Betrouwbare monitoring van de batterijconditie voor transparante batterijpaspoorten

Voorbereiden op het batterijpaspoort

“Sinds de Europese Commissie het concept van het batterijpaspoort introduceerde als onderdeel van de EU-batterijverordening, werkt TNO aan de algoritmen en systeemconcepten erachter”, zegt Avedis Dadikozyan, Medior Scientist Integrator bij TNO.

In die periode heeft TNO bijgedragen aan verschillende initiatieven rond het batterijpaspoort. In het project ’Green Transport Delta – Electrification (GTD-E)’ werkte TNO samen met een breed industrieel consortium aan het leggen van een solide technische basis voor batterijpaspoorten. Dit resulteerde in het whitepaper ‘Towards future-proof battery passports’ uit 2024.

Daarnaast leidde TNO de ‘Secure Battery Passport Demonstrator (SeBaPaD)’, die samen met NXP werd ontwikkeld. NXP leverde de hardware voor het Battery Management System (BMS), inclusief beveiligde chipsets, en ontwikkelde de basis softwarelaag van het BMS. TNO ontwikkelde de SoX-batterijalgoritmen, integreerde deze met een commercieel NMC-batterijmodule, leverde de batterijpaspoortomgeving en voerde systeemtesten uit. Een eindgebruikersgroep met industriële partners was gedurende het hele project betrokken om de praktische relevantie te waarborgen.

Werkelijke batterijstatus bepalen

Een van de vereisten van het batterijpaspoort is dat het rapporteert over de conditie en prestaties van een batterij via een set zogeheten State-of-X (SoX)-waarden. SoX is een overkoepelende term voor de verschillende meetwaarden die worden gebruikt om de toestand van een batterij te beschrijven.

Om aan deze eis te voldoen, ontwikkelde TNO een uitgebreid SoX-raamwerk, aangeduid als de SoX Toolchain. Deze toolchain combineert alle essentiële gegevens die momenteel nodig zijn om een batterij te laten functioneren met de aanvullende dynamische data die vereist zijn voor het batterijpaspoort. Dit omvat zowel de kernprestatie-indicatoren die al in batterijsystemen worden gebruikt als nieuwe, batterijpaspoortgerelateerde indicatoren die doorgaans niet beschikbaar zijn in bestaande Battery Management Systems, zoals round-trip-efficiëntie.

“Een uitdaging bij veel bestaande benaderingen is dat SoX-waarden minder betrouwbaar worden naarmate een batterij veroudert”, legt Feye Hoekstra van TNO uit. “Er is geen gestandaardiseerde manier om deze waarden te berekenen, en veel algoritmen houden geen rekening met degradatie op de lange termijn.”

Volgens Hoekstra is een belangrijk kenmerk van TNO’s SoX Toolchain dat deze de prestaties van SoX-schattingen over de volledige levensduur van de batterij evalueert. “Dit stelt gebruikers in staat om de conditie en prestaties van batterijen continu en betrouwbaar te monitoren, zelfs wanneer de batterij in de loop van de tijd degradeert.”

Zeer veilige IC's (chips)

Om de SoX-algoritmen te testen, moest de software worden gecombineerd met de BMS-hardware. “NXP bouwde een BMS-referentieontwerp met beveiligings-IC’s (chips) erop”, zegt Wenzel Prochazka van NXP. “Binnen het BMS beschermen deze de gevoelige data en zorgen ze ervoor dat de informatie die door het SoX-algoritme wordt geleverd niet kan worden gemanipuleerd.”

“De chipsets hebben een extreem hoog beveiligingsniveau. Het is hetzelfde type als wordt gebruikt voor creditcards en paspoorten”, voegt Marc Manninger van NXP toe. Dit beveiligingsniveau is cruciaal, bijvoorbeeld voor batterijfabrikanten, omdat zij juridisch aansprakelijk zijn voor de betrouwbaarheid van de data.

Softwarelagen van Battery Management System

Naast hardwarecomponenten zoals sensoren en chipsets bestaat een BMS uit meerdere softwarelagen met elk een eigen verantwoordelijkheid. Op het laagste niveau bevindt zich de meet- en acquisitielaag, die rechtstreeks communiceert met de hardware om ruwe signalen te meten, waaronder celspanning, stroom en temperatuur.

Daarboven voert de kernsoftware van het BMS essentiële functies uit die nodig zijn voor een veilige en betrouwbare werking van de batterij. Dit omvat signaalverwerking, veiligheids- en beschermingsmechanismen zoals bescherming tegen overladen en oververhitting, celbalancering en communicatie met externe systemen, zoals het batterijpaspoort.

Bovenop deze basislagen bevindt zich de applicatielaag, waarin de meer geavanceerde batterijfunctionaliteit wordt geïmplementeerd. Dit is de laag waarin de SoX-algoritmen van TNO zijn geïntegreerd. Het raamwerk bouwt voort op de gevalideerde en beschermde data die door de onderliggende lagen worden geleverd om zowel de essentiële operationele meetwaarden voor batterijgebruik als de aanvullende dynamische data voor het batterijpaspoort te berekenen.

“De klimaatkamer stelt ons in staat om batterijen te testen bij verschillende temperaturen en luchtvochtigheidsniveaus en te verifiëren dat hun gedrag binnen de verwachte grenzen blijft.”

Testfaciliteiten bij TNO

Zodra het BMS is samengesteld en geprogrammeerd, wordt het in het geval van SeBaPaD geïntegreerd met een commercieel NMC-batterijmodule. TNO beschikt over geavanceerde expertise en state-of-the-art laboratoriumfaciliteiten voor het bouwen van batterijprototypes en het uitvoeren van uiterst nauwkeurige testen onder volledig gecontroleerde omstandigheden.

Deze faciliteiten maken gedetailleerde elektrische karakterisering van batterijcellen en validatie van batterijsystemen mogelijk, terwijl veilige werking tijdens de testcampagnes wordt gegarandeerd. Daarnaast maakt TNO gebruik van klimaatkamers om batterijprestaties onder uiteenlopende omgevingscondities te evalueren. “Dit stelt ons in staat om batterijen te testen bij verschillende temperaturen en luchtvochtigheidsniveaus en te verifiëren dat hun gedrag binnen de verwachte grenzen blijft”, zegt Feye.

Opschalen

“Met de afronding van het eerste SeBaPaD-project en de realisatie van de batterijpaspoortdemonstrator blijven TNO en NXP het systeem verder uitbreiden en valideren”, zegt Avedis. Een van de huidige focusgebieden is het testen van de batterijpaspoortopzet met een LFP-batterijmodule. Vergeleken met andere chemieën zijn LFP-batterijen uitdagender voor SoX-berekeningen, omdat hun spanning over een groot deel van het laadbereik relatief vlak blijft.

Hierdoor is het lastiger om op basis van spanning alleen te bepalen hoe vol of gezond de batterij is. Dit vereist, in combinatie met temperatuurafhankelijkheid en veroudering van batterijen in het algemeen, nog geavanceerdere algoritmen om betrouwbare schattingen in de tijd te behouden.

Parallel hieraan hebben TNO en NXP SeBaPaD 2 gelanceerd, met als doel de demonstrator op te schalen van een 50V-batterijmodule naar een 500V-batterijpakket. “Deze stap is essentieel om dichter bij industriële en mobiliteitstoepassingen te komen, waar hogere spanningsniveaus de standaard zijn”, aldus Avedis. Werken op dit niveau brengt aanvullende eisen met zich mee op het gebied van veiligheid, monitoring en regeling, die allemaal cruciaal zijn om aan te tonen dat het batterijpaspoortsysteem betrouwbaar kan functioneren in realistische gebruiksomgevingen.

Door op te schalen in zowel batterijchemie als systeemspanning werkt TNO toe naar een oplossing die direct relevant is voor de industrie en geschikt is voor integratie in toekomstige commerciële producten. Ben je geïnteresseerd in samenwerking met TNO op het gebied van toekomstige initiatieven rond digitale productpaspoorten of BMS-uitdagingen? Neem contact met ons op.