Vakcode: EE3842 Battery management system voor Nuna Spanningsmeting, voedingscircuits en PCB-ontwerp Datum: 18-06-2014 Auteurs: L.M. Middelburg 4182111 D.M. van Willigen 4171993 Delft University of Technology Samenvatting Dit document beschrijft het ontwerpproces van een deel van de subsystemen uit het Battery Management System wat voor het bachelor eindproject is uitgevoerd. Voor het ontwerp van het BMS is een modulaire master-slave topologie gebruikt. De behandelde subsystemen zijn de spanningsmeting, de voeding, het PCB-ontwerp en de CAN-isolatie. De belangrijkste problemen in deze subsystemen bij het huidige BMS zijn dat de afzonderlijke cellen een ander spanningsniveau krijgen, dat het BMS de cellen te snel ontlaadt en dat de communicatie via CAN niet optimaal is. Na onderzoek bleek dat de eerste twee problemen werden veroorzaakt door niet prakti- sche waarden voor de ingangsimpedantie voor de afzonderlijke cel aansluitingen. Het gekozen ontwerp voor de spanningsmeting maakt daarom gebruik van een multiplex topologie, dus een hoge ingangsimpe- dantie wanneer het BMS uit is. De implementatie hiervan wordt verzorgd door een IC. Gemeten is dat de ingangimpedantie van de ontworpen spanningsmeting in de orde ligt van tientallen MW. Voor de voeding is gebruik gemaakt van twee buck-converters, omdat de CAN communicatie galvanisch gescheiden dient te zijn. De converters zijn ge¨ımplementeerd met IC’s als switch en bereiken efficienties¨ van 80% en 55% in het toegepaste bereik. Tevens zijn de rimpelspanningen 70mV en 24mV voor respec- tievelijk de PCB- en de CAN-converter. Gezien de context waarin dit ontwerp plaatsvindt, is er tijdens het ontwerp steeds op gelet om energiever- liezen zo gering mogelijk te houden. Zo is er ook onderzoek gedaan naar het exacte energieverbruik van het totale circuit. In de praktijk is een aanverbruik gemeten van 122:0mW. Het uitverbruik is gemeten op 1:36mA. Waarmee aan de eisen voor het ontladen en energieverbruik wordt voldaan. Alle genoemde onderdelen zijn ge¨ımplementeerd op een PCB van eurocard formaat, waarbij zoveel moge- lijk rekening is gehouden met EMC. Een groot deel van de systemen is uitvoerig getest, de spanningsmeting is echter nog niet getest maar zou volgens de data-sheet wel ruimschoots aan de eisen moeten voldoen. Gecontroleerd is met een IR-camera dat de temperatuursstijging binnen de perken blijft, wanneer grote stromen door de balanceertraces lopen. De gemeten stijging is 6 ◦C wanneer er een stroom loopt van 6A gedurende 30 seconden. Het PCB ontwerp voldoet aan de voorwaarden wat betreft de connectoren, het gewicht en de afmetingen. Zo weegt het gehele BMS in totaal 394 gram en wordt hiermee aan de gewichtseis voldaan. Voordat het systeem daadwerkelijk in Nuna wordt ge¨ımplementeerd dienen nog meer uitgebreide tests gedaan te worden, waaronder vooral ook een duurtest en een test bij hogere omgevingstemperaturen. I Verklarende woordenlijst Accu Totaal van batterijen in de auto ADC Analogue to Digital Converter Batterij Chemsiche cel waarin energie kan worden opgeslagen Battery-pack Combinatie van 12 in serie geschakelde cellen BMS Battery Management System CAN Controller Area Network, een industriestandaard voor serieele¨ communicatie in voertuigen Cel Elektrische cel, opgebouwd uit een aantal parallel geschakelde batterijen EMC Electromagnetic Compatibility EMI Elektro-Magnetische Interferentie, storingen in een signaal veroorzaakt door elektromagnetische velden in de omgeving. IR Infra-Rood LT Linear Technologies MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor PCB Printed Circuit Board (printplaat) PvE Programma van Eisen SMD Surface Mounted Device SoC State of Charge, percentage resterende energie in een cel t.o.v. volledig opgeladen TI Texas Instruments VS Verenigde Staten WSC World Solar Challenge II Inhoudsopgave Algemene inleiding 1 1 Programma van Eisen 2 2 Systeemoverzicht 5 2.1 Verdeling subsystemen . .6 3 Inleiding subsystemen 7 4 Probleemdefinitie 8 5 Verwant onderzoek 10 5.1 Hardware . 10 6 Beschrijving ontwerpproces 12 6.1 Spanningsmeting . 12 6.2 Ge¨ıntegreerde oplossing . 16 6.3 Uitschakelcicuit . 16 6.4 Flyback converter . 17 6.5 Keuze ontwerp voeding . 19 6.6 Energiehuishouding en verbruik . 22 6.7 Printed Circuit Board . 23 7 Resultaten 28 7.1 Testplan . 28 7.2 Testresultaten . 30 8 Conclusie en discussie 36 8.1 Spanningsmeting . 36 8.2 PCB-ontwerp . 36 8.3 Buck converter CAN-isolatie . 36 8.4 Metingen aan- en uitverbruik . 37 8.5 Gewicht . 38 8.6 Overige metingen . 38 9 Aanbevelingen 39 9.1 Componentkeuze . 39 9.2 Printontwerp . 39 9.3 Communicatie . 39 Bibliografie 41 A Schema’s 41 B PCB Ontwerp 47 III Algemene inleiding De algemene ingleiding, hoofdstuk 1 en 2 zijn gemeenschappelijk door alle zes groepsleden geschreven. OOR het Nuon Solar Team is in het laatste kwartaal van het academisch jaar 2013-2014 door de auteurs gewerkt aan een compleet functionerend Battery Management Systeem (BMS). Dit V systeem dient ervoor te zorgen dat de lithium batterij in de Nuna continu gemonitord en eventueel gebalanceerd wordt. De Nuna is een auto rijdend op zonnen-energie, gebouwd door het Nuon Solar Team. Dit team is e´en´ van de dream teams op de campus en doet elke twee jaar mee aan de World Solar Challenge (WSC). Hiervoor wordt een auto gebouwd die enkel op zonne-energie rijdt en meedoet aan een wedstrijd waaraan teams meedoen die afkomstig zijn van universiteiten over de hele wereld. Voor de challenge in Australie¨ is het van belang een vooraf bepaalde afstand in een zo kort mogelijke tijd af te leggen. Echter het ontwerp van het BMS voor dit afstudeerproject vind plaats binnen het kader van de voorbereidingen voor de WSC in Zuid-Afrika, dit evenement vind steeds in het jaar tussen de races in Australie¨ plaats. Het BMS zal aanvankelijk worden gebouwd voor de zevende versie van de Nuna, echter dient het ook toekomstbestendig te zijn. Het ontwerpen van dit systeem geschiedde in het kader van het bachelor afstudeer project (BAP) van de studie electrical engineering te TU Delft, vakcode EE3842. De zes teamleden zijn in gesprek gegaan met de klant, in dit geval het Nuon Solar Team over het te bouwen systeem. Geformuleerd is, dat de hoofdtaken van het systeem in elk geval zijn, de lithium batterij van de Nuna 7 continu monitoren en op zekere momen- ten balanceren, passief danwel actief. Voor het bachelor eindproject is, naar het huidige curriculum, precies e´en´ kwartaal de tijd. Dit impliceert een tijdsbestek van slechts 8 weken waarin het gehele ontwerpproces plaats dient te vinden. Om deze doelstelling te bereiken is een compacte, doch grondige en daadkrachtige aanpak van het probleem nodig. Om een zo goed mogelijk overzicht te behouden binnen de beschrijving van het gehele systeem door de 3 theses, is besloten om een gemeenschappelijk gedeelte toe te voegen, welke de systeembeschrijving en het programma van eisen voor z’n rekening neemt. Een belangrijke reden hiervoor is dat de inhoud in dit gedeelte van toepassing is op alle drie de theses en omdat op deze manier het systeem eenvoudig verdeeld kan worden over de drie theses. In hoofdstuk 1 ‘Programma van Eisen’ (PvE) zullen uitgebreid alle eisen aan bod komen. Deze eisen zijn opgesteld aan de hand van de opdrachtspecificatie aan het begin van het eindproject en vooral aan de hand van overleg met het solar team. Een deel van de eisen zullen slaan op het technische gedeelte, deze eisen zijn door de BAP groep zelf geformuleerd, omdat deze voortvloeien uit de eisen die de klant aan het sys- teem heeft gesteld. Deze technische eisen zijn ook in het PvE opgenomen, om een zo compleet mogelijk beeld te krijgen van de mogelijke eisen en om, in een later stadium, zo gestuctureerd mogelijk aan het ontwerpproces te beginnen. In hoofdstuk 2 ‘Systeemoverzicht’ zal het complete systeem worden onderverdeeld in meerdere subsyste- men. Elk subsysteem zal aan een van de drie subgroepen worden toebedeeld. In de afzonderlijke theses kan vervolgens de verdere beschrijving van het ontwerpproces van de subsystemen worden gelezen. Henko Aantjes Vincent Grijze Luke Middelburg Erwin Mostert Pim Veldhuisen Douwe van Willigen 1 Hoofdstuk 1 Programma van Eisen E opdracht van de klant, het Nuon Solar Team, is het maken van een Battery Management System. Om duidelijker te krijgen wat de mogelijkheden en eigenschappen van het systeem moeten zijn, D is er in overleg met de klant een programma van eisen vastgesteld. Dit programma van eisen is gebaseerd op enkele basisprincipes, die ook met de klant zijn overlegd en bij iedere ontwerpbeslissing een rol zullen spelen. I Veiligheid: De belangrijkste randvoorwaarde is uiteraard de veiligheid. Het is nooit de bedoeling dat het opereren van de auto de veiligheid van het team of omstanders in gevaar kan brengen. Naast het feit dat het BMS zelf veilig moet zijn, zorgt het ook voor de veiligheid van de accu-cellen. De spanning en temperatuur hiervan mogen niet te hoog worden. II Betrouwbaarheid: Tijdens een race is het essentieel dat het systeem blijft werken, aangezien het niet mogelijk is het systeem gemakkelijk te repareren of te herstarten. Hierbij moet rekening gehouden worden met de extreme omstandigheden met veel trillingen en hoge temperaturen. Het systeem mag nooit vastlopen of verkeerd functioneren. III Efficientie¨ : Het is ontzettend belangrijk om zuinig om te gaan met de beschikbare energie. De race kan alleen gereden worden met de energie die door de zonnepanelen wordt opgevangen, en elke joule aan energie die bespaard wordt door de elektronische systemen, kan gebruikt worden om harder te rijden, en zo de race te winnen. Het is dus uitermate belangrijk niet meer energie te verbruiken dan strikt noodzakelijk. IV Flexibiliteit: Het BMS moet indien nodig softwarematig aangepast kunnen worden, zodat het ook geschikt is voor andere cellen (met andere celspanningen en andere ontlaadcurves) of voor andere configuraties. Vanuit deze basisprincipes zijn alle eisen vastgesteld: 1. Basismogelijkheden van het systeem 1.1. Het systeem moet voorkomen dat de batterij onderladen raakt.