Akku-BMS: UMBAU, DIAGNOSE, FEHLERSIMULATION, AUSWIRKUNG

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SegFenn
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Akku-BMS: UMBAU, DIAGNOSE, FEHLERSIMULATION, AUSWIRKUNG

Beitragvon SegFenn » 10.06.2019 01:24

Motivation:

Ich möchte demonstrieren, wie eine Leiterplatte (LP) aus einem AF-Akku (BMS) nach einem Umbau geprüft werden kann. Zusätzlich simuliere ich 2 Fehlerzustände, um deren Auswirkung zu zeigen.

Ausgangssituation:

Für den Aufbau eines Akkus mit neuen Lithiumzellen werden funktionstüchtige BMS-LP benötigt. Diese können aus tiefentladenen Akkus gewonnen werden. Leider stellen sich viele dieser BMS nach dem Ausbau als defekt heraus, z.B. weil deren ehemalige Besitzer (nach der plötzlichen Tiefentladung) in höchster Not Reparaturversuche durchgeführt haben (z.B. Wiederbelebungsversuche mit Fremdspannung oder die "russische Methode" mit einem zweiten Akku), oder beim Ausbau des BMS unbemerkt ein Fehler aufgetreten ist.

Umbau & Testvorbereitung:

Nachdem das BMS aus dem Akku unter Berücksichtigung sämtliche Vorsichtsmaßnahmen ausgebaut wurde, werden insgesamt 23 Widerstände a' 56 Ohm für den späteren Betrieb aufgelötet. Beispielfotos dazu hatte ich hier im Forum bereits eingestellt. Es gibt auch die Möglichkeit, nach dem Öffnen des Akkudeckels und vor dem BMS-Ausbau bzw. dem Abtrennen der (tiefentladenen) Altzellen, auf der Oberseite des BMS zunächst 23 Widerstände a' 120 Ohm aufzulöten. Damit werden sämtliche Zellen entladen, was mit einem Voltmeter an der Akku-Klemme zu prüfen ist. Diese Widerstände können dann auch auf dem BMS bis nach dem Ausbau verbleiben, wodurch die hochohmigen Eingänge definiert auf Massepotential gehalten werden (Pull-down).

An den beiden Power-Zuleitungen (schwarz & rot) wird für den Test ein strombegrenzendes Netzteil angeschlossen (70 V / 0,25 A). Ziel ist es, das BMS ohne Zellen erfolgreich zu betreiben, wodurch das BMS dann später mit jeder beliebigen Zellenkombination im Segway verwendet werden kann.

Testablauf:

Mit Einschalten des Netzteils wird die Stromaufnahme geprüft, diese muss unter 100 mA liegen. Zusätzlich wird mit dem FLUKE eine Ohm- sowie eine Spannungsmessung an der 1. Zelle vollzogen (J11 -> GND). Danach wird das Akku-Diagnosegerät aktiviert, wodurch das BMS mit der 12V-Schaltspannung versorgt wird. Das BMS prüft nun permanent den Zustand der 23 Einzelzellen und meldet den OK-Status bzw. etwaige Fehler (dann mit Fehlercode xxxx) über den I²C-Bus an die Base (bzw. an das Diagnosegerät). Sowie eine der 23 Zellen einen Spannungpegel von 2,52 V unterschreitet, sendet das BMS den Fehlercode 2000 (Status = rot).
Im Spannungsbereich von 58 ... 82 V sollte ein fehlerfreies BMS den OK-Status senden (Status = grün).

Status-LED auf dem BMS:

Grüne LED: Mit Aktivierung des BMS durch Anlegen der Schaltspannung leuchtet die grüne LED permanent auf und signalisiert den aktiven Zustand des Controllers.
Rote LED: Hiermit wird der I²C-Datenaustausch signalisiert, die LED blinkt im Takt der übertragenen Datensätze.
Sofern ein schwerwiegender Fehler auftritt schalten sich beide LED ab, der Controller geht dabei in den inaktiven Standy-By und der I²C-Bus wird nicht mehr bedient. Dieser Zustand - der bei einem schwerwiegenden Fehler nach ca. 2 Minuten eintritt - kann nur mit Unterbrechen der 12V-Schaltspannung aufgehoben werden.

Fehlersimulation:

1) Moderater Spannungseinbruch an ALLEN Zellen, simuliert durch Reduzieren der Betriebsspannung am Netzteil von 70 V auf 58 V. Hierbei ist wichtig zu verstehen, dass nicht die Summenspannung (weniger als 58 V) die Fehlersituation auslöst, sondern der Umstand, dass eine der 23 Zellen weniger als 2,52 V hat. Beim Originalakku wäre es übrigens die Zelle (bzw. Zellencluster aus 4 Einzelzellen) mit dem höchsten Innenwiderstand bzw. der geringsten Kapazität. Hier entstehen oft Irritationen, da User berichtet haben, dass ein Akku nicht lädt oder am Segway nicht arbeitet, obwohl dieser Akku auf messbare 74 V wiederbelebt wurde. Das aber eine Zelle unbrauchbar ist und die 2,52 V nicht mehr erreicht, kann von außen (ohne Öffnung des Akkus) dabei nicht realisiert werden.

Fehlerwirkung: Das BMS sendet den Fehlercode 2000, geht aber wieder vollständig in Betrieb, sowie die Spannung wieder ansteigt. Dies wäre im Betrieb mit einem Beschleunigungsvorgang zu vergleichen, wobei alle Zellen von dem Spannungseinbruch betroffen sind.

2) Starker Spannungseinbruch an EINER Zelle, simuliert durch Kurzschluß der Zelle (bzw. Widerstand) mittels Pinzette.

Fehlerwirkung: Das BMS sendet hierbei ebenfalls zunächst den Fehlercode 2000, geht aber dann mit dem Fehlercode 9000 vollständig außer Betrieb. Der I²C-Bus wird zwar noch für ca. 2 Minuten weiter bedient, das BMS verbleibt aber auch nach Aufheben der Fehlerursache (Zellenschluß) weiterhin im Fehlerstatus. Das BMS arbeitet erst wieder nach Unterbrechung der 12V-Schaltspannung korrekt. Beim Einsatz am Segway kann das im Ernstfall bedeuten, dass der Akku demontiert werden muss, da die Base in einigen Fällen die Schaltspannung weiterhin aktiv hält.

Testaufbau:

Das Setup besteht aus einem 70V-Netzteil (0,25 A), einem Messinstrument (FLUKE 87), dem von mir entwickelten Akku-Diagnosegerät mit TFT-Display sowie einer mit 23x 120 Ohm umgebauten LP aus einem AF-Akku. Die Klemmen vom Messinstrument sind über der 1. Zelle aufgelegt (schwarze Klemme = GND):

P1050227.JPG

Nachfolgend der Link zu einem Video mit dem oben beschriebenen Ablauf. Bedauerlicherweise hatte ich ständig mit Reflexionen zu kämpfen, beim Versuch die Werte vom TFT-Display mit der Kamera einzufangen:

https://youtu.be/txxhekGStLU

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