egy folyadékáramoltatású hűtőkör kapcsolódik az akkumulátorhoz és a folyadék hűtésével vagy fűtésével beállítható a megfelelő hőmérséklet.

Smart ForTwo BMS egyik nyomtatott áramköre. Forrás: Varsányi Péter (Smart ForTwo 2012 BMS)

A lítiumakkumulátorok összetételéből következik, hogy amikor hirtelen nagy áramot veszünk ki belőlük, akkor a kémiai folyamatok nem tudják olyan gyorsan követni a merítést, ezért a feszültségük rövid időre lecsökken. Hogy ennek elejét vegyék a gyártók, a BMS figyeli, mekkora árammal mennyi ideig terheli a jármű az energiatárolót és ha a megengedett határértéket túllépi, csökkenti a teljesítményt (vagy jelet küld a motorvezérlőnek, hogy csökkentse a motor nyomatékát). Ezt a jelenséget megfigyelhetjük, ha egy Tesla Model S-sel egymás után megmérjük többször a 0-100-at. Az utolsó mért idő hosszabb lesz, mint az első egyszerűen azért, mert az elektronika védi az akkumulátort.

Szerencsére az elektromos járművekhez úgy választ a gyártó akkumulátorcellát, hogy az átlagos, vagy az átlagosnál kicsit nehezebb lábú sofőrök se érezzék a teljesítménycsökkenést. A forgalomban ritkán van szükség a motor teljes nyomatékára és olyankor is csak néhány másodpercre. A motor egy villanyautóban nem csak hajt, hanem ha kell, a mozgási energiát visszaalakítja elektromos árammá. Ha az akkumulátor élettartama szempontjából káros a visszatöltés mértéke, mert mondjuk, már 100%-ra töltődött vagy túl magas a belső hőmérséklete, akkor a BMS jelet küld a motorvezérlőnek, hogy csökkentse a motorfék (vagyis a visszatöltés) erejét és nagyobb mértékben használja az üzemi féket. Ez az eset egy hosszan tartó lejtmenet esetén fordulhat elő csak, de a BMS-t fel kell készíteni ilyen eshetőségekre is. Ez természetesen csak egy elméleti megközelítés, a gyakorlatban a gyártók többféle megoldást alkalmaznak.

A BMS tehát nem egyszerűen egy kapcsoló, amely leállítja a töltést, nem csak egy egyszerű védelmi mechanizmus, amely érzékeli, ha túl magas az akksi hőmérséklete, hanem egy intelligens, bonyolult, tanulásra képes számítógépes rendszer, amibe a fejlesztők igyekeztek beprogramozni mindazt a tudást, amit az akkumulátorok szakszerű használatáról mérésekkel és tesztekkel megállapítottak. Ezek után, ha lítiumakkumulátorokra gondolunk, jusson eszünkbe az is, hogy BMS nélkül csak egy félkarú óriás.

A cikksorozat következő részében az akkumulátorfejlesztés jövőbeni lehetséges irányait vizsgáljuk meg. Megnézzük, hogy a különböző autógyártók melyik technológiában látnak potenciált és mikorra várható a következő akkumulátor forradalom.