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BMW

Während der Active-E rein elektrisch angetrieben wird, arbeitet im Active-Hybrid 5 ein TwinPower-Turbo-Reihensechszylindermotor in Kombination mit einem Elektroantrieb und einem Achtgang-Automatikgetriebe. So stehen im Active-Hybrid 5 zusätzlich zum 306 PS starken Verbrennungsmotor weitere 55 PS von einem Elektroantrieb zur Verfügung. Beiden Fahrzeugen gemeinsam ist eine Lithium-Ionen-Hochleistungsbatterie. Auf Grund der Arbeitsspannung von 450 V tragen diese Batterien auch die Bezeichnung „Hochvoltspeicher“.

Active-E

Während im Active-E nur die Leistung des Elektromotors zum Antrieb dient, kann diese beim Active-Hybrid für eine Boost-Funktion genutzt werden, so dass mehr Power für Überholvorgänge oder Steigungen verfügbar ist. Wird der Fuß vom Gas genommen, und das Fahrzeug rollt einfach nur im „Segelmodus“, sieht das Energiemanagement eine vollständige Entkopplung von Verbrennungsmotor und Getriebe vor: Das Fahrzeug gleitet ohne Energieverbrauch über die Straße. Beim Bremsen gewinnt das System Energie zurück, indem der Elektromotor die Rolle eines Generators übernimmt und die Hochleistungsbatterie lädt.

Während den verschiedenen Lade- und Entladevorgängen kommt es in den Zellen der Hochvolt-Batterie zu einem unterschiedlich hohen Ladezustand, der vom Alterungsgrad und der Fertigungstoleranz der Zellen abhängt. Um die Lebensdauer der Batterie nicht unnötig zu verkürzen, ist eine spezielle Steuerung des Ladevorgangs notwendig. Ein durch spezielle Steuergeräte ermöglichtes Batteriemanagement sorgt dafür, dass die Ladung aller Batteriezellen gleich groß ist.

Systempartner für Batteriesteuergeräte

In den nächsten Jahren wird eine bisher sehr wichtige Kernkompetenz der Fahrzeughersteller – die Entwicklung und Fertigung von Verbrennungsmotoren – sukzessive weniger gebraucht. Kein Wunder, dass einige Hersteller großen Wert darauf legen, die Kompetenz der Systemintegration von Batteriezellen und Leistungselektronik im eigenen Hause zu belassen.

Die Steuergeräte für das Batteriemanagement im BMW Active-E und Active-Hybrid 5 entwickelte und fertigt Preh in Bad Neustadt an der Saale.

Die Steuergeräte für das Batteriemanagement im BMW Active-E und Active-Hybrid 5 entwickelte und fertigt Preh in Bad Neustadt an der Saale.Preh

Bei einer solchen Strategie sind nicht Systemlieferanten gefragt, die komplette Systeme anbieten, sondern Systempartner, die den OEMs kleinere Subsysteme liefern. Diese Systempartner unterstützen als flexible Entwicklungspartner und können Änderungswünsche schnell umsetzen, während die Automobilbauer den Daumen auf ihrer Systemkompetenz behalten.

Ein gutes Beispiel für einen solchen Systempartner ist die Preh GmbH. Das Unternehmen liefert für das Management des Hochvoltspeichers im Active-E und Active-Hybrid 5 zwei verschiedene Arten von Steuergeräten: Die BMU (Battery Management Unit) für das Management des Gesamtsystems „Batterie“ sowie die ­CSSU (Cell Supervising Sensor Unit) zur Überwachung der einzelnen Zellen. Bereits auf der IAA 2011 zeigte das Unternehmen diese beiden Einheiten, aber erst jetzt gibt es weitere Details.

Die für jede Batteriezelle eingesetzten CSSUs (Überwachungseinheiten) liefern die Parameter Ladezustand und Temperatur an die zentrale BMU (Battery Management Unit). Unterschiedliche Ladungszustände der Zellen (links) gleicht das System derzeit mit passiv

Die für jede Batteriezelle eingesetzten CSSUs (Überwachungseinheiten) liefern die Parameter Ladezustand und Temperatur an die zentrale BMU (Battery Management Unit). Unterschiedliche Ladungszustände der Zellen (links) gleicht das System derzeit mit passivPreh

Jede einzelne Batteriezelle ist einer CSSU zugeordnet, um den Ladezustand und die Temperatur jeder Zelle individuell und permanent zu überwachen. Die so gewonnenen Daten verarbeitet die BMU, um bei Bedarf ein passives Balancing durchzuführen, das den Ausgleich unterschiedlicher Ladezustände einzelner Batteriezellen ermöglicht. Damit erzielt der OEM im Interesse der Batterie-Lebensdauer ein gleichmäßiges Ladungsniveau der gesamten Hochleistungsbatterie. Zwischen BMU und Batterie gibt es außerdem eine sogenannte Schaltbox, die über eine Kühlventilsteuerung die Temperatur der Batteriezellen regelt. Ohne Kühlung würde sich durch die höhere thermische Beanspruchung die Lebensdauer der Batteriezellen verkürzen.

Vom Passive Balancing zum Active Balancing

Passive Balancing erhöht durch das gezielte Entladen einzelner Zellen die Effizienz der Batterie als Ganzes. Allerdings geht dabei wertvolle Energie verloren, weil dabei lediglich überschüssige Ladungen einzelner Zellen in Lastwiderständen zu nicht nutzbarer Abwärme „verbraten“ werden, um das Ladungsniveau anzugleichen.

Mit entscheidend für Batterielebensdauer und Reichweite sind die Parameter Temperatur und Ladezustand.

Mit entscheidend für Batterielebensdauer und Reichweite sind die Parameter Temperatur und Ladezustand.BMW

Auch wenn es dafür bisher erst wenige spezialisierte Halbleiterlösungen gibt, arbeiten Automobilzulieferer dennoch mit Hochdruck an einer Alternative: dem Active Balancing. Beim Active Balancing erfolgt durch einen intelligenten Regelkreis eine vollständig synchrone Ladung und Entladung der einzelnen Batteriezellen. Während die Energie beim Passive Balancing in nicht nutzbare Abwärme umgewandelt wird, sorgt das Active Balancing für eine Umverteilung der Energie zwischen den einzelnen Zellen. Insider halten damit eine

Batteriesteuergeräte

Da die Batterietechnologie eine der Kernkompetenzen der Elektromobilität ist, bauen manche OEMs ihre Li-Ionen-Batteriesysteme selbst. Hierzu liefern Systempartner die passenden Steuergeräte für das Monitoring und das Cell-Balancing.

Reichweitenverlängerung von bis zu 15 Prozent für möglich. Bisher bieten die für PKW-Applikationen vorhandenen Lösungen allerdings noch keine marktfähigen Kosten-Nutzen-Relationen, aber Lieferanten wie Preh arbeiten an entsprechend ökonomischen Active-Balancing-Lösungen, und auch die IC-Hersteller sind in die entsprechenden Projekte involviert. Eine der besonderen Herausforderungen ist hierbei die notwendige hohe Messgenauigkeit der Zellspannung, die beispielsweise im Bereich von ±2 mV liegen muss. Bis zur Marktreife eines in dieser Hinsicht optimierten Batteriemanagements für Pkws werden Sie allerdings noch einige neue Ausgaben der AUTOMOBIL-ELEKTRONIK ­erhalten, denn vor 2014 oder 2015 ist wohl kaum mit derartigen ­Systemen zu rechnen.