So sehr ich die Arbeitsweise, das Resultat und die Qualität schätze, aber für mich ist diese Art des Überlastungsschutzes für vernünftige Anwendungen (mehr als BMS für Bootsbatterien, kleine Hütten, Balkonkraftwerke, ...) nicht probat. Warum nicht ein Schutzrelais mit ein bisschen Verlustleistung ?
Das Schutzrelais schaltet langsamer. Bei Kurzschluss lauft die Stromstärke schnell auf. Statt z.B. 300A am BMS MOSFET-Array wird denn bei 15.000A geschaltet. Das kann so ein Schutzrelais nur 10~100 Mal (bei dieser Stromstärke). Jeder Hochstrom Schaltung wird die Übergangswiderstand im Relais etwas höher. Die MOSFET's können problemlos 1+ Million Mal schalten. Z.b. das Pathfinder kann [strike]dauerhaft[/strike] mit Ausreichender Kühlung ohne Probleme 4kA schalten (während ein Paar Mikrosekunden).
Ein MOSFET-Schalter trennt einen Fehler in < 100 us ( < 1us wenn man es drauf anlegt ), also typischerweise noch eher am Anfang der Stromanstiegsrampe.
Ein vernünftig ausgelegter MOSFET-Schalter kann Milliarden Schaltvorgänge praktisch ohne jegliche Abnutzung erbringen.
Ein mechanischer Schalter benötigt ~ 5 ms und muss bei einem harten Kurzschluss dann die 10 - 100fache Energie unschädlich machen.
Mein Eindruck ist, dass viele derjenigen, die einen mechanischen Schalter für robuster als einen Halbleiterschalter halten, sich nie die "contact ratings" von einem solchen Bauteilen angeschaut haben:
Wo stammt diese Angabe her?
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Das Wort "dauerhaft" muss sein "mit ausreichender Kühlung".
1kA steht ins Datenblatt (Aussage: "problemlos für einige Sekunde"). https://youtu.be/e6HgviwYy5w?si=nVyuNls90vDQ4gJ4&t=1810
4kA ist eigentlich 4,62kA und stammt aus Steve's Aussage "12 Mal 385A", hier: https://youtu.be/e6HgviwYy5w?si=CiWO8JYUbACKZOrk&t=1829 (30:29), und "für ein paar Mikrosekunden ist gar kein Problem" (30:48).
Die Argumente verstehe ich aber zwischen schnell abschalten und sicher abschalten gibt es dann doch auch Unterschiede. Ideal wäre wahrscheinlich eine Kombination aus beiden wenn die FET's dann doch mal schmelzen ...
alle auf einmal oder wie?
geht einer oder zwei defekt läuft das auch noch weiter
mit dem unterschied das man nicht weiß wieviele defekt sind das merkt man nur in der erwärmung denke ich weil weniger fets mehr leisten müssen.
was passiert wenn ein relais nach dem 10ten schalten dauerhaft kleben bleibt?
jetzt dreht sich das wieder im kreis, nimm ein relais und gut.
oder nutz beides.
noch besser wäre eine pyrosicherung die wird zb ausgelöst wenn eine zelle 3,8V erreicht.
das bms hat zeit davor zu schalten, sind die fets alle dauerhaft leitend geworden dann sollte das pyroelement zünden und feierabend.
MOSFETs "schmelzen" nicht einfach so.
Mein Eindruck ist, dass viele Entwickler und leider sogar zum Teil die Hersteller (Beispiel) sich über die speziellen SOA-Eigenschaften (Safe Operating Area) moderner ( für Schaltanwendungen optimierter ) FETs nicht (voll) bewußt sind.
Wenn das Pathfinder BMS wirklich den FET Type AGMSEMi AGM01T08LL verwendet, ist das z.B. ein Typ bei dem zumindest ich kein SOA-Diagramm finden kann.
Für Anwendungen in denen FETs langsamer als ~ 100 ns schalten und somit dann nennenswerte Zeit im linearen Bereich arbeiten, ist das Fehlen eines plausiblen SOA-Diagramms für mich ein Ausschlusskriterium.
Es ist aber ein gewaltiger Unterschied, ob ein MOSFET-(Array) 4kA für einige µs leitet oder ein- oder ausschaltet. Beim Schalten hat man gleichzeitig hohen Strom und hohe Spannung und somit dann hohe Verlustleistung über den FETs und die Gefahr von lokalen Hotspots wegen negativem Temperaturkoeffizienten.
Wenn während des Schaltens die Stromaufteilung im FETs nicht mehr hinreichend ( SOA ) gleichmäßig ist, wird der FET früher oder später ausfallen.
Ich habe noch keinen Abschalttest bei irgendeinem BMS mit auch nur annährend 4kA gesehen. Selbst bei nur 2 uH Induktivität sind 4 kA schon 32 Joule die beim Schaltvorgang kontrolliert unschädlich gemacht werden müssen.
Bei einem MOSFET-Array kommt erschwerend hinzu, dass die statische Stromaufteilung und noch viel wesentlicher die dynamische ( während des Schaltens ) Stromaufteilung zwischen den FETs nicht ideal sind und man somit ein zusätzliches Derating benötigt.
@cj0 Mal dir in ein Bild vom Pathfinder BMS mal die Wege, die der Strom von einem Terminal zum anderen Terminal durch die mittleren und durch die äußeren FETs nehmen muss. Wenn der unterschiedliche Pfadwiderstand in die Größenordnung des FET-Widerstands kommt, muss man von erheblichem Stromimbalance ausgehen.
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Steve (Overkill Solar) spricht von "(English)...handling..." jedoch in einem Kontext von "... short circuit detection point". Deshalb dachte ich dass damit das abschalten von Kurzschluss gemeint wäre. Vielen Dank für die Klarstellung hinsichtlich des Unterschieds zwischen dem Leiten und Schalten großer Ströme in MOSFET Arrays.
Diesen Joule beim Schaltvorgang hat denke ich eine Beziehung zu "Avalanche Energie". AGM01T08LL Datenblatt schreibt 2800 mJ bei 25ºC Junction Temperatur. Also 4 kA kann das Pathfinder BMS noch immer Schalten bei ausreichender Kühlung. Trotzdem sehe ich, sogar bei 25ºC Tj diese 12 Mal 2,8 = 33,6J vs 32J => 5% Marge, als sehr gering. Vor allem, da nur ein M10 Kabelanschluss in der Mitte dieser Reihe mit 12 Mosfets positioniert ist (ungünstige Pfadwiderstand, Kontaktoberfläche und Kontaktwiderstand).
PS Ich mag Ihr Design des "BMS_LH" in diesem Punkt besser.
Der Umgang mit dem “Avalanche Rating” von Si-FETs ist ein Stück weit eine Glaubensfrage.
Die einen sagen, es steht im Datenblatt, dann nutze ich es.
Die anderen beharren darauf, dass für den zuverlässigen Betrieb des Bauteils die maximale Drain-Source Spannung im regulären Betrieb 80% vom spezifizierten Wert nicht überschreiten darf.
In jedem Fall ist 25 degC typischerweise weit weg von einem realistischen Wert für die Junction Temperatur im Betrieb. In vielen Anwendungen liegt die maximale Junction Temperatur im Betrieb eher bei 100 - 125 degC.
Das Avalanche Rating gibt typischweise grob die Energie an, die notwendig ist, um durch ein Avalanche-Event die Die-Temperatur von 25 degC auf 150 degC zu erhöhen. Wenn das Die zu Beginn des Avalanche-Events schon 100 degC bzw. 125 degC hat, bleiben also in erster Näherung etwa 40 % bzw. 20 % davon übrig.
Wenn man die Avalanche Robustheit eines FETs überschreitet, “zündet” ein interner parasitärer BJT , was dann typischerweise “game over” bedeutet. Für das Zünden ist aber nicht nur die Temperatur ( wegen des steigenden internen Widerstandes ) sondern auch die Stromstärke relevant ( U_be = R * I ). Bei gleicher Die-Temperatur ist die Gefahr für ein Zünden bei höheren Strömen also größer. Das Avalanche Rating beim AGM01T08LL ist z.B. bei “nur” 112 A, nicht bei > 350 A !!!
Ich habe mich bewußt dagegen entschieden beim Abschalten das Avalanche Rating der MOSFETs zu nutzen. Stattdessen wird bei sehr hohen Abschaltströmen ein großer Teil der Energie in dedizierten TVS-Dioden in Wärme umgesetzt. Deswegen kann ich auch keine 85 V FETs nutzen, sondern muss, wie die meisten 48 V BMS es machen, 100 V FETs verwenden.
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Die Mosfet Abschaltung wird in der Regel funktionieren. Bei Berücksichtigung des SOA sogar wahrscheinlicher wie ohne. Was man in fertigen Fremdgeräten (Akkus) hingegen teilweise so vorfindet beruhigt keineswegs. Daß ein Halbleiter durchdiffundiert, kann aus welchem Grund auch immer mal passieren. Statische Aufladung, Gewitterschäden, Kurzschlüsse gegenüber AC, usw. Kaum jemand wird die Induktivität seiner Sammelschienen in der Installation auch nur näherungsweise kennen. Die ist bei den durchaus seriösen TE Relaiskontakten dann immerhin mal spezifiziert.
Als nicht reversible zusätzliche Abschaltung im Fall von Halbleiterfehlern gibt es schliesslich handelsübliche und preislich günstige NH Sicherungen mit sehr sicherem Trennvermögen von zig Kiloampere. Typische Verluste 1W pro KW Akkuleistung. Manche Hersteller (Siemens) spezifizieren normale NH sogar zusätzlich für DC. Obwohl ich weis, daß Relais bei BEV noch immer üblich sind, möchte ich bei mir vom Preis mal ganz abgesehen kein einziges verbaut haben.
Was ich von alten Schaltnetzteilen noch als zusätzlichen Schutz von nachfolgender Elektronik kenne sind die Crowbar Schaltungen mit Thyristoren. Die schalten einmalig bei Überspannung oder SW Ansteuerung zuverlässige Kurzschlussströme um eine vorhandene Sicherung dabei gezielt abzuschmelzen.
@nimbus4 @janvi
Welche Sicherungen verwendet Ihr? NH gG sind mir zu träge und schnellere habe ich nicht zu vertretbaren Preisen bei Einzelstückzahl gefunden.
Daher habe ich mich auf die Bauform A3T (Class-T 150A) zusammen mit fernauslösbaren 200A MCCB als Schaltelement festgelegt.
Die Absicherung sehe ich auch ein Stück weit als Schutz der Zellen an, daher meine Gedanken zur Charakteristik.
Mangels Wissen über die Auswirkung auf die Zellen bei hartem Kurzschluss basiert die Entscheidung aber nur auf einem Bauchgefühl.
Eine schnelle und verlässliche e-fuse wäre an meinen Anforderungen definitiv näher, deren Entwicklung würde aber meine Möglichkeiten übersteigen.
Kaufbar und bezahlbar ist mir da leider bisher noch nichts untergekommen.
Eine solche Crowbar durchs BMS gesteuert könnte man natürlich als Fernauslöser für eine NH-Sicherung verwenden. Im Moment sind mir die fernauslösbaren Leitungsschutzschalter da aber die deutlich sympatischere Lösung.
Ich verwende Siemens NH.
Welchen Typ verwendest Du?
Im Grunde ist ein BMS ja eine E-fuse. Wenn 100 V FETs verbaut sind, muss man sich natürlich bewußt sein, dass nur Spannungen bis ~ Vbat + 100 V also typischerweise 150 V am Eingang sicher gehandelt werden könnne.
Ich würde an einem solchen BMS z.B. nie einen Buck MPPT mit einer String-Leerlaufspannung > 150 V betreiben. Wenn dann nämlich der MPPT mit einem Kurzschluss des Buck-FETs ausfällt, kann das BMS auch nichts mehr ausrichten und die Panel hängen quasi direkt an der Batterie.
Man könnte natürlich auch 1200 V FETs statt 100 V FETs verbauen. Dann würden für ein 100A BMS aber die FETs alleine ~ 1000 USD kosten.
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Aber da würde es doch eine Weile dauern, bis die Panels den Akku von 55V auf über 150V geladen haben. D.h. bei 59V könnte das BMS dann ja immer noch gemütlich abschalten. Oder habe ich einen Denkfehler?
Wenn Voc der PV z.B. 200 V ist, dann schaltet das BMS zwar zunächst z.B. bei 59 V ab. Dadurch steigt die Spannung über den FET des BMS aber auf ~ 200 V - 59 V also 141 V. Der FET geht in den Avalanche Breakdown und wird dabei thermisch zerstört. Danach wird der Akku, wenn genug PV-Leistung vorhanden ist, fatal überladen.
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Danke für die Erklärung! Verstanden.
Eigentlich ziemlich erschreckend, da trennt das BMS ordnungsgemäß, aber dann ist es doch wieder durch einen Folgefehler verbunden…
Im
AHED_BMS UI - Parameter - Balancing
(laut Webgui Anleitung) wird das "Top balancing" und die "Selbstentladingsdifferenzkompensation" unter ein Name gezeigt: "Balancing Mode = Top&Night Balance".
Wäre es nicht besser um die einzeln zu zeigen? Weil "Night Balancing" nicht wirklich ausbalanciert im Sinne des Worts, es versucht nur die "Balancing" Funktion zu unterstützen, sobald es Wirklich zu balancieren kommt, das diese Arbeit weniger Zeit im Anspruch nimmt.
Nach meiner Meinung gehört im UI diese "Selbstentladingsdifferenzkompensation" alias "Night Balancing" sogar nicht unter der Überschrift "Balancing", weil dieser Funktion keinen direkten Zusammenhang mit den einstellbaren Parametern "Vcell start" und "Vcell delta target" hat.
Wie funktioniert das reine "Top Balancing" eigentlich ins AHED_BMS?
- Texas Instruments Stil: jeder Zelle soll über "Vcell start" (3.400V) liegen bevor das Balancing startet
- JiKong Stil: die erste Zelle die über "Vcell start"(3.400V) ist, startet das "Top Balancing"
- noch anders...
Antwort:
3. Anders, jedoch mehr Stil 2 als 1, zusätzlich nur bei I < 0.1C und 30 Minuten verzögert.
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AHED? Was ist das?
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AHED ist das Elektronik Design von Alexander H. alias @nimbus4 mit seinen Initialien vorne angestellt
@Crunch Die gG gL NH sind nicht träge weil der Stromanstieg bei Kurzschlüssen mit den kleinen Innenwiderstand von LiFePo immens ist. Ältere Sicherungsnormen für Akkus stammen aus der Zeit wo Akku ein Synonym für Blei gewesen ist und schnellere Auslösekurven Sinn machen.
Bei LiFePo ist der Nennstrom der Sicherung deshalb nahezu egal. Kleinere Ströme machen die Mosfets zuverlässig. Für Kurzschlüsse wo die Mosfets versagen könnten, nimmt man zusätzliche NH oder eben magnetische Automaten. Diese müssen hier keinen Leitungsschutz z. Bsp. gegen 1,3 fachen Nennstrom machen sondern nur den Kurzschlussschutz. Um die Verlustleistung klein zu halten, nimmt man die kleinste Bauform NH00 mit dem grössten Nennwert z. Bsp. 160 Amp. Die 60V DC - NH Normen haben etwa 2-3 Watt weniger Verluste, sind nur unwesentlich teurer aber durchweg schwieriger beschaffbar.
Die kleinen Bauformen von Adlerelektrik & Co. und dort besonders die flinken A3T können zwar auch als Überlastungsschutz ohne BMS eingesetzt werden, erkaufen sich die Geschwindigkeit aber durch miserabel hohe Wärmeverluste wobei die Auslösekurve noch stark von der Umgebungstemperatur abhängt. Sie werden auch im Betrieb bei Nennstrom so heiss, daß sie praktisch jederzeit kurz vor dem Abschmelzen sind und das dann entsprechend schneller geht.
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Ich verstehe bei meinem BMS unter “Balancing” alle Funktionen die dafür sorgen, dass ein Top-Balancing aller Zellen initial hergestellt und dann aufrecherhalten wird.
Das kann man sicher auch anders definieren, aber bei obiger Definition gehören “night balancing”, also ein Balancing, obwohl die aktuellen Zellspannungen < 3.4 V und somit außerhalb eines typischen Balancing-Zellspannungsfensters liegen, und “self dicharge equalization” als Spezialfall des “night balancing” dazu.
“night balancing” arbeitet nur auf Basis von geschätzten Selbstentladungsunterschieden oder großen ( Größenordnung Ah ) am Tage diagnostizierten Füllstandsunterschieden, die nicht während des Tages ausgeglichen werden konnten. Die momentane Zellspannung hat keinerlei Einfluss!
Wenn Du Deinen Pack in Betrieb nimmst und die Zellen ihr initiales Top-Balancing mit meinem BMS erhalten, wirst Du mit einiger wahrscheinlich “night balancing” beobachten:
Die Ladespannung sollte bei ~ 54.7 V liegen. Sobald die erste Zelle bei kleinem Restladestrom > 3.4 V liegt, wird das BMS innerhalb von ~ 30 min Schätzwerte für die Ladung die den anderen Zellen fehlt bestimmen. Das könnten im Zweifelsfall auch 10Ah sein ( bei einer Zelle mit erhöhter Selbstentladung, die 6 Monate rumstand ), was ~ 100h Balancingzeit benötigen würde. In einer reinen Inselanlage wäre es z.B. sehr unschön, wenn man den Pack dafür für > 4 Tage auf 100% SOC halten müßte.
Stattdessen, kann man den Pack abends ganz normal nutzen/entladen. Das BMS wird dann bis am nächsten Tag wieder ~100% SOC erreicht sind, ~ 1 - 1.5 Ah aus den volleren Zellen entnommen haben. Dann werden automatisch die Schätzwerte aktualisiert und dass ganze wiederholt sich solange bis alle Zellen ein ideales Topbalancing erreicht haben. Bis dahin hat man nur minimale Einschränkungen und kann den Pack eigentlich ganz normal nutzen.
So habe ich seit ~ 1.5 Jahren alle neuen Packs in Betrieb genommen.
Ganz abstrakt findet ein Balancing nur dann statt, wenn das BMS mit hinreichender Sicherheit einen Unterschied im “Füllstand” der Zellen diagnostizieren kann.
Dies ist bei LFP Zellen im allgemeinen nicht über Auswertung einer einfache Spannungschwelle möglich.
Ich nutze im Moment unter anderem
- Zellspannung > ~ 3.4 V
- Zellstrom < ~ 0.1C
- Bei diagnostiziertem “langsamen Relaxationsverhalten” <=> “Memory Effect” kommen noch weitere Kriterien dazu. Das ist aber noch experimentell.
Für den Start solltest Du erst einmal alle Einstellungen auf ihren Default-Werten lassen.
Wenn das BMS an 16s LFP Zellen betrieben wird, wofür es vorkonfiguriert ist, muss man tendenziell nur die “nominal capacity“ anpassen, und das eigentlch auch nur, wenn diese deutlich von 280 Ah abweicht, da daraus z.B. Plausibilitäts-Checks für die Stromlimits und alle Einstellungen, die in [C], also als Teil der Nominalkapazität, vorgenommen werden, abgeleitetet werden.
FYI: In der WebGUI wird zur Zeit auch nur ein kleiner Teil aller internen Parameter zugänglich gemacht und viele Werte sind im Moment auch nur “ read only”.
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Irgendeinen Namen mußte das BMS bekommen und heißt “AHED_BMS”.
War hier aber auch schon zu sehen.
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