Akuston yhteydessä on oltava valitun akkutekniikan mukainen akuston valvonta- ja balansointijärjestelmä BMS (Battery Management System). BMS voi olla voimakkaasti yhdistetty myös latausjärjestelmään tai BMS voi suorastaan muodostaakin latausjärjestelmän.

BMS:n olosuhde-, häiriö- ja turvavaatimuksia yms. yleisiä vaatimuksia on ohjauselektroniikan vaatimusten kanssa kohdassa Sähköautomuunnoksen ohjauselektroniikan vaatimukset. EMC:n osalta on erityisesti huomattava että hyväksyntöinä vaaditaan sekä "pikku-e" (koska käytetään ajettaessa) että "CE" (koska aktiivinen ladattaessa ja auton ollessa yhteydessä sähköverkkoon). Ladattaessa etenkin RF-häiriöpäästöjen taso on oleellisista.

BMS:n yleisiä vaatimukset

• Mekaaninen rakenne
  • Asennettavissa helposti akkulaatikkoon ja mahdollisesti akkumoduleihin

• Pieni jatkuva virrankulutus, jotta ei syö seisonta-aikana akkuja tyhjäksi ja tuhoa niitä. Omistaja
• Luotettavuus, koska BMS:n viat voivat tuhota akuston. Hyvin tärkeä. Omistaja
• BMS-järjestelmän tulisi kestää akuston kennoketjun katkeaminen mistä välistä tahansa rikkoutumatta.

BMS:n rakennevaihtoehtoja

Yleisperiaate: akusto on sarjaankytkentänsä takia yleensä yhtä heikko (tai lähes yhtä heikko) kuin heikoin kenno.

BMS:n liittyminen lataukseen:

• BMS toimii yhdessä laturin kanssa, BMS ohjaa laturia
• balansointi muodostuu erillisistä latureista

BMS:n toiminta ladattaessa / purettaessa:

• Vaihtoehto 1) balansointi toimii vain ladattaessa
• Vaihtoehto 2) balansointi toimii ladattaessa ja purettaessa

Balansointiperiaatteita

• Balansointi latausaikana
  • Erillisten kennojen lataus (parhaiden kennojen lataaminen enemmän). Hyötyä lähinnä vain jos parhaita kennoja voidaan purkuvaiheessa kuormittaa erikseen.
  • Erillisten kennojen purku (heikkojen kennojen ylijännitteelle menemisen estäminen)
    • Passiivinen (purku vastukseen)
    • Aktiivinen (purku pääjännitteeseen, 2-suuntainen DC-DC-muunnin)
    • Aktiivinen (purku viereiseen kennoon)
• Balansointi purkuaikana
  • Erillisten kennojen lataus (heikkojen kennojen tukeminen)
  • Erillisten kennojen purku (parhaiden kennojen purkaminen enemmän)
    • Aktiivinen (purku pääjännitteeseen, 2-suuntainen DC-DC-muunnin)
    • Aktiivinen (purku viereiseen kennoon)

Balansoinnin toiminta lataus tai purkuaikana tai molempia valitaan usein lataus- ja purkuvirtojen ja lataus- ja purkuaikojen suhteiden mukaan. Balansointi vaatii kohtuullisen pitkän ajan, koska ison akuston tehokans balansointirakenne on kallis toteuttaa.

Balansointirakenteita

Balansointirakenne 1) Tehon hukkaus lämmöksi kennon vierellä olevaan vastukseen

Täyteen tulleen kennon latausvirta hukataan lämmöksi kennon rinnalle kytketyllä vastuksella.

Balansointirakenne 2) Energiansiirto kennoista toiseen

• Energian siirto viereiseen kennoon
  • Kapasitiivinen siirto viereiseen kennoon
  • Induktiivinen siirto viereiseen kennoon
• Hakkurivirtalähteellä energian siirto pääjännitteeseen (2-suuntainen DC-DC-muunnin)
• Hakkurivirtalähteellä energian siirto apujännitteeseen (2-suuntainen DC-DC-muunnin) ja täältä edelleen toisiin kennoihin / pääjännitteeseen

Balansointirakenne 3) Kennojen järjestely varaustilansa mukaan ladattaviksi / purettaviksi.

• Tarvitaan kytkimiä päävirrassa - iso virta ja iso jännite.

BMS:n kontrollirakenteita

• keskitetty
• muutaman kennon moduleita ja moduleita ohjaava keskusyksikkö
• kennokohtainen hajautettu

Kontrollirakenteisiin liittyen voi olla käytössä erilaisia väylärakenteita tiedonsiirtoon.

• Etenkin korkeajännitteisissä akustoissa väylien pitää olla turvallisesti ja häiriösietoisesti erotettuja

BMS:n toiminnalliset vaatimukset

• Akuston valvonta
  • Lämpötilavalvonta
  • Jännitevalvonta
    • ei minkään kennon ylilatausta
    • ei minkään kennon purkua tyhjäksi
  • Vikatilanteissa ilmoitus:
    • Alijännite
    • Ylijännite
    • Ylilämpö
  • Hätätilanteissa akuston irti kytkentä
    • Toimittava erilaisissa vikatilanteissa turvallisesti (myös BMS:n itsensä vikaannuttava turvalliseen suuntaan)
  • Rajuissa vikatilanteissa hätäkatkaisut:
    • Ylilämmöllä purun ja latauksen katkaisu
    • Alijännitteellä purun katkaisu
    • Ylijännitteellä latauksen katkaisu
• Kennojen balansointi sekä latauksessa että optiona purettaessa akkuja (heikkoja kennoja tuetaan)
  • Erillisten kennojen lataus tai purku tai molempia
  • Balansointiteho - käytännössä vähintään useita prosentteja lataustehosta
  • Hyötysuhde balansoinnissa
• Akuston energiamäärän mittaus
  • Vaihtoehto 1) Kennokohtainen varaustilan valvonta
  • Vaihtoehto 2) Yleinen lataus- ja purkuenergian mittaus
• Tilastointiresursseja. Optio.
  • Kennojen varaustilan (SOC, State of Charge) ja kunnon (SOH, State of Health) laskenta
  • Kennojen historiatiedot
  • Lataus- ja purkuhistoria (voi olla latausjärjestelmänkin puolella)

• BMS:n pitää hallita vikatilanteet
  • Akuston ketjun katketessa BMS ei saa rikkoutua ja tuhota akustoa. Ainakaan koko auton elektroniikkajärjestelmä ei saa rikkoutua.
  • Mikäli vain mahdollista, BMS ei saa rikkoutua niin, että se voisi purkaa ja pilata koko akuston
  • BMS ei saisi rikkoutua akun napojen kytkennän pätkiessä.

BMS:n liitynnät

• Liitynnät akkukennojen napoihin ja ajojännitteeseen
• Lataus- ja purkuvirran mittaus
• Lämpötila-anturit
• Kontaktoriohjaukset
• Liityntä sähköajoneuvon muuhun ohjausjärjestelmään: liityntä latausjärjestelmään ja jotakin kautta käyttöliittymään
• Huoltoportti (USB, RS-232, RS-485, CAN,…)
  • PC-liityntä voidaan toteuttaa myös eECUn kautta

BMS:n termiset vaatimukset

• Jäähdytys
  • Jos on balansoinnissa hyvien kennojen tehoa hukkaava toimintaperiaate, syntyvä lämpöenergia on johdettava pois.
  • Tehokasta mutta huonolla hyötysuhteella toimaa BMS-järjestelmää on jäähdytettävä

BMS:n rakenteesta ja Litium-akkujen valvonnasta

• Erityisvaatimuksia Litium-akuilla (BMS): taustatietoa http://www.mpoweruk.com/chargers.htm, http://www.batteryuniversity.com/partone-12.htm, http://en.wikipedia.org/wiki/Battery_Management_System