Ich möchte hier gerne mein selbst entwickeltes BMS vorstellen.
Beginnen möchte ich mit der Beantwortung einiger grundsätzlicher Fragen:
Warum habe ich mein eigenes BMS entwickelt?
Ich entwickle seit ~ 25 Jahren (auch beruflich) Elektronik.
Als ich vor ~ 3 Jahren meine ersten 16 280 Ah Zellen bekommen habe, konnte ich mich aus den verschiedensten Gründen mit den am Markt verfügbaren BMS-Optionen nicht anfreunden.
Da ich beruflich auch schon Kontakt zu BMS-Technik und 48 V Batterien hatte, war das Thema BMS und dessen interner Aufbau nichts wirkliches Neues für mich und ich habe losgelegt.
Dass mein BMS sich in einigen Eigenschaften vom Marktüblichen unterscheidet, wird hoffentlich weiter unten deutlich.
Warum könnte mein BMS für euch interessant sein?
Weil ihr auch bei Strömen << 1A gerne eine vernünftige Auflösung hättet.
Weil ihr eine vernünftige SOC-Schätzung haben möchtet, die euch z.B. auch nach 1 Woche ohne Rekalibrieren noch eine Schätzung mit +-1% Fehler liefert.
Weil ihr gerne die DC Widerstände eurer Zellen(verbinder) überwachen würdet.
Weil euch mit der Stromstärke varierende Spannunsgabfälle über nicht ideale Übergangswiderstände Ärger machen.
Weil ihr gerne die Selbstentladungsunterschiede eurer Zellen überwachen möchtet.
Weil ihr gerne eine Aggregation mehrere Packs zu einer virtuellen Batterie hättet.
Wenn es Interesse dazu gibt, würde ich gerne in einiger Zeit ein paar Muster verteilen, um ein breiteres praktisches Feedback zu bekommen.
Wie robust ist der Status Quo?
Die aktuelle HW betreibe ich mit nur minimalen Änderungen seit ~ 2 Jahren.
Mit inzwischen 6 Instanzen/Akkupacks habe ich in den letzten 2 Jahren zusammen ~ 8 Betriebsjahre Erfahrung gesammelt.
Nenneswerte Ausfälligkeiten gab es dabei keine.
Es sind aktuell jeweils 3 Packs in zwei getrennten Inselanlagen verbaut und die einzigen ungeplanten Downzeiten hat ein blockierender Rasenmäher mit folgender Überstromabschaltung verursacht.
Die SW ( auf einem ESP32 ) wird kontinuierlich erweitert.
Bei einem sicherheitkritischen Bauteil kann man argumentieren, dass das nicht unproblematisch ist.
Entschärft wird dies dadurch, dass alle "1st-Level-Sicherheitabschaltungen" bei Cell-OV/UV, Cell-OT/UT, OC, SC ... praktisch komplett in HW ( durch ein Analog Front End IC ) umgesetzt sind.
Solange man dieses nicht manuell vorsätzlich falsch konfiguiert, hat ein SW Update für den ESP32 praktich keinen Einfluß auf diese Sicherheitsfunktionen.
Das AFE-IC kann sogar mit einem Watch Dog Timer überwachen, ob der ESP32 regelmäßig kommuniziert, um zumindest zu plausibilisieren, dass 2nd-Level-Überwachungen auf dem ESP32 nicht z.B. durch ein Hängenbleiben des ESP32 außer Funktion gesetzt sind.
Ich könnte grundsätzlich die Konfiguration des AFE nach dem initialen Konfigurieren auch sperren, so das keine Änderungen mehr möglich sind, sehe für mich aber keine Notwendigkeit dafür.
Betonen möchte ich aber, dass mein BMS nicht ( weder was SW noch was HW betrifft ) gemäß eines SIL ( Savety Integrity Level ) entwickelt ist.
Mir ist aber auch kein kommerzielles "Konsumer-BMS" bekannt, bei dem dies der Fall wäre.
Als Trennschalter verwende ich einen MOSFET-Schalter.
Den habe ich empirisch für die Konfiguration der beiden System in denen das BMS im Moment betrieben wird auf Tauglichkeit getestet.
Eine rigorose Charakterisierung und damit eine Bestimmung/Überprüfung, welche maximale Abschaltstromhöhe, bei welcher Systeminduktivität mit welchem MOSFET-Typ und welcher MOSFET-Anzahl möglich ist, steht aber noch aus.
Mit welcher Motivation präsentiere ich es hier und jetzt?
Ich würde mich über konstruktive Kritik ( welche Schwächen werden im Vergleich zu Lösungen von z.B. JK, Seplos, Dali ... gesehen ) freuen.
Daran schließt sich dann die Frage an, ob andere Forumsteilnehmer bei dem hier präsentierten für sich einen Mehrwert gegenüber den im Markt etablierten Systemen sehen bzw. welche Anpassungen oder Ergänzungen dafür notwendig wären?
Da ganz klar ist, dass wenn man nur genug Leute fragt, man zwangsläufig am Ende die Spezifikation zu einer eierlegenden Wollmilchsau erhält, möchte ich aber folgendes voranschieben:
Mein BMS-HW ist in dem Sinne "schlicht/schlank", dass es keine bis jetzt ungenutzten HW-Features, keine Nice-2-Have HW-Funktionen ... gibt. Das ist volle Absicht.
Meine Überzeugung ist, dass Kosteneffizienz bei einem BMS heute eine essentielle Eigenschaft ist. Sicherheit/Robustheit darf davon selbstverständlich nicht beeinträchtig sein.
In Zeiten in denen man 15 kWh LFP für < 1000 € bekommt sind meines Erachtens BMS-Kosten von >> 100 € kaum zu rechtfertigen.
Den einzigen erheblichen Sicherheitsgewinn, den ich mir durch deutlich mehr Budget für die HW vorstellen könnte, wäre eine redundante Auslegung der HW wie in der Avionik. Das habe ich aber bei noch keinem kommerziellen "Konsumer-BMS" gesehen.
Bei der minimalistischen Auslegung meiner HW war das Ziel, ( zumindest in Stückzahlen ) keine dramatischen Mehrkosten zu einem typischen BMS aus China ( z.B. JK ) zu haben.
Ich denke, drei BMS zu je 100 €, mit denen man drei Packs getrennt überwacht, sind viel mehr Wert als ein 300 € BMS, bei dem man große Zellen direkt parallel betreibt, um Kosten zu sparen.
Deswegen wird es, was mich betrifft, immer auch eine solche "schlanke" Variante geben.
Ich habe mich im Moment völlig auf die Unterstützung von LFP Zellen konzentriert, weil für mich sehr unwahrscheinlich ist, dass andere Technologien wie LTO, Na-Ionen, LMFP auf absehbare Zeit in ESS-Anwendungen konkurrenzfähig zu LFP sein werden.
Im Moment wird nur 16s unterstützt. Die HW würde aber sehr wahrscheinlich bereits ab 4s laufen.
Darüberhinaus sehe ich das aber völlig pragmatisch, wenn man mir glaubhaft macht, dass es ausreichend viele Nutzer für eine andere Auslegungen gibt und diese mit überschaubarem Aufwand umsetzbar ist, passe ich mein BMS gerne an.
Sobald der MOSFET-Schalter voll charakterisiert ist, würde ich gerne anbieten, von der aktuellen HW-Revision einige Muster zuverteilen, um auch praktisches Feedback von anderen Nutzern mit anderen Nutzungszenarien und möglicherweise anderen Anforderungen/Erwartungen an das BMS einzusammeln.
Dieses Feedback könnte dann in einer neuen Revision konsolidiert werden, und das BMS wäre dann idealerweise auf einem Level, auf einen größeren Nutzerkreis losgelassen zu werden.
Jetzt zu den Details:
Die HW ist recht unspektakulär:
( Bild der Steuerplatine )
Das AFE-IC ( Analog Front End, BQ76952 von TI ) übernimmt alle Messungen und auch die "1st-Level-Sicherheitabschaltungen" bei Cell-OV/UV, Cell-OT/UT, OC, SC ...
Praktisch alles, was das BMS vom Marktüblichen unterscheidet, ist in SW auf einem ESP32 implementiert, der auch BT, WLAN ( RFU ), CAN und USB Schnittstellen bietet.
Die Schnittstellen sind nicht galvanisch getrennt.
In einem "produktiven" System sollte man ohne externe galvanische Trennung an USB nur einen Laptop anschließen
Die CAN-Schnittstelle ist für den "produktiven" Einsatz gedacht und sollte, weil das BMS im Pluspfad trennt, bei einem vernünftigen Systemaufbau durch die weite Common-Festigkeit von +-42 V ausreichend Robustheit gewährleisten.
Das passive Balancing mit bis zu 180 mA bei insgesamt maximal 4 W Verlustleistung wird auf HW-Ebene auch durch das AFE-IC gesteuert, damit die Zellspannungsmessungen nicht durch Balancingaktivität gestört werden.
Warum "nur" 180 mA bei meinem BMS auch bei 280 Ah Zellen völlig ausreichen, wird hoffentlich weiter unten klar.
Auf der Steuerplatine "M1" ist ansonsten im Grunde nur noch ein Hilfsspannungsnetzteil, dass 5 V bzw. 3.3 V erzeugt.
Das AFE-IC kann 4 externe Temperatursensoren anbinden, eine Erweiterungplatine mit weiteren 14 Temperatursensoren wartet als Muster auf Inbetriebnahme.
-> Option für Einzelzelltemperaturüberwachung
Diese Zusatzplatine würde auch optional ein großes 48V Relais/Schütz treiben können, sowie ein Heizpad.
( Steuerplatine im Pack verbaut, die meisten Kabel aber noch nicht gesteckt )
Die Steuerplatine muss in ummittelbarer Nähe zum Shunt verbaut werden und sitzt bei mir typischerweise direkt darüber.
Das BMS ist bzgl. Stromtragfähigkeit modular aufgebaut.
Der high-side MOSFET-Schalter "H" und der low side Shunt "L" sind zur Zeit auf jeweils eigener Platine und können damit je nach Bedarf gewählt werden.
Die selbe Steuerplatine könnte also grundsätzlich Batterien mit Dauerströmen von 10 A bis > 1000 A verwalten.
Die Shuntwiderstände kann man fast beliebig wählen.
( Stromshunt-Leiterkarte )
Für Dauerströme bis ~ 100 A ist 400 uOhm ein guter Kompromiss zwischen Verlustleistung und Messgenauigkeit.
Die Platine wird vorzugsweise direkt auf einer 280 Ah Zelle verschraubt. Das ist aber kein Muss.
( Stromshunt-Leiterkarte verschraubt auf Zelle )
Bei der aktuellen MOSFET-Schalter-HW, die direkt auf 280 Ah Zellen paßt, komme ich doppelseitig bestückt bis auf ~ 500 uOhm @ 25°C runter.
( Leiterkarte MOSFET-Schalter )
( MOSFET-Schalter verschraubt auf Zelle )
Ohne besondere Kühlung sollten dauerhaft also auch nicht mehr als ~ 100 A fließen.
Das läßt sich aber durch mehr parallele FETs und/oder bessere Kühlung praktisch beliebig skalieren.
Der MOSFET-Schalter bietet außerdem Precharge für bis zu ~ 30000 uF und ist temperaturüberwacht.
Die Eigenleistungsaufnahme liegt
ohne CAN-HW mit ausgeschaltetem Funk bei ~ 150 mW
mit CAN-HW mit ausgeschaltetem Funk bei ~ 200 mW
mit CAN-HW und aktiver BT Verbindung bei ~ 300 mW
mit aktiver CAN-Verbingung und aktiver BT Verbindung bei ~ 400 mW
Zu den Besonderheiten der SW hier eine stichpunktartige Zusammenfassung:
Zell(verbinder)widerstandsschätzung ( typischerweise auf Basis des Strom-Ripple eines angeschlossenen Wechselrichters z.B. 100 Hz bei einem 1ph WR ):
-> Überwachung der Zellverbinder
-> grundsätzlich könnte man die Auswertlogik auch erweitern, um z.B. R_IONIC aus längeren Lastsprüngen zu schätzen.
Hier Beispiele von zwei Packs :
( DC-Zell(verbinder)-Widerstände Pack A )
( DC-Zell(verbinder)-Widerstände Pack D )
Gemessen wird hier jeweils die Summe aus DC-Zellinnenwiderstand, zwei Kontaktübergängen und einem Zellverbinder ( bis auf Zelle 1 )
In den Messungen zu Zellen 5 und 13 erkennt man die ~ 50 cm langen Kabelverbindungen zwischen Zelle 4 und 5 bzw. Zelle 12 und 13.
In den Messungen zu Zellen 9 erkennt man die ~ 30 cm langen Kabelverbindungen zwischen Zelle 8 und 9.
Pack "A" besteht aus "refurbished" Zelle mit etwas "abgenutzten" Polen. Insbesondere einer der Kontakte zu Zelle 8 zeigt eine deutliche Auffälligkeit.
Pack "D1" besteht aus frischen Zellen von 2023. Auch ohne den Einsatz von Pasten erreicht man hier anständige Widerstände von ~ 350 - 450 uOhm.
Synchronisierte Strom- und Spannungsmessungen ( in Kombination mit den Widerstandschätzungen ):
-> Auswertung z.B. Balancing basierend auf korrigierten ( elektrochemischen ) Zellspannungen, die nur noch minimal durch Spannungsabfälle über DC-Widerstände verfälscht sind
-> kein Fehlbalancing wegen Spannungsabfällen über unterschiedliche Widerstände
-> unterschiedliche Zellverbinder, wie hier kurze Kabel zwischen 4er Gruppen von Zellen, sind damit völlig problemlos in der Handhabung
In meinen Packs, würden über die Unterschiede von ~ 700 uOhm bereits bei 20 A Ladestrom ~ 14 mV erhöhte Zellspannungen auftreten, die ansonsten zu einem fälschlichen verfrühten Einsetzen des Balancing führen würden.
-> kaum "Rauschen" in den angezeigten Zellspannungen bei Stromripple.
Genaues Coulomb-Counting/ SOC-Schätzung inbesondere bei geringen (Ent-)ladeströmen:
-> angezeigte Stromauflösung bei 400 uOhm Shunt von 10 mA, interne Detektionsschwelle ~ 2 mA.
Selbst die Eigenstromaufnahme des BMS ist im Coulomb-Counting sichtbar!
-> bei den bisherigen Testläufen ( zum Teil mehrere Monate ohne SOC-Rekalibierung, keine großen Temperaturschwankungen der Elektronik, Ströme je BMS praktisch nie über 40A, fast immer < 10 A ) lagen die Abweichung typischerweise bei < 0.1% der gemessenen Ladungsmenge, also z.B. bei 2000Ah Gesamtladungsmenge ein Fehler von 2 Ah.
-> Vorbereitet dafür, durch Steuerung des WR einen definierten SOC-Bereich zu nutzen.
Dieser Screenshot ist kurz vor Ende eines der längsten Test zur SOC-Genauigkeit, die ich durchgeführt habe, aufgenommen.
Der Pack wurde fast 348 Tage ohne SOC-Rekalibierung genutzt. Dabei wurden > 14000 Ah (ent-/ge-)laden.
Zu dem Zeitpunkt als die ersten Zellen ( also die mit der geringsten Selbstentladung ) 3.42 V bei nur noch ~ 240 mA Restladestrom ereicht haben, schätzt das BMS den Füllstand der Batterie mit ~ -6.6 Ah ein. Es geht also fälscherlicherweise davon aus, dass noch 6.6 Ah in die Batterie reinpassen.
Eine Selbstentladungskompensation war hier ürigens noch nicht implementiert/aktiv, so dass die Tatsache, dass einigen Zellen noch deutlich Ladung fehlt, für die Beurteilung der Genauigkeit der SOC-Schätzung keine Relevanz hat.
"T_cell_max" bitte ignorieren, der Sensor war nicht an einer Zelle montiert.
Schätzung des Unterschiedes in der Selbstentladung der Zellen ( auf Basis einer Statistik der Balancingaktivität der einzelen Zellen )
-> Überwachung der Zellen
-> möglicherweise Frühwarnung vor Dendritenbildung
-> "open-loop" Balancing zur "Korrekur" unterschiedlicher Selbstentladung, so dass auch nach Wochen ohne Top-Balancing ( z.B. im Winter ) das Auseinanderlaufen der Zellen stark reduziert wird und kein aktiver Balancer benötigt wird.
-> Im nächsten Schritt könnte man dies noch weiter verfeinern, indem man zusätzlich die Unterschiede in der Coulomb-Effizienz der Zellen schätzt.
Dieses Beispiel zeigt die Balancing-Statistik eines Packs nach ~ 11 Monaten.
Auffällig ist, dass alle Zellen bis auf Zelle 3 eine erhebliche und fast identische Balancer-Aktivität zeigen.
Dies kommt daher, dass Zelle 3 eine erhöhte Selbstentladung von ~ 2.4 mA aufweist. Allen anderen Zellen muss dieser Strom zusätzlich entnommen werden, um einen gleichmäßigen Füllstand zu erhalten.
Erkennbar ist auch, dass für alle anderen Zellen eine "Selbstentladung-Emulation" von ~ 2mA aktiv ist.
Aggregation mehrere Batterien:
-> Ein BMS kann zum Master ernannt werden und aggregiert dann die Daten aller anderen Batterien am selben CAN-Bus.
-> Das Master BMS gibt die aggregierten Daten über den selben CAN-Bus zusätzlich gemäß "Pylontech" Protokoll aus. ( Bis jetzt aber in der Praxis nur an Victron Venus getestet )
Dabei kann der (Ent-)Ladestrom so geregelt werden, dass das Limit keiner Batterie verletzt wird.
Derating der (Ent-)Ladeströme für hohe/niedrige Temperaturen und bei niedrigem/hohem SOC ist ebenso eingebaut
-> Am Master-BMS kann via BT oder USB auf die aggregierten Daten oder auch die Daten aller Einzelbatterien zugegriffen werden.
-> Bei der HW Entwicklung war Kosteneffizienz ein wichtiges Kriterium, damit es kaum noch Argumente gibt große Zellen ( > 100 Ah ) unüberwacht parallel zu betreiben
-> Konzeptionell sollte das Aggregierung von 16 Packs möglich sein, praktisch getestet ist es aber erst bis 3 Packs.
In diesem Screenshot ist zu sehen, dass drei 280 Ah Packs ( hier konservativ mit je 270 Ah angenommen ) zu einem virtuellen Pack zusammengefaßt sind.
SW-Updates:
SW Updates können via USB erfolgen. Ein Update über Funk habe ich im Moment bewußt ausgeschlossen.
Grundsätzlich kann ein SW Update bei "aktiver" Batterie erfolgen.
Während des Upates kann die Batterie online bleiben und das Coulomb Counting sowie die Uhrzeit werden rekonstruiert.
Alle wesentlichen Konfigurationsparameter und ebenso Kalibrationsdaten sind natürlich persistent
GUI über BT im Chrome Browser:
- Wenn auf einem BMS Aggregieren aktiv ist, können in der GUI entweder die Daten zur virtuelle Batterie oder die der einzelnen Packs angezeigt werden.
- Das Verändern von kritischen Einstellungen über BT is erst nach "Authentifizierung" via Passwort möglich.
- perspektivisch wäre es vermutlich eleganter die GUI (auch) über WLAN laufen zu lassen
Beispiele von Screenshot der GUI sind oben bereits gezeigt.
perspektivisch wäre es vermutlich eleganter die GUI (auch) über WLAN laufen zu lassen
über lan wäre besser
ich hasse diese ganze wireless geschichte
nur probleme
ich habe derzeit das diy bms von stuart pittaway das hat aber andere "probleme" zb wlan und die akku trennung kann nur über ein teures relais gelöst werden, was bei 4 packs ordentlich ins geld geht.
ich habe derzeit 2 packs es kommen bald 2 weitere dazu also 4 gesamt
jeder hat ein jk bms aber zusätzlich möchte ich ein zweites bms verbauen
kann man bei deinem bms auch nur einen shunt einsetzen zb an der sammelschiene oder braucht es das 4x und addiert dann die ströme?
das balancing klingt sehr interessant. funktioniert das auch zuverlässig woher weiß dein bms wieviel mA es den anderen zellen entnehmen soll, vielleicht hab ich das beim lesen übersehen.
Projekt 48kWh / 12kWp Inselanlage - SMA Sunny Island
Sind Photovoltaik-Inselanlagen meldepflichtig?
Warum braucht man keinen 3phasen Batteriewechselrichter?
-- Sammelthread PV Anlagen Beispiele Umsetzung --
Die "Energiewende" kostet eine Kugel Eis..... pro kWh.
Wow!! Ich verneige mich ! Doppelt.
Bitte gebt nimbus die Chance, in diesem faden weiterzuschreiben, ich mache einen getrennten faden für die Diskussion auf Dann bleibt das ganze leichter lesbar.
Hier : https://www.akkudoktor.net/forum/postid/230623/
Ich bin kein Amateur, aber ich lerne trotzdem noch.
Bürokratie schafft man nicht durch neue Regeln oder Gesetze ab.
Ich möchte hier Beispiele zur Coulomb Counter Genauigkeit sammeln:
Coulomb Counter Fehler ( + <=> Batterie in Wirklichkeit leerer als geschätzt, - <=> Batterie in Wirklichkeit voller als geschätzt
Pack "C1": +1.311 Ah nach ~ 90 Tagen und ~ 950 Ah Ladungstransfer
- keine aktive Selbstentladungsangleichung
Pack "D1": ( +2.195 Ah - 5.184 Ah ) = -2.989 Ah nach ~ 90 Tagen und ~ 900 Ah Ladungstransfer
- Die Ladung die den Zellen zur Selbstentladungsangleichung entnommen wurde, hier ~ 5.184 Ah ( 2.4 mA * 24h * 90 ), ist im Moment nicht im Coulomb Counter berücksichtigt und muss zur Beurteilung der CC-Genauigkeit subtrahiert werden
Pack "A": ( -0.820 Ah - 0.648 Ah ) = - 1.468 Ah nach ~ 90 Tagen und ~ 930 Ah Ladungstransfer
- Die Ladung die den Zellen zur Selbstentladungsangleichung entnommen wurde, hier ~ 0.648 Ah ( 0.3 mA * 24h * 90 ), ist im Moment nicht im Coulomb Counter berücksichtigt und muss zur Beurteilung der CC-Genauigkeit subtrahiert werden
Wegen des in den Sommermonaten sehr geringen Ladungstransfers taugen diese Messungen vorwiegend zur Beurteilung des "kalendarischen" Fehlers, also eines Offset-Fehlers, und weniger zur Beurteilung des "zyklischen" Fehlern, also Nichtlinearitäten.