Ultrabreitband-Technologie für das Batteriemanagement von E-Autos

Während der Markt für Elektrofahrzeuge wächst, sind Innovationen im Bereich Batterietechnologie entscheidend für den Erfolg. Batteriemanagementsysteme (BMS) verbessern die Batterieleistung durch Überwachung und Steuerung des Betriebs, erhöhen die Fahrzeugsicherheit und ermöglichen eine effizientere Produktion von Elektrofahrzeugen. Zudem spielen BMS-Lösungen auch eine Rolle bei der Einhaltung gesetzlicher und behördlicher Vorschriften. Beispielsweise liefern sie wichtige Informationen für den digitalen Batteriepass der EU, der gemäß einer neuen Verordnung bald erforderlich sein wird.

Doch vordergründig müssen Batteriepacks für Elektroautos vor allem Platz sparen. Darüber hinaus führt die Komplexität ihrer Herstellung leicht zu zusätzlichen Kosten, die die schnell skalierenden Anbieter von Elektroautos unbedingt in den Griff bekommen müssen. Gleichzeitig werden BMS-Lösungen für die Zuverlässigkeit und Sicherheit von Elektrofahrzeugen immer wichtiger. Die Automobilhersteller benötigen daher leistungsfähige Batteriemanagementsysteme, die sich zugleich einfach in ihre Konstruktions- und Fertigungsprozesse integrieren lassen.

Vor diesem Hintergrund werden Innovationen im Bereich der Drahtlos-Technologien für die Elektrofahrzeugindustrie immer wichtiger. Insbesondere die jüngsten Fortschritte bei der Ultrabreitband-Technologie (UWB) in BMS-Lösungen, welche eine kabellose Kommunikation innerhalb von Batteriepacks ermöglichen, erweisen sich als wegweisend.

Um die Vorteile eines drahtlosen BMS-Designs zu verstehen, lohnt sich ein kurzer Blick auf die Eigenschaften aktueller Batteriepacks. Ein typisches Batteriepack für Elektroautos ist in mehrere Module unterteilt, um eine leicht skalierbare Architektur zu gewährleisten. Jedes Modul enthält wiederum mehrere Batteriezellen, die zu ihrem Schutz durch das BMS genau überwacht werden. Schließlich steuert ein Prozessor das System und sammelt Daten wie Spannung, Stromstärke oder Temperatur, um sicherzustellen, dass es sicher und effizient arbeitet. Für all das war bisher eine Verkabelung notwendig. Drahtlose Technologien machen dies überflüssig und bieten dafür erhebliche Vorteile.

Denn der Einsatz drahtloser Technologien bedeutet natürlich einerseits weniger Verkabelung innerhalb eines Batteriepacks, was wiederum Gewicht und Platz spart. Andererseits ermöglicht das optimierte Design eine höhere Energiedichte bei gleichem Platzbedarf und damit eine größere Reichweite.

Außerdem verbessert sich durch drahtlose BMS-Lösungen die Zuverlässigkeit, da sich die Verkabelung im Laufe der Zeit abnutzen oder lösen kann. Ist eine Generalüberholung erforderlich, kann ein Funkmodul ganz einfach ausgetauscht werden. Alternativ kann es wiederverwendet werden, wenn das Elektrofahrzeug am Ende seines Lebenszyklus angelangt ist, was aus einer Nachhaltigkeitsperspektive besonders vorteilhaft ist.

Am wichtigsten ist jedoch die Effizienzsteigerung bei der Herstellung von Elektrofahrzeugen. Der Grund dafür ist, dass die Verkabelung innerhalb der Batteriepacks sehr komplex und schwierig zu automatisieren ist. Kabelbasierte Batteriesysteme erfordern den Einsatz sehr empfindlicher Kabel und Stecker, die präzise und manuell unter Berücksichtigung von Hochspannungskonfigurationen verarbeitet werden müssen. Dies wiederum ist enorm fehleranfällig. Ein drahtloses System eliminiert diese Komplexität und ermöglicht so eine automatisierte Montage. Dadurch kann die Produktion rationalisiert werden, und die Automobilhersteller können ihre Fahrzeuge schneller und kostengünstiger auf den Markt bringen.

Wenn es um kabellose Technologien für Batteriemanagementsysteme geht, sind nicht alle Optionen gleich gut. Der Einsatz von Ultrabreitband (UWB) bietet hierbei wichtige Vorteile gegenüber anderen drahtlosen Technologien, wie schmalbandige 2,4 GHz Funksysteme (z. B. Bluetooth Low Energy).

Zum Vergleich: UWB kodiert Datenbits in extrem schmale Impulse, wodurch ein Signal mit einer sehr großen Bandbreite des Frequenzspektrums entsteht. Die Impulsbreite eines UWB-Signals liegt in der Größenordnung von 2 Nanosekunden und jeder Impuls enthält Informationen über BMS-Messungen wie Temperatur oder Spannung. Diese Messergebnisse werden auf die Trägerfrequenz hochkonvertiert, z. B. circa 8 GHz für UWB-Kanal 9. Es ist sogar möglich, den Übertragungsprozess zu verschlüsseln, um Sicherheit und Integrität zu gewährleisten.

Aber was genau macht UWB mit all diesen Eigenschaften besser als andere drahtlose Technologien? Das liegt in erster Linie an der Robustheit für die Umgebung, die sich innerhalb des Batteriepacks befindet.

Innerhalb des Batteriepacks gibt es viele metallene Oberflächen, an denen die Signale reflektiert und hin und her geworfen werden können. Dadurch entsteht eine Umgebung mit selektivem Hochfrequenz-Fading. Das bedeutet, dass sich die reflektierten Funksignale teilweise selbst auslöschen können, wenn sie über mehrere Wege den Empfänger erreichen. Darüber hinaus können unvorhersehbare Störungen von außerhalb der Batterieumgebung die Komplexität des Systems weiter erhöhen. Unter solchen Bedingungen benötigen Schmalbandsysteme im Gegensatz zu UWB komplexe adaptive Kanalalgorithmen, um Interferenzen oder Reflexionen in den Griff zu bekommen.

Bei UWB hingegen beeinträchtigen die durch Reflexionen verursachten, schmalen Frequenzeinbrüche im Band die Signalqualität kaum, da die Energie auf eine große Bandbreite verteilt wird. Mit anderen Worten, das Signal ist in der Batteriepack-Umgebung widerstandsfähiger als beim Schmalband, was eine stabile Datenkommunikation ermöglicht. Dank seiner Robustheit unterstützt UWB eine Datenübertragungsrate von 7,8 Mbit/s – deutlich mehr als viele Schmalband- oder sogar kabelgebundene Technologien.

Die Zukunft des BMS bedeutet höhere Leistung bei geringerer Fertigungskomplexität

Die UWB-Technologie stellt einen bedeutenden Durchbruch in der Batterietechnologie dar. Dank der hohen Leistung in der anspruchsvollen Umgebung innerhalb von Elektroauto-Batteriepacks können Automobilhersteller komplexe und teure kabelgebundene Lösungen hinter sich lassen. Die Leistung wird dabei gesteigert, ohne die Zuverlässigkeit zu beeinträchtigen.

Das Ergebnis sind langlebigere, effizientere, sicherere und leistungsstärkere Batteriesysteme für Elektrofahrzeuge, von denen Hersteller und Endverbraucher gleichermaßen profitieren. (na)