Batteriepack

Bild 1: Batteriepack und Verdrahtung im Elektroauto (Quelle: Shutterstock / Sergii Chernov)

| von Martin Probst

Der Antrieb von Elektrofahrzeugen (EVs) besteht aus großen Batteriepacks (Bild 1), die aus langen, in Reihe geschalteten Batteriesträngen aufgebaut sind. Diese können Betriebsspannungen von mehr als 800 V und einen durchschnittlichen Strom von 40 A erreichen. Dabei überwachen Steuermodule die Spannung jeder einzelnen Zelle. Geeignete Kontrollalgorithmen achten darauf, dass sich die Spannungsunterschiede zwischen den Zellen in einem engen Toleranzbereich bewegen. Die Junction-Box steuert die Hochspannungsanschlüsse für das Ladesystem, den Wechselrichter/Motor und das Batteriepack. Ebenso misst dieses Modul Hochspannungsverbindungen, Ströme und Isolationswiderstände und übermittelt die erfassten Daten an das Hauptsteuergerät für State of Charge (SoC)- und Leistungsberechnungen, die Überwachung des Fahrzeugstatus und die Gewährleistung der Sicherheit unter verschiedenen Fahrzeugbedingungen.

Doch wie sieht die Struktur eines typischen EV-Batteriesystems mit der zugehörigen Junction Box aus? Aktuelle Junction-Box-Designs sind schlanker, besser in das System integriert und können Messungen melden, die mit dem Rest des Systems zeitlich abgestimmt sind.

Systemarchitektur
Bild 2: Typische Systemarchitektur eines Batteriepacks.

Verteilte Batteriesystemarchitektur

Bild 2 zeigt ein typisches verteiltes Batteriesystem. Auf der linken Seite des Batteriepacks befinden sich beispielsweise acht Steuerungsmodule (N = 8) auf der Hochspannungsplatine, die jeweils 14 Reihen von Zellen (K=14) steuern, wobei jede Reihe aus 70 Batterien in Parallelschaltung besteht – daraus ergibt sich eine Zusammenstellung von 7.840 Li+-Batterien. Zwischen dem Mikroprozessor und dem ersten Modul sowie von einem Modul zum nächsten ist eine Isolierung erforderlich. Die ermittelten Daten werden an den Mikrocontroller auf der Niederspannungsplatine weitergegeben.

Auf der rechten Seite des Batteriepacks erfasst die Junction-Box sechs kritische Spannungsknoten (Schaltschütz X und Isolation ISO_RES), während ein Hall-Sensor den Strom misst. Die hier ermittelten Daten leitet die Junction-Box weiter an einen zweiten Mikroprozessor.

Die Überwachung der Schützspannungsknoten ist wichtig für die Überprüfung des Zustands der Batterien, wenn die Schaltschütze geschlossen und wenn sie geöffnet sind. Sie ist sicherheitskritisch, da sie dem System auch mitteilt, wann sich die Schütze im richtigen Zustand befinden.

Optimierte Systemarchitektur
Bild 3: Optimierte Systemarchitektur eines Batteriesystems. (Quelle: Maxim Integrated)

Optimierte Systemarchitektur

In der optimierten Implementierung, wie sie Bild 3 zeigt, kommen DC-Sperrkondensatoren oder Transformatoren zum Einsatz, um Daisy-Chain-Geräte zu isolieren, die mit unterschiedlichen Gleichtaktspannungen arbeiten. In der Verkettung zwischen den Modulen lassen sich auch kostengünstige Kondensatoren verwenden, was die Systemkosten reduziert. Darüber hinaus ist die Daisy Chain erweiterbar, um den Datenerfassungs-IC der Junction Box einzubinden. Dieser macht einen lokalen Mikroprozessor überflüssig und ermöglicht einen zeitlichen Abgleich zwischen den Messungen der Junction Box und denen der Batteriemodule. Dieser Zeitabgleich ist wichtig, weil er eine bessere Korrelation für das Energiemanagement und die Berechnungen ermöglicht. Schließlich verfügt der Hochspannungs-Datenerfassungs-IC der Junction Box über eine Stromerfassungsfunktion, die eine flexible Verwendung entweder eines Shunt-Widerstands oder eines Hall-Effekt-Stromsensors oder beider (Redundanz) ermöglicht.

Schaltbild eines Batteriesystems
Bild 4: Messung des Isolationswiderstandes der Batterie. (Quelle: Maxim Integrated)

HV-Datenerfassung mit Strommessung

Ein Beispiel für ein flexibles Datenerfassungssystem für das Management von Hoch- und Niederspannungs-Batteriemodulen ist der Batterieüberwachungs-IC MAX17852 von Maxim Integrated. Das System kann 14 Zellspannungsknoten oder sieben massebezogene Hochspannungsknoten, einen Strom und eine Kombination aus vier Temperatur- oder Systemspannungsmessungen mit voll redundanten Messmodulen in 263 μs messen. Mit dem SAR-ADC-Messmodul kann es sogar alle Eingänge in 156 μs abfragen.

Dieser hochintegrierte Batteriesensor verfügt über einen Hochgeschwindigkeits-Differenzial-UART-Bus für robuste serielle Daisy-Chain-Kommunikation, der für maximale Störfestigkeit ausgelegt ist. Damit lassen sich bis zu 32 Geräte in Reihe schalten. Die einfache Verkettung ermöglicht eine zeitliche Abstimmung zwischen der Junction-Box und den Batterieüberwachungsmessungen. Dementsprechend werden Zellspannung, Stromschienenmessungen, Packspannung, Packstrom, Schützspannungen und Temperaturmessungen innerhalb von 10 µs abgeglichen.

Das System verwendet das Batteriemanagement-UART- oder SPI-Protokoll von Maxim für eine robuste Kommunikation und unterstützt eine I2C-Master-Schnittstelle für die externe Gerätesteuerung. Es ist optimiert, um einen reduzierten Funktionssatz interner Diagnosen und eine schnelle Alarmkommunikation sowohl über die Embedded-Kommunikation als auch über die Hardware-Alarmschnittstellen zu unterstützen, um die Anforderungen von ASIL-D und FMEA zu erfüllen.

Isolationswiderstands-Kurve
Bild 5: Isolationswiderstands-Kurve des Batteriesystems.

Messung der elektrischen Isolation der Batterie

Das amerikanische Department of Transportation (TP-305-01) schreibt für die Messung der elektrischen Isolation der Batterie einen Widerstand vor, der etwa das 500-fache der Nennbetriebsspannung des Fahrzeugs gemäß SAE 1766 zwischen der negativen (positiven) Seite der Antriebsbatterie und dem Fahrzeugchassis beträgt, nämlich 200 kΩ für 400 V. Dementsprechend kann der Isolationswiderstand RLEAK- (RLEAK+) zwischen dem Chassis und der positiven (negativen) Batterieseite mit dem in Bild 4 gezeigten Netzwerk erfasst und als Spannung im AUX-Pin des Datenerfassungs-ICs angezeigt werden.

Die Grafik in Bild 5 zeigt die Kurven für RLEAK+ und RLEAK-: Der Isolationswiderstand RLEAK- in Höhe von 200 kΩ erzeugt eine erfasste Spannung VAUX von 2,18 V, während sich aus einem Isolationswiderstand RLEAK+ von 200 kΩ eine erfasste Spannung von 1,08 V ergibt.

Fazit

Elektrofahrzeuge arbeiten mit hohen Spannungen und Stromstärken. Um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten, müssen elektrische Verbindungen wie Kontaktwiderstand, Ströme und Isolationswiderstand zwischen Hochspannungs- und Niederspannungsplatinen überwacht werden. Ein klassisches EV-Batterie- und Junction-Box-System erweist sich als sehr komplex. Ein Datenerfassungs-IC von Maxim Integrated macht aufgrund seiner rauscharmen, kapazitiv isolierten Daisy-Chain-Kommunikationsarchitektur einen auf die Junction-Box zugeschnittenen Mikroprozessor überflüssig. Er ermöglicht auch die zeitliche Synchronisation zwischen der Junction Box und der Zellspannungsmessung. Die integrierte Strommessung macht den Hall-Effekt-Stromsensor überflüssig. Die SAR-ADC-Architektur erlaubt mehrere Messungen bei minimalem Zeitaufwand.

Kostenlose Registrierung

Newsletter
Bleiben Sie stets zu allen wichtigen Themen und Trends informiert.
Das Passwort muss mindestens acht Zeichen lang sein.

Ich habe die AGB, die Hinweise zum Widerrufsrecht und zum Datenschutz gelesen und akzeptiere diese.

*) Pflichtfeld

Sie sind bereits registriert?