Wünsche für BMS HW

Wir hatten da mal ein Projekt aber Preise sind sowieso immer individuell auszuhandeln. Teuer ist immer alles, aber nur um überhaupt mal in der Richtung zu denken.

Seit 30 Jahren gibt es bei den Leiterplatten keine Kontinuität mehr. Die meisten ehemaligen Hersteller haben ihren Laden zugemacht, auch richtig Große. In den letzten Jahren monatlich mindestens Einer. Früher hatten wir viel von Straschu Leiterplatten die nach der Wende noch mit Rostock Leiterplatten zugekauft und aufgestockt haben. Straschu hat vor langer Zeit dann auch plötzlich Bestückungsdienstleistungen angeboten die selbst für Prototypen gar nicht schlecht waren. Zugriff auf Bauteilelager online für Kunden auch in Einzelteilen vom Gurt abgeschnitten. Dann haben sie vermehrt Entwicklungsdienstleistungen angeboten und plötzlich auch einen Elektrogroßhandel für Installationsmaterial aufgemacht. Die Leiterplatten aus Stuhr wurden immer teurer und weniger. Mit Renteneintritt einiger Mitarbeiter wurden sogar der Service für Laserschablonen in Rostock eingestellt.

Die Entlassungswellen von ThyssenKrupp, ZF, VW, Bosch usw. pflanzt sich gerade in den Mittelstand fort. Selbst Schweizer und Würth Leiterplatten entlässen momentan möglichst viele Mitarbeiter. Den Chinesen geht es in der Elektronik von PV Modulen bis Leiterplatten zwischenzeitlich genauso schlecht wie uns. Sie bekommen aber erhebliche Subventionen weil China keine Produktionskapazitäten abbauen will. Eine Gerber Anfrage in China ist momentan also ziemlich aussichtsreich denn die müssen gegen die Inder ankotzen. Die Inder selbst werden von den Vietnamesen verdrängt und diese haben aktuell vermehrt Billigkonkurenz aus den Phillipinen. Die sind aber viel zu klein um den Weltmarkt bedienen zu können.

Als Layouter wirst du aber bei KSG sicher kompetente Ansprechpartner finden wenn du denen einfach das Maul mit einem "HSM-Tec" Projekt wässrig machst, weil die momentan auch händeringend nach Aufträgen suchen. Damals war mein Ansprechpartner Martin Pareis der im FED auch als Starrflex Apostel unterwegs ist. Er ist im Werk Gars für die Maschinen zuständig. Bei Bedarf kann ich dir über PN mal die Tel. Nr. raussuchen. Es reicht ja mal eine kostenlose Beratung um dann mit den Gerberdaten die absoluten Preise zum Vergleich anbieten zu lassen wozu irgend eine Faktorschätzung sowieso viel zu ungenau ist.

Vielen Dank für diese Einblicke.

Ich habe früher auch schon mal Designs mit Leiterkarten-Muster für > 1000 € das Stück gemacht ( allerdings nicht Dickkupfer sondern Feinstleiter mit blind und buried via .... )
Ich habe meine Einstellung über die Jahre dazu verändert: Oft kann man ein sehr ähnliches Resultat erzielen, wenn man sich auf Standard-Technik beschränkt und etwas "out of the box" denkt.

Das mit den Kupferblechen auf normalen PCBs hat für mich einen enormen strategischen Wert. Ich kann damit zu minimalen Kosten auch Muster und Kleinstserien von Designs mit fast beliebigen Stromstärken machen.

Ich habe mir jetzt beispielsweise für einen maximal harten Kurzschlusstest auch eine Spezialbaugruppe gemacht:

Eine davon soll ~ 2000 A, 2 parallel dann 4000 A schaffen.
Die Ströme werden dabei auch wieder mit Kupferbars auf den 0815-Platinen verteilt.

Solange wir nicht von mindestens 4 stelligen Stückzahlen reden, sehe ich für die Anforderungen hier schlicht keinen Vorteil von Spezial-PCBs.

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Das bedeutet wahrscheinlich, dass alle paar Jahre eine neue Leiterplatte gezeichnet werden muss. Der nächste Schritt werden 340~360Ah Zellen sein, die nochmals dicker sind als die aktuellen 280-320Ah mit 72mm.

Was halten Sie von einer flexiblen Leiterplatte? Dadurch werden weniger PCB-Versionen benötigt. Zudem sind Selbstbauer etwas flexibler. Vielleicht möchte jemand zwischen den einzelnen Zellen dicke Kalziumsilikatplatten legen.

Was wäre die Sensorkabel Lösung für jemanden, der sich einen gedrehten Aufbau mit 4 Reihen zu je 4 Zellen erwünscht?

Temperaturüberwachung für jeder Zelle (Plus-pol) wünsche ich mir. Also bei 16s = 16 Temperatursensoranschlüsse. Damit kann man gleich bestimmen welcher Zelle die Anomalie hat.

Wenn ich weiter träumen darf: Jeder elektrische Hochstromleiter im Batteriekasten:

  1. BMS- <-> Zelle 1
  2. BMS+ <-> Sicherung
  3. Sicherung <-> Trennschalter
  4. BMS- <-> Trennschalter

Das wären 20 St.

Flexible Leiterkarten sind hier sicherlich eine elegante Option, habe ich genauso auch bei Packs schon irgendwo gesehen.

Unschön ist, dass flexibel ~ 2x so teuer wie starr ist.
Falls SMD Bauteile aufgelötet werden sollen, kommt dazu, dass das Handling (insbesondere von großen ) flexiblen Leiterkarten in SMD-Fertigungstraßen deutlich problematischer ist.

Technisch also definitv machbar, bei den hier vermutlich kleinen Stückzahlen aber eher teuer.

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Technisch sehe ich hier überhaupt keine Probleme. Wenn man von 1% NTCs ausgeht, wäre so etwas in großen Stückzahlen auch preislich nicht unangemessen.
Du bist bis jetzt aber der einzige, der überhaupt Interesse an der bereits als Muster vorhandenen Erweiterung um 12 Kanäle gezeigt hat.
Mein Eindruck ist, dass der typische DIY-Akku-Bauer wirklich hohe Ströme im Pack durch viele parallele Packs ganz grundsätzlich meidet und es damit im regulären Betrieb sowieso zu keiner merklichen Erwärmung kommt. Da mein BMS die meisten Übergangswiderstände überwacht, hat man zudem noch einen zusätzlichen Schutz durch Warnung vor sich deutlich verschlechterten Übergangswiderständen.
Ich sehe also im Moment für so etwas für typische ESS-Anwendungen praktisch keine Nachfrage.
Wenn es wirklich um große Leistungen geht, führt meiner Einschätzung nach auch nichts an HV-Batterien (vorzugsweise dann als serielle Verschaltung von 16s Packs) vorbei.

Ich denke der typische DIY-Akku-Bauer kummert sich nicht so intensiv drum wie man ein Batterie richtig bauen soll. Die kaufen sich oft so ein Chinakasten mit Zellen mit China-Sechkannt gepresster und geschrumpfter Kabelschuhe. Sie denken auch, dass die „kalendarische Alterung“ nur mit dem Kalender zusammenhängt, und vergessen den Einfluss der Temperatur.

Die 20 Kanäle liegt am anderen Ende des Spektrums. Ich stelle mir die Frage: Wie schaffe ich es, die Batterie möglichst lange im niedrigen Temperaturbereich betriebsfähig zu halten? Das bedeutet auch, dass entsprechende Maßnahmen ergriffen werden müssen, wenn die Temperatur in der Zelle 10 °C oder sogar nur 1 °C beträgt. Dies kann ich allerdings nicht mit ausreichender Sicherheit tun, wenn ich die niedrigste Zelltemperatur nicht kenne. Beim 4x4 Aufbau komme ich allerdings gerade so klar, wenn ich die Temperaturen der 12 äußeren Zellen kenne. Bei niedrigen Temperaturen sind die 4 innen mit ziemlicher Sicherheit wärmer als die 12 außen.

In die Mitte ist wie BYD sein 11 kWh HV Batterien baut: pro 8 Zellen 5 Zellverbindertemperatursensoren:

Also mein Heimspeicher arbeitet den ganzen Tag.
Lade aktuell mit 0,2C und komme nie über 0,5C.
Was würde mir das auch bringen bei 1C ist nach einer Stunde schluss.
Meine 16S sind klassisch in 2 Reihen a 8 Stück
Temp1 zwischen 1-2 Temp2 4-5 Temp3 8-9 Temp4 11-12
Maximale Abweichung 1°C selbst zwischen den Racks max. 4°C.
Kontakte werden 1x im Jahr mit Wärmebildkamera gecheckt.
Übergangswiderstände werden vom BMS gemessen (ev. auch nur geschätzt)

Beim Auto sieht es anders aus. Steht den ganzen Tag herum.
Und wenn es gebraucht wird, wird mit mehreren C Raten beschleunigt/gebremst.
Da ist ein gutes Temperaturmanagment gefragt und wichtig.

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Zu Ihrer Information: Ich baue keinen Heimspeicher.

OK, sondern.

Da man bei einer Batterie sowohl die tiefste als auch die höchste Temperatur kennen sollte, würde ich die verfügbaren Sensoren aufteilen. Mindestens einen in der Mitte, den Rest eher außen verteilen

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NRG1105F4000B2F = 100k 1% NTC mit Öse, 30cm 26AWG Litzen

gibt es bei Farnell € 0,487 (100 St.)

Das ist ein wirklich gutes Angebot. Danke für den Tipp. Perfekt wäre, wenn es den auch mit 500mm oder 750 mm Kabel gäbe.

Ich habe etwas den Faden verloren. Ich dachte, die aktuelle Idee besteht darin, den „Kabelbaum“ als Leiterplatte zu implementieren. Dann braucht man für die NTCs keine so langen Anschlussleitungen?

Für mein 4×4-Setup habe ich folgendes im Sinn:


Hier reicht 15 cm Kabellänge.

Hinweise:

  • passiv gekühlt mit 2 Stahlplatten um jede Zelle,
  • verpresst mit Druckfedern,
  • 2 Reihen mit Verkabelung,
  • jede Reihe mit einer Leiterplatte für Sense/Balance und einer Leiterplatte für Temperatur (oder kombiniert auf nur 1 Platine),
  • mit Abstandshaltern zwischen den Leiterplatten werden sie zu einem Kabelkanal, (z.B. für die überschüssige Länge der Litzen) und könnte sogar oben auf die Stahlplatten klemmen,
  • es können sogar Aussparungen eingefräst werden, um die Litzenleitungen sicherer an ihrem Platz zu halten.

Das ist eine Idee.
Der Status-Quo ist aber, dass alle meine Packs mit Kabelbaum umgesetzt sind und wohl auch bleiben werden. Ich gehe auch davon aus, dass alle Installationen mit den Mustern, die ich im Moment verteile, mit Kabelbaum arbeiten werden.

Spezielle Anschlussleiterkarten machen meiner Ansicht nur dann Sinn, wenn eine 2-stellige, besser 3-stellige, Anzahl von Packs mit demselben Design gebaut werden.

800 mm lange Leiterkarten wären ziemlich speziell <=> gerade bei kleinen Stückzahlen teuer

Wieso willst du Stahlplatten? Zwischen den Zellen muß auf jeden Fall isoliert werden. Irgendwo weiter vorne habe ich meinen Versuch mit einem 402 NTC zwischen 0,5mm starken FR4 Leiterplatten mit ausgefräster Tasche gepostet. Was das kostet bis die Platten durch die Ätzanlage sind möchte ich auch in China nicht wissen. Bei 2x8s sind das 14 Messtellen zwischen den Zellen plus 16 auf den Polen. Bei 7+8=15 Messstellen pro Platine dann wahrscheinlich sicher mit uC bei serieller Anbindung.

Wenn man schon eine Sammlerplatine für die Temperaturen macht, dann auch gleich mit den Sense Leitungen. Bitte nicht als Flex und auch nicht als Semiflex. Gründe dafür spare ich mir jetzt. Wenn man über eine lange Sammlerplatine die Kabel kurz und alle gleich lang halten kann hat man nämlich gewonnen. Durch die Kürze und Nähe der Leiterplatte ist keine Fehlverdrahtung mehr möglich und die freien Kabel können im Automat alle gleich lang automatisiert günstig gefertigt werden. Für einen Kurzschluss bis zum Nachbarn ist es einfach zu kurz. Die momentanen Schmelzsicherungen können als Sollbruchstelle auf der Leiterbahn gemacht werden.

Ansonsten ergibt sich mein 8s Design momentan aus dem Gewicht von etwa 50kg was noch ohne schwarzen Gürtel zu wuppen geht. Bei den aktuellen Zellen der 300Ah Klasse sind das eben imme 8s und die Querverbindung von 8 nach 9 über die Sicherung ist wegen dem Widerstand hochproblematisch.

Sicher basteln die Hersteller momentan schon an den Fertigungsstraßen der 500 Ah Klasse. Wenn man diese überall kriegt können wir uns dann Gedanken über eine 4er Gruppierung machen. Bei den afrikanischen Klavierträgern ist irgendwo zwischen 2 und 300kg nämlich auch Schluss. Flügel rutschen sie nur noch hochkant auf einem Holzschlitten mit Filzkufen die Treppen rauf und runter weil sie auch zu viert das Gewicht nicht mehr packen. Solange sind meine gelaserten 8s Chassis jetzt bis 18.3 im Bummeltermin bestätigt. Die tragenden Baugruppenträger habe ich bislang nicht bestellt. Ich mache mir einen provisorischen Rahmen aus Holz um überhaupt mal die Gänge zu kommen.

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800 Mm passt hier auch nicht. Am rechten Seite verliert man mindestens 7~8 cm wegen Zellverbinder. Deswegen brauche ich gerade an diese Stelle die 15 cm Kabellänge.

Deswegen die Länge auf 650 mm Beschränken. In diesem Fall kostet bei JLCPCB 5 Stück so um € 13 mit € 20 Versand. Glasfaserkabelummantelung kostet schon mehr.

Gute Frage.

Dazu hat Stahl auch fast die Wärmespeicherkapazität von Wasser.

Meine Idee: als eine Art passive Wasserkühlung.

Warum werden in den Zyklentests der Hersteller immer dickere, schon bis 17 mm, Stahlplatten verwendet? (In Bezug auf die Steifigkeit sind 8 mm Dicke mit 300 kgf, gleichmäßig auf 6 Punkte verteilt, mehr als ausreichend.)

Ja, ja, isoliert wird die Zelle mit so ein Thermische Lückenfüller (en: thermal padding).

  • Aus Kosten-/Arbeitsgründen,
  • weil der Pluspol einen deutlich schnelleren Wärmeweg in der Zelle hat (Kupfer)
  • und weil BYD seine Akkus mit Temperatursensoren an den Zellverbindern ausstattet

werde ich keine Temperatursensoren zwischen den Zellen platzieren.

Es könnte sein, daß bei einer Temperaturmessung auf dem Pol die Übergangswiderstände dazwischen spuken. Meine Envision Alupole haben einen Kragendurchmesser von 11mm. Abzüglich einer M6 Stahlschraube gibt das velleicht noch eine Kontaktfläche von gut 60mmq.

Nehmen wir an, daß eine mit Korundpaste polierte Alu - Alu Verbindung nach 1-2 Jahren vielleicht einen Widerstand von 100uOhm aufweist. Bei 100 Amp oder 0,3C gibt das einen Spannungsabfall von 10mV. Das ist erst mal nicht großartig schlimm. Aber es gibt eben 10mV*100Amp = 1 Watt Wärme welchen deine Temperaturmessung an den Polen gegenüber der Zellseite dann falsch liegen würde. Vielleicht ist es auch nicht so schlimm oder die Kontaktprobleme sind schlimmer. Ich habe einfach auch keine Betriebserfahrung damit denn meine Pylontechs sind vermutlich auch aus gutem Grund fest verschweisst.

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Meine Hoffnung liegt auf:

  1. das Kontakthilfsmittel-Preparat (Burndy Penetrox A13)
  2. das Anschwellen und Schrumpfen der Zellen (aufgrund von SoC-Änderungen)

hoffentlich wird dadurch sichergestellt, dass die selbstlimitierende 10nm (Nanometer) spröde Oxidschicht immer wieder (weiter) gebrochen wird, und dass wenig oder kein Sauerstoff zugeführt wird, um eine neue Oxidschicht zu bilden.

Es ist darauf zu achten, dass die Temperaturen der Verbindung niedrig bleiben, damit das Kontakthilfsmittel nicht austrocknet.

In meinem Fall dass die Druckplatte groß und flach ist, und eine ausreichende Stärke hat (5 mm Stärke ist bei Flachschienen Druckplatten nicht ungewöhnlich)

Das größte Problem besteht darin, dass die M6 Mutter laut Zellhersteller nur mit 6 Nm angezogen werden darf. Ich habe es nicht nachgerechnet, vermute aber, dass die Verbindung mit maximal 0,5 kN verpresst wird. (das ist auch einer der Gründe, warum ich dünnes Aluminium in weichem und nicht halbhartem Zustand möchte). Mit 1 M6 Gewindestange ist es schon schwierig genug, 0,5 kN Druck auf die Verbindung auszuüben. Also sind 0,02 Milliohm im günstigsten Fall, eher 0,05 Milliohm, erreichbar.

Eine interessante Darstellung der Übergangswiderstände verschiedener Kontaktarten (Punktschweißen, Ultraschallschweißen, Laserschweißen, Presskontakt, Löten) und Polflächen/Kontaktflächen:


Quelle: https://repositorio-aberto.up.pt/bitstream/10216/160442/2/681363.pdf, Seite 153
Original Quelle: 1. M. F. R. Zwicker, M. Moghadam, W. Zhang, and C. V. Nielsen, "Automotive battery pack manufacturing – a review of battery to tab joining," Journal of Advanced Joining Processes, vol. 1, p. 100017, 2020/03/01/ 2020, doi: Redirecting

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