POWSE Pouch-Cell Wireless Sensing

Transkript

1 POWSE Pouch-Cell Wireless Sensing Marcel Bärtschi

2 Marktentwicklung von Lithium Batterien Mrd. $ In den nächsten Jahren wird der Bedarf an Batterien weiter zunehmen. (Quelle : Bernstein Research, NZZ-Infografik) 2

3 Lithium Batterien Lithium Batterien sind anfällig auf falsche Handhabung. (Quelle : ) 3

4 Battery Management System Überwachung der Betriebsparameter Überspannung, Überstrom Unterspannung, Tiefentladung Temperaturüberwachung Viele Batteriezellen Balancing Bestimmen des Batteriezustandes (SoC, SoH) 4

5 Battery Management System Vorteile Aktives Balancing Logik nicht redundant Nachteile Messung nicht synchron Eingangsspannungsbereich Galvanische Trennung Verkabelung V BMS 5

6 Battery Management System Vorteile Einfache Verarbeitung Niedriger Eingangsspannungsbereich Nachteile Redundante Elektronik Nur Passives Balancing Potentialtrennung der Kommunikation Verkabelung V V V BMS V 6

7 Wireless Battery Management System Vorteile Potentialtrennung Keine Verkabelung Nachteile Nur Passives Balancing Redundante Elektronik V V V BMS V 7

8 Ziele 8

9 Ziele Vision Integration des Zellsensor in ein ASIC Befestigung des Zellsensors direkt in der Pouchzelle Zielsetzung dieser Arbeit Proof of Concept Demonstrator mit 120 Zellen Datenrate von 100Hz Slvave-Modul 9

10 Konzept 10

11 Übersicht System 120 Lithium Zellen In Serie 450V Sensor zu jeder Zelle Spannungsmessung Temperaturmessung Balancing Drahtlose Übertragung BMS Empfängt die Daten Strommessung Datenverarbeitung Slave-Module CS1 CS2 CS3 Battery-Master BMS CS120 11

12 Slave-Modul Vcc Vcc Powermanagement RF Balancer Spannungsmessung Mikrocontroller Temperaturmessung NFC- EEPROM Slave-Modul 12

13 Battery-Master Battery-Master Vcc 3x RF RF RF SPI SPI Mikrocontroller CAN UART Powermanagement User Interface Data Strommessung NFC- Transceiver Power 13

14 Funkprotokoll 14

15 Protokoll Proprietäres Protokoll EM9203 Transceiver Physical Layer Link Layer Mikrocontroller Application Layer TDMA Zugriffsverfahren Synchronisiert von Master Keine Datenwiederholungen EM9203 STM32 POWSE Protocol Link Layer Physical Layer 15

16 Slave-Module Aufbau der Kommunikation Batteriezelle Nr. 1 Batteriezelle Nr. 2 Batteriezelle Nr. n Batteriezelle Nr. 119 Batteriezelle Nr. 120 Slave-Modul Nr. 1 Slave-Modul Nr. 2 Slave-Modul Nr. n Slave-Modul Nr. 119 Slave-Modul Nr. 120 ID 2 Receive 3 3 Transmit Receive Receive Receive 3 3 Transmit Transmit Transmit Receive Trigger Transmit Time-Slot Nr.1 Time-Slot Nr.2 Time-Slot Nr.n Time-Slot Nr.119 Time-Slot Nr.120 t 1 Master Transmit Receive Receive Receive Receive Receive t Trigger Time-Slot Nr.1 Time-Slot Nr.2 Time-Slot Nr.n Time-Slot Nr.39 Time-Slot Nr

17 Trigger-Paket T_Switch Nr. 1 Nr. 2 Nr. 3 Nr. 119 Nr. 120 Auto- Calibration Trigger-Paket T_Switch Timing Schutzzeit zwischen den Paketen = 20μs Timer Slave-Modul zu ungenau Verarbeitung der Daten im Master zu langsam 120 Slave Pakete 0 10ms Time 19

18 Trigger-Paket T_Switch Nr. 81 Nr. 82 Nr. 83 Nr. 119 Nr. 120 Auto- Calibration Trigger-Paket T_Switch Trigger-Paket T_Switch Nr. 41 Nr. 42 Nr.43 Nr. 79 Nr. 80 Auto- Calibration Trigger-Paket T_Switch Trigger-Paket T_Switch Nr. 1 Nr. 2 Nr. 3 Nr. 39 Nr. 40 Auto- Calibration Trigger-Paket T_Switch Timing Schutzzeit zwischen den Paketen = 160μs Slave Pakete 1-40 Channel 1 Slave Pakete Channel Slave Pakete Channel Byte 20

19 Hardware Umsetzung 21

20 Slave-Modul Version 1 STM151CCU6 Step-Up Converter Externer ADC 300mA Balancer Version 2 STM151CBU6 LDO Interner ADC 50mA Balancer Kosten und Grösse optimiert 22

21 Battery-Master STM32F446 3x EM9203 Isolierte Strommessung CAN + UART CR95HF 23

22 Komplettes Testsystem 120 Zellen 25

23 Software Umsetzung 26

24 Thread Diagram Timer 5 Timer 2 Timing Thread Send Data Send Trigger, Stop Receive ADC Current Measureme nt Contorl Thread Trigger Data Battery Data Transmit Thread EM9203 CAN UART UART Thread 27

25 Software Timing SPI Übertragung Standardimplementierung Status Register lesen Interrupt Mask lesen Payload Length lesen Payload lesen FIFO löschen FIFO inkrementieren Interrupt zurücksetzen Empfangen stoppen Optimierte Implementierung Interrupt zurücksetzen und Status Register lesen Payload lesen FIFO löschen und inkrementieren DMA Transfer Dauert 290 μs Dauert 89 μs 29

26 Software Timing SPI Übertragung 30

27 Software Timing SPI Übertragung 32

28 Datenauswertung 33

29 Datenauswertung 34

30 Fazit 35

31 Fazit Proof of Concept erfolgreich abgeschlossen Testsystem mit 120 Lithium Batterien Protokoll mit 100Hz implementiert Battery-Master limitiert bei 10Hz Battery-Master mit FPGA umsetzen Datenraten bis 635Hz möglich Spannendes Thema mit viel Potential 36

32 Fragen 37