Entwicklung eines Batteriemanagementsystems

Nachdem University Racing Eindhoven (URE) zwei Jahre lang für das Batteriemanagementsystem, die Sammelschienen und einen erheblichen Teil der Verkabelung handelsüblich erhältliche Produkte verwendet hat, beschlossen die Teammitglieder, ein eigenes System zu entwickeln. Hierbei mussten sie genauso viel Zeit für Konzeption und Konstruktion der Batterie aufwenden wie für die anschließende Fehlerbeseitigung.

After two years of using an off-the-shelf battery management system, bus bars and considerable wiring the team University Racing Eindhoven (URE) decided to develop their own electronics from scratch. They were spending as much time designing and constructing the battery as troubleshooting it.

Hauptkomponenten

Ein Batteriesystem für den automobilen Gebrauch besteht typischerweise aus vier Hauptkomponenten: Energiespeicher (Batteriezellen), Leistungselektronik, Batteriemanagementsystem (BMS) und Gehäuse. Die Anforderungen an diese Komponenten fußen zum einen auf den offiziellen Regeln der FSE und zum anderen auf teameigenen Performanceansprüchen. Ziel des Teams war eine Batterie, welche zuverlässig, skalierbar sowie in Herstellung und Service einfach zu handhaben ist. Die Entwicklung wurde bei der niederländischen Firma Prodrive durchgeführt. Das Resultat ist ein zum Stand der Technik gehörendes Batteriesystem.

Ein kritischer Punkt ist die Auswahl der Elektrochemie. Aufgrund sehr guter volumetrischer und gravimetrischer Energie- und Leistungsdichten erweist sich dabei Lithium als sinnvolle Wahl. Über die Jahre hinweg nutze das Team bereits verschiedene Elektrodenmaterialien: Li-Po (LCO), LiFePO4 (LFP) und NCM.

Der Leistungsteil beinhaltet Relais, Stromsensoren, Sicherungen sowie Verbindungsschienen und Verkabelung. Wegen der hohen Ströme und Spannungen sind diese Komponenten oft sperrig und unhandlich, sodass zur Verbindung der Batteriezellen an die Anschlussklemmen oft DC-Sammelschienen zum Einsatz kommen. Mit einem eigenen Konzept des HV-Boards konnte das Team viele daraus resultierende Probleme umgehen und erreichte zugleich eine höhere Ausfallsicherheit. Zusätzlich werden auch einzelne Zellverbindungen durch den Gebrauch von PCB-Material realisiert.

Das BMS ist für eine optimale Ausnutzung der in der Batterie verfügbaren Energie verantwortlich und schützt die Zellen vor elektrischen Schäden, woraus sich die Bedeutung eines BMS auf dem Stand der Technik ergibt. Für einen sicheren Betrieb unter Rennbedingungen sorgt das Batteriegehäuse.

Main components

An automotive battery system typically consists of four main components: energy storage (cells), power electronics, battery management system (BMS) and enclosure. Requirements for these components come from the official FSE rules and own team/performance goals. The team’s proposal was a reliable, simple, scalable and easy to service and manufacture battery. This development was carried out at the Dutch company Prodrive. The result is a state-of-the-art battery system.

Battery chemistry selection is critical. A chemistry based on Lithium cathode is the natural choice due to its exceptional volumetric and gravimetric energy and power densities. Across the years the team has used three different chemistries: Li-Po (LCO), LiFePO4 (LFP) and NCM.

The power electronics consists of power relays, resistors, current sensor, fuse, interconnects and wiring. Due to the high-voltage and current, these components are usually bulky and cumbersome to interconnect being bus bars the widely preferred method. By introducing an own HV board concept the team overcame several interconnection challenges and benefited of increased reliability. In addition cell interconnects are also made using PCB material.

The BMS is responsible to ensure that the energy available inside a battery pack is optimally used and that any damage to the battery cells is prevented; therefore the importance of a state-of-the-art BMS. Finally the enclosure guarantees that all components are kept in place during operation.

BMS-Architektur

Das URE-BMS folgt einem verteilten Konzept, das heißt sogenannte Satellitenboards sammeln Informationen und leiten diese an eine Mastereinheit über digitale Schnittstellen weiter. ➊ zeigt das zugehörige Blockdiagramm. Die Satellitenboards werden aus den jeweiligen Batteriemodulen gespeist, sodass sie zum HV-Teil der Batterie gehören. Auf jedem Satellitenboard sind drei Analog-Front-End-(AFE-)Chips integriert. Jedes AFE ist in der Lage bis zu sechs Li-Ionen-Zellen zu überwachen. Das Massepotenzial jedes AFE bezieht sich auf das geringste Potenzial der jeweils überwachten Zellen.

Jedes Batteriemodul beinhaltet 17 in Serie geschaltete Zellen und wird durch die gegebene Maximalspannung und -energie bestimmt. Sechs Module in Serie ergeben einen Batteriesatz. Die AFEs messen jede einzelne Zellspannung sowie die Temperatur jeder dritten Zelle. Durch einen vertikal angeordneten Bus sind die AFEs miteinander verbunden. Zur seriellen Kommunikation kommt SPI zum Einsatz. Eine Besonderheit liegt dabei in der Verwendung von Strompulsen anstelle von Spannungspulsen. Erstgenanntes erübrigt die Notwendigkeit eines gemeinsamen Massepotenzials zweier AFEs. Zusätzlich sorgt die strombasierte Kommunikation für eine geringere Anfälligkeit gegenüber EMV.

Das URE-BMS nutzt State-of-Charge (SOC) basiertes, passives Balancing. Jeder AFE beinhaltet bereits die benötigte Elektronik zur Ansteuerung der Entladewiderstände. Die Steuerung des Balancing übernimmt ein selbstentwickelter Algorithmus. Da Laborversuche nur geringe Selbstentladeraten zeigen, werden die Vorteile durch Anwendung eines aktiven Balancing als gering eingeschätzt.

Das HV-Board-Konzept wurde eingeführt, um den Gebrauch von Sammelschienen und aufwendiger Verkabelung zu vermeiden. Daneben erhöht das Konzept die Verfügbarkeit und Energieeffizienz des Systems. In den vergangenen Jahren wurde viel Aufwand für Konstruktion und Bestückung von Kabeln und Schienen betrieben. Außerdem war der Austausch einzelner Komponenten umständlich und daher zeitaufwendig. In dem neuen System dagegen kann beispielsweise ein Relais oder eine Sicherung in weniger als fünf Minuten ausgetauscht werden. ➋ zeigt das HV-Board.

Ein BMS ist stark verknüpft mit der Sicherheit einer Batterie. Dazu beinhaltet die Implementierung zwei Schutzebenen. Die erste Ebene ist in Software realisiert und läuft auf einem Digital Signal Controller (DSC). Liegt eine Zellspannung, Temperatur oder der Batteriestrom außerhalb eines spezifizierten Bereichs, wird der entsprechende Batteriesatz abgeschaltet. Die zweite Schutzebene ist hardwarebasiert und in jedem AFE einzeln implementiert. Im Falle einer Überspannung oder Übertemperatur hat das entsprechende AFE die Fähigkeit, den kompletten Batteriesatz über ein separat geführtes Fehlersignal abzuschalten. Diese sekundäre Schutzebene übernimmt den Batterieschutz, falls der DSC offline ist.

BMS architecture

The BMS of URE follows a distributed concept; i.e. so-called satellite boards are meant to collect measured information and transfer it to a master controller via a digital communications interface. A block diagram is presented in ➊. The satellite boards are powered from the battery modules to which they are attached, therefore they belong to the HV section. Each satellite board integrates three Analog Front End (AFE) chips and every AFE is able to monitor up to six Li-Ion cells. The ground level of each AFE is referenced to the lowest potential in the monitored cells; i.e. the highest potential of a given AFE becomes the ground level of the next AFE.

➊

Architektur des BMS

Architecture of the BMS

Each battery module consists of 17 cells arranged in series; a requirement constraints the maximum voltage and energy per battery module. Six modules in series make a complete battery pack. The AFE measures every cell voltage as well as one out of three temperatures. The AFEs are interconnected via a vertical bus. The communication protocol is SPI with the particularity that current pulses are used instead of voltage pulses. The latter prevents the need of a common ground level between two AFEs. In addition current based communication incorporates a stronger immunity to EMI.

Balancing is an essential BMS feature, the team’s device makes use of passive balancing based on State of Charge (SOC). Each AFE integrates the electronics required to control bleed resistors; the balancing control is performed using a proprietary algorithm. Active balancing is not considered for the application because there is only little benefit from its implementation. Lab testing shows that very little capacity and self-discharge drift is seen in the used cells.

The HV board concept was introduced to avoid the use of bus bars and extensive wiring as well as to increase reliability and efficiency. In previous years considerable effort was put in making wire assemblies, designing bus bars and interconnecting all elements. In addition, component replacement was time consuming. In the new system, a relay or fuse can be replaced in less than five minutes. The HV board is shown in ➋.

➋

HV-Board

HV board

A BMS is strongly linked to the safety of the battery. The team’s implementation integrates a double layered protection system. The first layer runs on SW and is implemented in the Digital Signal Controller (DSC). When a cell-voltage, temperature or battery-current is out of the specified safe range the battery pack is shut down. The second layer runs on HW and is implemented in each AFE. When a cell-voltage or temperature lays out of range the concerned AFE has the ability to shut down the complete battery pack via a dedicated fault line. The secondary protection is meant to work in the case the DSC is offline.

Beschreibung der Hardware

Die gesamte Hardware ist eine gänzliche Neuentwicklung. Die Vision des BMS basierte dabei auf Verlässlichkeit, Skalierbarkeit, Einfachheit und Sicherheit. Oft werden Fehler beim Verbauen eines Batteriesatzes gemacht, welche zu Fehlverbindungen führen können. Um dies zu vermeiden, wurde ein sogenanntes Verbindungs-PCB entwickelt. Dieses PCB übernimmt die Reihenschaltung der Module und enthält die Messpunkte zur Spannungs- und Temperaturüberwachung. Die Reihenschaltung erfolgt durch Verpressen der jeweiligen Zellflachstecker. Ein geringer Übergangswiderstand wird durch Vermeidung eines Verbindungselements erreicht. ➌ zeigt das Resultat mit geschichteten Zellen (links), die über das Verbindungs-PCB (grün) miteinander verbunden sind.

Das schwarze PCB in ➂ ist ein sogenanntes Satellitenboard. Dieses Board wird auf der Vorderseite des Verbindungs-PCB befestigt. Dadurch kommt die Verbindung der Spannungs- und Temperaturmesssignale zum AFE ohne eine einzige diskrete Kabelverbindung aus. Zusätzlich bietet das Satellitenboard Schutz gegen ungewolltes Berühren. Die komplette Elektronik befindet sich auf der Rückseite des Boards. Wegen der räumlichen Nähe der Komponenten zum Hochspannungsteil der Batterie werden erhöhte Anforderungen an die Störfestigkeit der verwendeten Elektronik gestellt. Dennoch beträgt die erreichte Messgenauigkeit 3 mV, was selbst für LFP-Batterien mit ihren flachen Spannungs-SOC-Kurven gut ist.

Die drei Steckverbinder auf der Vorderseite sind benannt mit Süd, Nord und Host. Bei einer vertikalen Anordnung der Module wird der Nord-Stecker mit dem Süd-Stecker des jeweils darüber liegenden Moduls verbunden. Der Host-Stecker wird nur im jeweils untersten Modul verwendet. Um die Störfestigkeit zu verbessern, wird das Massepotenzial in den Flachbandkabeln mitgeführt. Messungen ergaben, dass weniger als 1 % der Datenpakete fehlerhaft empfangen werden.

Die HV-Verbindung wird durch spezielle Hochleistungsstecker realisiert, die eine niederohmige Verbindung sowie eine einfache Handhabung bieten. Alle Verbindungskabel haben die gleiche Länge und die Stecker sind derart angeordnet, dass Fehlverbindungen durch inkorrekten Umgang ausgeschlossen sind.

Hardware description

All the hardware used was developed from scratch. The vision of the BMS is based on reliability, scalability, simplicity and safety. It is common to make mistakes or unintentional short circuits when assembling a battery pack. To improve the latter a so-called Interconnection PCB was designed. This PCB is used to make all series connections, to provide a Kelvin contact measurement points for voltage monitoring and to host all temperature sensors. Series connection is made by clamping the corresponding cell tabs; low resistance is achieved by a tab-to-tab connection without any intermediate element. One of the tabs makes contact to a Cu pad located on the PCB through which a current-less voltage measurement is possible. The cell stack-up result is shown in the left side of ➌, interconnection PCB is shown in green colour.

➌

Modulares Batteriekonzept

Modular battery concept

The satellite board is the black PCB shown in ➂; this board is meant to be mounted on top of the interconnection PCB. All voltage and temperature signals are made available to the AFE without using a single discrete wire. By covering the whole surface of the interconnection PCB, the satellite board also prevents accidental access to cell interconnects. All electronics are populated on the bottom side and on the top side three connectors are present. High switching currents are typical and the closeness of the electronics to the generated fields brings a high challenge with respect to EMI immunity; measures are taken with this respect. The achieved voltage measurement accuracy is 3 mV, which is good even for LFP chemistry with a very flat Voltage versus SOC behaviour.

The connectors on the top are named south, north and host. To make a vertical stack-up, the north of the bottom satellite board is connected to the south of the following one. The host is only used in the most bottom battery module. Fine pitch flat cable is used for the interconnections. Ground lines are interleaved to increase immunity to EMI. All measures taken with respect to EMI provided good results as less than 1 % of the data packages received arrived with errors.

HV interconnection is made using a special high power plug; it offers low resistance contact and straightforward (dis)connection. The interconnecting wires are all of the same length and the plugs are arranged to prevent wrong connections preventing any assembly mistake.

HV-Board

Das HV-Board teilt sich in einen SELV- und einen HV-Teil mit Isolationsbarriere. Ein DSC ist auf der SELV-Seite untergebracht. Der DSC hält genug Rechenleistung vor, um alle Messinformationen zu sammeln sowie SOC- und Regelalgorithmen auszuführen. Außerdem beinhaltet das BMS zwei CAN-Busse, um mit externen Komponenten zu kommunizieren. Einer der CAN-Busse dient zur Kommunikation mit der Motorsteuerung, der andere dient als Schnittstelle zu einem Ladegerät. Zusätzlich steht eine Bluetooth-Schnittstelle zur Verfügung, um per Fernübertragung Zugang zu den gesammelten Daten des BMS zu haben. Darüber hinaus bietet ein 2-GB-Flashspeicher die Möglichkeit zum Datenlogging, wodurch Informationen auch offline abgerufen werden können.

Das HV-Board ist ausgelegt für einen Spitzenstrom von 300 A und einem Nominalstrom von 200 A. Um HV-Kabel sowie Sicherungen und Stromsensoren zu verbinden, kommen Pressverbinder zum Einsatz. Der PCB besteht aus vier 105 μm Layern. Die benötigten Stärken wurden mit IPC-Formeln berechnet. Die Starkstromleiterbahnen verfügen über mehrere Durchkontaktierungen sowohl zur Wärmeableitung als auch zur Reduzierung der Induktivität zwischen den Layern. Letztgenanntes ist von Bedeutung, da kommutierende Ströme über den jeweils niederinduktivsten Pfad fließen, was zu ungleicher Belastung der vier Layer führen kann. Der eingesetzte Stromsensor basiert auf dem Shunt-Prinzip. Zusätzlich kann der Sensor drei HV-Potenziale messen. Diese Fähigkeit wird genutzt, um verschweißte Relais oder ausgelöste Schmelzsicherungen zu detektieren.

Eine wichtige Anforderung der FSE ist der Gebrauch eines Isolationsüberwachungsgeräts (IMD). Diese Komponente wird als separate Baugruppe geliefert und erfordert Verbindungen zu verschiedenen Teilen des Systems. Auf dem HV-Board ist das IMD linksseitig angebracht (in ➁ nicht dargestellt) und mit diesem über kurze Kabelleitungen verbunden.

HV board

The HV board is divided in a SELV and a HV part; therefore all isolations are integrated in this board. The DSC is located in the SELV side and incorporates enough computing power to collect all measured information and execute all SOC and control algorithms. The BMS incorporatestwo CAN buses to interface the external world. One bus is interfaced to the motor controller and other devices of the car. The other CAN bus is used to communicate with a charger. In addition a Bluetooth connection is made available to remotely and wirelessly access all the collected data. A 2-GB flash memory is provided for logging purposes, this way data can be analysed offline.

The HV board is designed to conduct a peak current of 300 A and a nominal current of 200 A. Press fit connectors are used to interface HV wires as well as to host the fuse and current sensor. The PCB incorporates four layers of 105 um; calculation of the required width is done using IPC formulas (extrapolated form). The high current paths integrate a large number of vias to dissipate heat generated by internal layers as well as to reduce the inductance build up between the layers. The latter is essential as switching currents tend to take the least inductive path, causing imbalance between all four layers if no measures are taken. The implemented current sensor is based on a shunt principle; in addition, this sensor is able to measure three HV potentials and this functionality is used to detect abnormal relay and fuse behavior, giving an indication to the BMS in case a relay is shut welded or a fuse is blown.

An important FSE requirement is the use of an Insulation Monitoring Device (IMD). This device comes as a separate sub-assembly and requires to be interconnected to different parts of the system. On the HV board the IMD is hosted on the left side (not populated in ➁) and interfaced to the HV board using short length wires.

Beschreibung der Software

Die Softwareentwicklung teilt sich in die DSC Firmware (FW) und eine grafische Benutzerschnittstelle (GUI) auf. Die FW ist in der Standardprogrammiersprache C++ realisiert. Dabei basiert die FW auf einer durch Timer generierten Hintergrundschleife, welche alle Interrupts mit vordefinierter Priorisierung abarbeitet. Zusätzlich führt jeder Zyklus eine bestimmte Aufgabe aus (zum Beispiel die Kommunikation mit dem Satellitenboard, die Handhabung des CAN-Busses, SOC-Abschätzung, Fehlerdetektion etc.). Die Interrupts werden mit einer Wiederholrate von 1 kHz aufgerufen, was im Vergleich zur verfügbaren Rechenleistung relativ langsam ist. Um alle Daten innerhalb des Systems zu erfassen, werden zehn Interruptzyklen benötigt, woraus sich eine Abtastrate von 100 Hz ergibt.

Die Regelschleife des Motorantriebs benötigt jede Sekunde die Informationen über Strom und Spannung der Batterie, das heißt das BMS tastet einhundertmal schneller ab als erforderlich. Dieser Überhang erlaubt die Anwendung digitaler Filtertechniken. Als Sicherheitselement ist ein Watchdog-Timer implementiert. Durch ausgiebige Tests wird sichergestellt, dass keine Softwareblockaden auftreten. Zur Verknüpfung verschiedener Komponenten wurden eigene Bibliotheken entwickelt, beispielsweise als Schnittstelle zu den AFEs oder den Stromsensoren.

Das GUI wurde in Matlab entwickelt und bietet eine Übersicht des BMS im Betrieb. Daten können über UART oder Bluetooth ausgelesen werden. Das GUI zeigt alle relevanten Informationen an: Zellspannungen, Temperaturen, Modulspannungen und -ströme etc. Ferner ist es möglich, BMS-Parameter wie Spannungs-, Temperatur- oder Stromgrenzwerte einzustellen. Das GUI erlaubt außerdem jedem Teammitglied, die Batterie sicher zu bedienen.

Software description

Software development is split in DSC Firmware (FW) and Graphical User Interface (GUI). FW development is done in C++ using standard programming techniques. The DSC FW is based on a timer generated background loop which services all interrupts with pre-set prioritisation. In addition each cycle is devoted for a specific task. For instance communicating with the satellite boards, handling the CAN bus, estimating SOC, error monitoring, etc. The interrupts are generated at a rate of 1 kHz which is relatively slow considering the available computing power. It takes ten interrupt cycles to update all data inside the system therefore sampling frequency is set to 100 Hz.

The control loop of the motor drive requires updated battery information (voltage and current) every second; i.e. the system samples 100 times faster than required yet achieving acceptable accuracy in the AFEs (3 mV). This overhead allows to implement digital filtering techniques. A watchdog timer is implemented as a safety function. By thorough testing it is made sure that no dead lock situations are possible. Libraries are developed to interface different devices, for instance a special library is programmed for interfacing the AFEs and another one for the current sensor.

The GUI was designed in Matlab to get an overview of the BMS during execution time. The data can be received via UART or Bluetooth. The GUI displays all relevant information: cell voltages, temperatures, pack voltage and current, etc. In addition, it is possible to configure BMS parameters including voltage, temperature and current limits. The GUI allows every team member to safely interface the battery.

SOC-Algorithmus

Der System-on-Chip-(SOC-)Algorithmus ist das Resultat einer einjährigen Masterarbeit bei Prodrive. Ziel ist es, eine SOC-Abschätzung mit 1 % Genauigkeit zu erreichen. Der Algorithmus besteht aus einer Kombination zweier Techniken: Integration der Ladungsmenge und Messung der Ladespannung. Um einen geeigneten Algorithmus zu entwerfen, ist der jeweilige Anwendungsfall ausschlaggebend. Wie in jedem BEV wird auch im URE08, ➍, die Batterie für gewöhnlich nach jeder Teil- oder Komplettentladung wieder voll aufgeladen. Dies ermöglicht es, den SOC bei 100 % zu kalibrieren.

Die Integration der Ladungsmenge basiert auf der Integration des Batteriestroms, um die ein- und ausfließende Ladungsmenge abzuschätzen. Dazu muss die maximale, temperaturabhängige Batteriekapazität (Qmax) bekannt sein. Dabei liegt ein besonderer Nachteil darin, dass Offset-Fehler über die Zeit aufintegriert werden. Resultate aus Experimenten bei unterschiedlichen Temperaturen und Lastprofilen zeigen jedoch, dass eine Integration der Ladungsmenge eines einzelnen Ladezyklus den SOC auf bis zu 1 % Genauigkeit bestimmen kann. Im Falle der URE-Batterie wird diese Technik angewendet, sobald Strom durch die Batterie fließt.

Die Messung der Ladespannung basiert auf der charakteristischen Ladespannungskurve. Die Ladespannung wird durch Messung der Batteriespannung unter Gleichgewichtsbedingungen erfasst und ist abhängig vom SOC. Um die Ladespannungskurve zu messen sind verschiedene Ansätze möglich, zum Beispiel indem eine Zelle bei sehr geringen C-Raten (<0,05 C) entladen wird oder die Gleichgewichtsspannungen nach Entnahme definierter Ladungsmengen gemessen werden. Die Ladespannungskurve wird dann durch Interpolation der Messpunkte angenähert. Das URE-Team verwendete die letztgenannte Methode bei vier verschiedenen Temperaturen von -15, 5, 25 und 45 °C. Für jede Temperatur wurde eine eigene Ladespannungskurve gemessen und daraus ein temperaturabhängiges Modell erstellt.

In der URE-Batterie werden beide Verfahren kombiniert. Wird der maximale Ladezustand erreicht, wird der SOC auf 100 % gesetzt. Bei Stromfluss wird die Ladungsintegration aktiv und der neue SOC wird durch Subtraktion des Stromintegrals ermittelt. Wenn das Fahrzeug steht und die Batterie einen Gleichgewichtszustand erreicht, wird eine Kalibrierung der Ladespannung möglich. Schließlich wird der SOC bei vollgeladener Batterie wieder auf 100 % gesetzt. Diese Kombination zeigt eine Genauigkeit der SOC-Abschätzung von unter 0,5 %.

SOC algorithm

The System on Chip (SOC) algorithm is the result of a one year thesis work at Prodrive. Our objective is to achieve an SOC estimation accurate to 1 %. The algorithm consists of a combination of two techniques: Coulomb counting and EMF calibration. Understanding the use-case is very important to design a suitable algorithm. In the case of the URE08, ➍, as in any BEV, the vehicle’s battery is usually fully charged, partly or completely used and fully charged again. This gives the possibility to calibrate at 100 % SOC.

➍

Rennwagen der Saison 2013: URE08

Racing car of season 2013: URE08

Coulomb counting is a simple technique which consists of integrating the current flow to estimate the charge flowing towards or outwards the battery. It requires to know the maximum battery capacity (Qmax) temperature dependent. Its main disadvantage is that any error is integrated over time. Experimentation results at different temperatures and load types show that Coulomb counting can be accurate to 1 % for a single cycle. In the case of the URE battery, this technique is used whenever there is current flowing through the battery.

EMF calibration is a technique based on EMF characterisation as its name indicates. The EMF is obtained by measuring the voltage at equilibrium conditions and is SOC dependent. There are several ways to obtain the EMF curve; for instance discharging the cell at very low C-rates (<0.05 C) or discharging the cell with known steps and letting the cell reaching an equilibrium condition; the EMF curve is obtained by interpolation of the measured points. In our case the second method was used at four different temperatures, -15, 5, 25 and 45 °C. An EMF curve was obtained for each temperature and a temperature dependent model was engineered.

These two techniques are combined in the URE battery. A fully charged condition always resets the SOC estimation to 100 %. When there is current flow the Coulomb counter is activated and the new SOC is obtained by subtracting the current integral; current flowing outwards is positive and inwards is negative. When the car is stop and the battery reaches an equilibrium condition, an EMF calibration is possible. Finally, once the battery is fully charged again the SOC estimation is reset to 100 %. The combined results show an accuracy better than 0.5 %.

Ausblick

Zukünftig wird das Augenmerk des Teams verstärkt auf der Entwicklung von Algorithmen zu SOC, State-of-Function (SOF) und State-of-Health (SOH) liegen. Darin sieht das Team ein erhebliches Potenzial, um seine Hardware mit mehr Intelligenz zu versehen. Weiterhin sollten beide Techniken zur SOC-Abschätzung verbessert werden. Auf Hardwareebene sehen wir die Notwendigkeit, Kleinspannungselektronikkomponenten vom HV-Board zu entkoppeln. Der dicke Kupferlayer verhindert bislang den Gebrauch sehr feiner Rastermaße (Fine-Pitch). Um die derzeit genutzten, breiten Kupferleiterbahnen zu vermeiden, können in den PCB integrierte Sammelschienen hilfreich sein. Der minimale Bauraum leistungstragender Komponenten wird dem jedoch immer eine physikalische Grenze setzen.

Future work

Further development of SOC, State of Function (SOF) and State of Health (SOH) algorithms will be the main focus. The team sees a unique opportunity to complement the HW proposal with more intelligence. In addition, combining both SOC techniques should be further improved. At HW level there is a need to decouple the LV electronics from the HV board. The thick Cu layer prevents the use of fine-pitch electronic components, in addition servicing damaged components would be easier; a piggy-back approach is desirable. PCB technology with integrated bus bars might help to reduce the wide Cu traces currently used; however, power components require a considerable space anyway.