Bild 1: Batteriesätze von Elektrofahrzeugen bestehen aus mehreren Modulen, die sowhl in Reihe als auch parallelgeschaltet sind.

Bild 1: Batteriesätze von Elektrofahrzeugen bestehen aus mehreren Modulen, die sowhl in Reihe als auch parallelgeschaltet sind. (Bild: Adobe Stock 119127076, chesky)

Bild 1: Batteriesätze von Elektrofahrzeugen bestehen aus mehreren Modulen, die sowhl in Reihe als auch parallelgeschaltet sind.

Bild 1: Batteriesätze von Elektrofahrzeugen bestehen aus mehreren Modulen, die sowhl in Reihe als auch parallelgeschaltet sind. class="image-src">Adobe Stock 119127076, chesky

Die Batteriesätze von Elektrofahrzeugen (Bild 1) bestehen aus mehreren, ihrerseits aus zahlreichen Zellen zusammengesetzten Modulen, die sowohl in Reihe als auch parallelgeschaltet sind. Das in der Umgebung des Batteriesatzes sowie im gesamten Fahrzeug installierte Batteriemanagement-System (BMS) setzt sich aus Überwachungs-Bauteilen in Zellnähe sowie aus auf die Leistungswandler-Stufen abgestimmte Controller oder eingebettete Prozessoren an strategisch wichtigen Punkten zusammen.

Intelligente Zellenüberwachung

Während des Ladens und Entladens einer Elektrofahrzeug-Batterie ist es unerlässlich, jede einzelne Zelle des Batteriesatzes engmaschig und präzise zu überwachen, denn jegliche aus dem Sollbereich geratenen Bedingungen können (im günstigsten Fall) zu internen Schäden an der Batterie und am Fahrzeug führen, im schlimmsten Fall aber die Sicherheit der Fahrzeuginsassen gefährden.

Im Regelfall kommt ein Batteriemanagement-IC (BMIC) oder Cell Balancer zum Einsatz, um die Spannung jeder einzelnen Zelle eines Moduls, die Temperatur an verschiedenen Stellen des Moduls und weitere Bedingungen zu überwachen. Die erfassten Daten gelangen dann an einen Cell Management Controller (CMC) sowie – abhängig von der Komplexität des Systems – an übergeordnete Verarbeitungselemente wie Batteriemanagement-Controller (BMC). Die Genauigkeit dieser Messungen und die Häufigkeit der Kommunikation zwischen BMIC, CMC und BMC entscheiden darüber, ob ein problematischer Zustand rechtzeitig erkannt wird. Zum Beispiel kann der BMC das regenerative Bremsen unterbinden oder die Energieentnahme aus dem Batteriesatz drosseln. Gegebenenfalls wird der Fahrer durch Aufleuchten einer Kontrollleuchte im Armaturenbrett auf die Situation aufmerksam gemacht. Ungeachtet dessen müssen die BMICs in der Lage sein, sehr genaue Messungen vorzunehmen und eine betriebssichere Kommunikation mit den CMCs aufrechtzuerhalten, damit der BMC zeitnah Abhilfemaßnahmen einleiten kann.

Wegen des hohen Aufkommens an elektrischen Störbeeinflussungen stellt ein Elektrofahrzeug ein sehr anspruchsvolles Umfeld für das Design eines effektiven Kommunikationsnetzwerks dar. Nicht selten hängt die Robustheit der Kommunikation zwischen BMICs und CMCs vom gesamten Design und dem Routing des Netzwerks ab, das die verschiedenen Komponenten des BMS miteinander verbindet.

Ein BMC bündelt die Spannungsinformationen der CMCs, die die vielen Zellen im Batteriesatz überwachen. Außerdem berechnet er den Ladezustand (State Of Charge, SOC) der Batterie, woraus die Berechnung der Restladung und damit die noch verbleibende Fahrstrecke ermittelt wird. Die Berechnung des State of Health (SOH) liefert wichtige Einblicke in die Betriebsbedingungen der Batterie und ermöglicht dadurch Prognosen über ihre verbleibende Lebensdauer und gibt Empfehlungen zu etwaigen Instandhaltungsmaßnahmen.

 

Was MCUs im Batteriemanagement und beim Laden konkret leisten können, erfahren Sie auf der nächsten Seite.

Intelligentes Batteriemanagement

Bild 2: Je nach Komplexität des Fahrzeugs überwachen und koordinieren mehrere Mikrocontroller kritische Aspekte der Batterie und des Stromversorgungs-Subsystems.

Bild 2: Je nach Komplexität des Fahrzeugs überwachen und koordinieren mehrere Mikrocontroller kritische Aspekte der Batterie und des Stromversorgungs-Subsystems. Texas Instruments

Abhängig von der Komplexität des jeweiligen Fahrzeugs überwachen und koordinieren mehrere Mikrocontroller (MCUs) verschiedene kritische Aspekte der Batterie und des Stromversorgungs-Subsystems (Bild 2). In der Regel bestehen diese MCUs aus mehreren Cores. Einige enthalten möglicherweise ausschließlich RISC-Prozessoren (Reduced Instruction Set Computer) wie zum Beispiel ARM-Cores, während andere, für besonders rechenintensive Aufgaben vorgesehene MCUs meist mit einem oder mehreren DSP-Cores (Digital Signal Processing) ausgestattet sind (zum Beispiel die C28x DSP-Cores von TI).

Im Zusammenwirken mit den BMICs spielen die CMCs eine wichtige Rolle in dem Bemühen, die Leistungsfähigkeit und eine lange nutzbare Lebensdauer der Batterie zu gewährleisten. Zum Beispiel können die BMICs während eines Ladevorgangs feststellen, dass eine der Batteriezellen infolge von Wärmeeinwirkung so beeinträchtigt ist, dass sie sich nur noch auf 4,1 V auflädt, während die übrigen Zellen eine Spannung von 4,2 V erreichen. In diesem Fall lässt sich der Ladevorgang so koordinieren, dass keine Zelle auf mehr als 4,1 V aufgeladen wird.

Die Fähigkeit, in Echtzeit zu reagieren, ist entscheidend für ein Echtzeitsystem, besonders wenn dieses mit 100 km/h herumfährt. Ein BMIC muss deshalb in der Lage sein, dem CMC häufig – das heißt im Abstand von Mikrosekunden – die von ihm überwachten Zustände zu melden, damit entweder der CMC selbst oder ein übergeordneter Controller schnell die eventuell erforderlichen Abhilfemaßnahmen einleiten und eine Verschlimmerung der Lage abwenden kann. Eine Maßnahme kann beispielsweise die Reduzierung der Energieentnahme aus dem Batteriesatz sein, um ein Überhitzen zu vermeiden.

Intelligentes Laden

Voraussetzung für effizientes und sicheres Laden und Entladen der Batterie ist die Anwendung eines gewissen Maßes an Intelligenz seitens des kontrollierenden Mikrocontrollers, da sich die Parameter der Batterie mit der Zeit ändern. Ein für das Laden der Batterie zuständiger Mikrocontroller muss sich in Echtzeit auf die veränderlichen Eigenschaften der Batterie (Oxidation der Anschlüsse, geänderte Zellenspannungen, etc.) einstellen können. Besonders während des Ladens muss die MCU umgehend auf Überspannungen reagieren, da die Batterie sonst überhitzen und in Brand geraten kann.

Beim Design von Batterielademodulen können übergeordnete, mit DSP-Cores und speziellen Coprozessoren oder auch hardwarebasierten Beschleunigern ausgestattete MCUs zum Einsatz kommen, um besondere Echtzeitanforderungen für die Regelung des Eingangsstroms, der DC-Zwischenspannung, des Batterieladestroms und der Batterie-Klemmenspannung von Bordladegeräten zu erfüllen. Derartige Regelkreise erfordern die Verwendung rechenintensiver Algorithmen (beispielsweise PID-Regler oder Two-Pole/Two-Zero-Kompensatoren). Ein Mikrocontroller, der einen oder mehrere DSP-Cores mit speziellen Befehlssätzen für besondere trigonometrische Funktionen mitbringt, kann die Zahl der für diese Algorithmen benötigten Prozessorzyklen deutlich reduzieren. Während beispielsweise ein RISC-Core 60 Zyklen für die Ausführung einer rechenintensiven Sinus- oder Cosinusoperation benötigt, kann ein DSP-Core dasselbe Ergebnis mit zwei oder drei Zyklen errechnen.

Die Hersteller von Elektrofahrzeugen und Stromversorgungen können sich auch die Anpassungsfähigkeit und Vielseitigkeit von Digital-Power-MCUs zunutze machen, um mit ein und demselben Softwaregerüst ähnliche Stromversorgungs-Topologien mit unterschiedlicher Leistung, verschiedenen Ein- und Ausgangsspannungen sowie verschiedenen PWM-Frequenzen zu regeln. Diese Anpassungsfähigkeit ist gerade heute besonders wichtig, da Leistungswandler-Bauelemente mit immer neuen Innovationen und Werkstoffen auf den Markt kommen.

 

Warum gerade bei der Sicherheit keine Kompromisse einzugehen sind und wie wichtig eine schnell reagierende Steuerung dabei ist, zeigt der Artikel auf der folgenden Seite.

Innovationen bei Leistungsstufen

Besondere Bedeutung haben die Wide-Bandgap-Technologien (zum Beispiel mit SiC und GaN), die für Bord-Ladegeräte von Elektrofahrzeugen verfügbar werden. Diese Technologien eignen sich besser für den Direktanschluss an das Stromnetz und ermöglichen es den Elektrofahrzeug-Herstellern, Größe und Gewicht der Bord-Ladegeräte zu verringern, was sich wiederum durch eine größere Reichweite pro Akkuladung auszahlt. Zusätzlich wurde bei diesen Technologien für Leistungsstufen die Energieeffizienz verbessert, sodass die Verluste beim Laden geringer werden und kürzere Ladezeiten möglich sind.

Bild 3: C2000-Mikrocontroller steuert hier eine zweiphasige, im Interleaved-Betrieb arbeitende Totempole-PFC-Stufe.

Bild 3: Ein C2000-Mikrocontroller steuert hier eine zweiphasige, im Interleaved-Betrieb arbeitende Totempole-PFC-Stufe. Texas Instruments

Bild 4: Hier steuert ein C2000-Mikrocontroller einen Gleichspannungswandler mit Vollbrücken-LLC-Architektur im BMS.

Bild 4: Hier steuert ein C2000-Mikrocontroller einen Gleichspannungswandler mit Vollbrücken-LLC-Architektur. Texas Instruments

GaN-Leistungsstufen wie der LMG3410 sind für eine hohe Leistung von bis zu 600 W ausgelegt und besitzen einen GaN-FET, einen optimierten Treiber und Schutzfunktionen gegen Überspannungen und Überströme. SiC eignet sich besonders für Schalt-Bauelemente in Batterielade-Anwendungen für AC/DC- und DC/DC-Wandler (siehe Bilder 3 und 4).

Sicherheit

Bei jedem Designprojekt gilt es Kompromisse zwischen verschiedenen Designvorgaben wie zum Beispiel Kosten, Leistungsfähigkeit und Langlebigkeit zu schließen. Die einzige Ausnahme bei einem Stromversorgungssystem für Elektrofahrzeuge ist hier das Thema Sicherheit. Ganz oben auf der Liste der Sicherheitsprobleme steht das thermische Durchgehen, das die Fahrzeugbatterie in Brand setzen kann. Zu einem thermischen Durchgehen kann es infolge verschiedener Fehlfunktionen kommen – zum Beispiel durch Überladen oder zu schnelles Entladen. Zur Abwendung von Ereignissen, die die Sicherheit gefährden, muss das BMS in der Lage sein, die Betriebsparameter zu überwachen, Änderungen zu detektieren und die CMCs oder BMCs zu informieren, damit diese Abhilfemaßnahmen einleiten können. Ein weiteres unerlässliches Sicherheits-Feature ist die Fähigkeit herauszufinden, ob Alarme echt sind und nicht etwa durch einen Fehler im BMS ausgelöst wurden. Auch muss das BMS über eine eingebaute Schutzfunktion verfügen, die umgehend die richtige und effektivste Maßnahme ergreift, um ein Durchgehen abzufangen, bevor eine gefährliche Situation eintritt.

Als Minimum müssen die verwendeten Bauelemente gemäß AEC-Q100 qualifiziert sein. Darüber hinaus müssen die Bauteile eines BMS jedoch die in der Norm ISO 26262, dem Funktionssicherheits-Standard für Elektrofahrzeuge, definierten Sicherheitsfunktionen unterstützen. Zum Beispiel verlangt die ISO 26262, dass das BMS in der Lage sein muss, die Betriebsbedingungen zu analysieren und das potenzielle Risiko zu beurteilen, das die Änderung eines Parameters für das Fahrzeug und seine Insassen darstellen kann.

Die Erfüllung der funktionalen Voraussetzungen der ISO 26262 bedeutet, dass es sich bei dem BMS um ein ausfallsicheres System mit redundanten Ressourcen handeln muss. Alle Verarbeitungseinheiten müssen über eigene Funktionen wie zum Beispiel Speicher und mehrere A/D-Wandler verfügen. Abgesehen davon muss das BMS mit Selbstdiagnose-Fähigkeiten aufwarten, um sicherzustellen, dass es korrekt funktioniert und keine Fehlalarme erzeugt. Ein unverzichtbares Element eines BMS sind schließlich auch reaktionsschnelle Schutzmechanismen, damit ein Batteriesatz oder ein anderes Funktionselement umgehend abgeschaltet werden kann, wenn ein thermisches Durchgehen detektiert und verifiziert wird.

 

Auf der nächsten Seite gibt der Beitrag einen Überblick über verfügbare MCUs von Texas Instrument fürs intelligente BMS.

MCUs fürs intelligente BMS

Einige der fortschrittlichsten MCUs, die in den Stromversorgungssystemen von Elektrofahrzeugen zum Einsatz kommen, enthalten zwei Cores, die einander spiegeln und im Lockstep-Betrieb arbeiten. Dabei wird jeder Prozessor bei jedem ausgeführten Befehl verglichen und validiert. Auf der Bauelemente-Ebene ansetzende Diagnosetechniken wie der Error Correction Code (ECC) im Speicher tragen dazu bei, die Genauigkeit der Daten im System zu gewährleisten, und arbeiten den systemweiten Selbstdiagnose-Funktionen zu.

Den MCUs des Typs Hercules TMS570 von TI wurde vom TÜV Süd bescheinigt, dass sie die Anforderungen der Norm ISO 26262:2011 bis ASIL D erfüllen. Die MCUs bilden eine skalierbare Familie mit einheitlichen Funktions- und Sicherheits-Architekturen. Die pinkompatiblen MCUs sind mit 128 KB bis 4 MB Flash-Speicher und Taktfrequenzen von 80 MHz bis 300 MHz verfügbar.

Die Hercules-TMS570-MCUs unterstützen den Dual-Core CPU-Lockstep/Compare-Betrieb und die ECC-Echtzeitdiagnose und bieten darüber hinaus hardwarebasiertes CPU Logic Built-In Self-Test (LBIST) und SRAM Programmable Built-In Self-Test (PBIST). Diese hardwarebasierten Sicherheits-Features helfen bei der Diagnose von Fehlern in betriebsentscheidenden Funktionsabschnitten und bringen es bei minimalem Softwareaufwand auf eine hohe Diagnoseüberdeckung.

Die C2000-MCUs bieten nicht nur die von BMS-Anwendungen benötigte DSP-Rechenleistung, sondern tragen auch den Anforderungen des gesamten Regelungssystems in Bezug auf die funktionale Sicherheit Rechnung. Redundante ADCs und mehrere analoge Komparatoren deaktivieren die PWM-Stufen umgehend, sobald ein analoges Signal den vorgegebenen Bereich verlässt, und bieten damit die nötigen Diagnosen zum Schutz der Eingangssignale, gleich ob es sich dabei um die Temperatur, die Batteriespannung oder ein anderes kritisches Signal handelt.

 

Dieser Beitrag ist in der emobility tec, dem technischen und technologischen Fachmedium für Hybridfahrzeuge und Elektromobilität, erschienen.

Sang Chon

Sang Chon-web
C2000 MCU Automotive Marketing Manager bei Texas Instruments

Jon Beall

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Monitoring & Protection BMS Marketing Manager bei Texas Instruments

(na)

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