Das Transportwesen wird nachhaltig

Ermöglicht wird dies, indem die Elektrifizierungslösungen einen optimierten Betrieb des Elektrofahrzeugs sowie einen höheren Wert der Batterie über die Lebensdauer erreichen und damit die Gesamtbetriebskosten von Elektrofahrzeugen senken. ADI arbeitet mit OEMs, Tier-1-Zulieferern, Batterieherstellern, Energieversorgungsunternehmen und anderen Interessengruppen zusammen, um ein Informations-Ökosystem aus Batteriedaten aufzubauen, das bisher nicht möglich war.

Zukunftsgerichtete Politik, technologischer Fortschritt und Nachhaltigkeitsinitiativen der Automobilindustrie sind starke Kräfte, welche die Einführung von Elektrofahrzeugen auf dem Massenmarkt beschleunigen. Für viele Endkunden sind Elektrofahrzeuge allerdings noch immer nicht erschwinglich, und andere Verbraucher sind sich deren Nutzen immer noch nicht bewusst.

Die Wirtschaftspolitik kann die EV-Agenda bis zu einem gewissen Grad unterstützen. Darüber hinaus müssen jedoch disruptive Innovationen im Bereich der Elektrifizierungstechnologie für das Transportwesen und das Energieversorgungsnetz sowie Unternehmensdienstleistungen den Weg weisen, um restliche Hindernisse für die Einführung von Elektrofahrzeugen zu beseitigen.

Technologieunternehmen kommt eine wichtige Rolle zu. Ein wichtiger Faktor, der Elektrofahrzeuge erschwinglicher macht, sind intelligentere, effizientere Batteriepacks und Antriebsstränge. Diese Systeme müssen betriebssicher (Safety) sowie vor Cyberangriffen geschützt (Security) und robust sein, um Nutzern eine hohe Leistungsfähigkeit über die gesamte Lebensdauer des Fahrzeugs zu garantieren.

Fortschrittliche Technologien sind erforderlich, um die besten Batteriezellen herzustellen, den Zusammenbau von Batteriepacks mit Robotern zu ermöglichen und den Einsatz von kobaltfreien Chemien wie LFP (Lithium-Eisenphosphat) zu unterstützen. Ferner müssen die Technologien einen Lebenszyklus-Kreislauf von Batterien wie das Recycling oder die Wiederverwendung in Energiespeichersystemen unterstützen.

ADI Recharge, das Lösungsportfolio von Analog Devices für die Elektrifizierung, verleiht der gesamten Wertschöpfungskette im Automobilbereich, darunter Fahrzeug- und Fuhrparkbesitzer, OEMs und Tier-1-Lieferanten, disruptive Fähigkeiten. Das Portfolio umfasst Lösungen für Batterien, Ladegeräte im Fahrzeug, Powermanagement, Isolationstechnologie und mehr. In ihrer Gesamtheit verwandeln die Lösungen die Batterie und den Antriebsstrang von Elektrofahrzeugen in einen technologisch fortschrittlichen Teil der Gesamtfähigkeiten des Fahrzeugs.

Von zentraler Bedeutung ist das Batteriemanagementsystem (BMS) von ADI. Dabei handelt es sich um eine Komplettlösung auf Systemebene, die Hardware, Softwaretreiber und Tools um-fasst und Updates über eine Funkstrecke ermöglicht. Das BMS erfüllt die Anforderungen von ISO 21434 CAL-4 und weist daher die höchste Qualifikation für Cybersicherheit im Automobilbereich auf.

Das Netzwerkprotokoll von ADI unterstützt sowohl den leitungsgebundenen als auch den drahtlosen Betrieb. Die Lösung ermöglicht es OEMs, Elektrofahrzeug-Designs über Fahrzeugflotten hinweg zu skalieren und bringt zudem Intelligenz zu den Batteriezellen am Netzwerkrand (Edge). Die Lösung verwandelt den Batteriepack in eine softwaredefinierte Plattform und das Fahrzeug in einen datensicheren, vernetzten Knoten am Netzwerkrand.

ADI leistet seinen Beitrag für ein neues Ökosystem, in dessen Rahmen Batteriedaten in Echtzeit ermittelt und innovative Lösungen zum Einsatz kommen können. Diese Daten helfen Besitzern von Elektrofahrzeugen oder Fahrzeugflotten, eine längere Batterielebensdauer zu erzielen und die Betriebsleistung der Fahrzeuge zu optimieren.

Als Basis dienen dabei die ADI-Technologien zum hochgenauen Überwachen von Batteriezellen, die sich in der Branche bereits bewährt haben. Auf dieser Grundlage liefert die Lösung des Unternehmens in Echtzeit Einblicke in Batteriedaten. Für diese Aufgabe kommen intelligente und datensichere Funktionen am Netzwerkrand, eingebettete Software und drahtlose Kommunikationsverbindungen zum Einsatz, die für die Entwicklung neuer Systeme und Services für den gesamten Batterielebenszyklus entscheidend sind.

Damit erhalten Besitzer von Elektrofahrzeugen oder Fahrzeugflotten die Möglichkeit, von einer wertorientierten Preisgestaltung zu profitieren. Hersteller und Zulieferer hingegen können die variablen Kosten bei geringeren Gemeinkosten optimieren. Gleichzeitig lässt sich die Zeit bis zur Markteinführung verkürzen und die Effizienz von Produktionslinien steigern. Die Technologie trägt aber auch dazu bei, die Voraussetzungen zu schaffen, damit Elektromobilität und das nachhaltige Stromversorgungsnetz besser zusammenwachsen können. Die Plattform von ADI für Einblicke in die Batterie besteht dabei im Wesentlichen aus den Elementen Sensoren/Datenquelle, Edge Node, Insights-Plattform, RF-MCU und BMS-ECU.

Intelligente Sensoren, die sich direkt an den Batteriezellen befinden, nehmen Daten auf und liefern diese drahtlos an eine zentrale Managementplattform, welche die Daten über den Zustand der Batterie verarbeitet und an das BMS-Steuergerät weiterleitet. ADI stellt einen produktionstauglichen Softwareblock zur Verfügung, von dem aus auf die gewonnenen Erkenntnisse zugegriffen werden kann. Die Plattform lässt sich über einfache APIs neu konfigurieren.

Edge Node analysiert Ladezustand und Abnutzungsgrad

Der erste und wichtigste integrierte Schaltkreis, der direkt mit den Batteriezellen verbunden ist, ist ADIs Sensor der 7. Generation zur Überwachung von Batteriezellen. Das Bauteil baut auf ADIs Fähigkeiten im Bereich Sensorik auf und verfügt über neue Funktionen für richtungsweisende Dateneinblicke, denn der Sensor ermöglicht es, den Ladezustand und den Abnutzungsgrad der Batterie mit der branchenweit höchsten Genauigkeit über die gesamte Lebensdauer zu analysieren. Der Sensor nimmt 20-mal weniger Leistung auf als sein Vorgänger. Ein Teil der eingesparten Energie kann verwendet werden, um die aus den Einblicken über den Batteriezustand gewonnenen Daten am Netzwerkrand zu verarbeiten. Ein einziges IC kann Batteriestapel mit bis zu 100 V oder 24 in Serie geschaltete Zellen messen, was ihn zu einem hochintegrierten und energieeffizienten Batteriesensor macht.

Die Embedded-Software im IC steuert die Sensoraktivitäten und verarbeitet Daten, aus denen die Algorithmen Einblicke in den Batteriezustand liefern. Die gewonnenen Erkenntnisse lassen sich für Anwendungen wie Schnellladen und zum Erzielen größerer Reichweite nutzen, indem der Ladezustand (SoC) genauer eingeschätzt wird. Der äußerst robuste Funksendeempfänger und die Embedded-Netzwerksoftware der HF-MCU übertragen die gewonnenen Daten an die BMS-ECU. Jede HF-MCU enthält ein umfassendes Subsystem mit Security-Funktionen entsprechend ISO21434 CAL-4. Ein Schlüsselmerkmal ist die einzigartige sichere Identität jedes IC, die sich nutzen lässt, um Einblicke in das bisherige Leben jeder Batterie zu erhalten.

Algorithmen von ADI vereinen die verarbeiteten Daten von mehreren Knoten am Netzwerkrand (Edge Nodes), um Einblicke auf Batteriepack- und Fahrzeugebene zu gewinnen.

Wie können OEMs möglichst schnell vom Verbrenner auf Fahrzeuge mit Elektroantrieb umsteigen und dabei eine möglichst nachhaltige Wertschöpfung ermöglichen? ADI Recharge macht bestimmte Verkabelungen überflüssig. Dies vereinfacht die Fertigung und erhöht die Fertigungskapazität. OEMs können so die Effizienz von Produktionslinien optimieren, eine höhere Zuverlässigkeit erreichen, den Zusammenbau von Batteriepacks vereinfachen und die Herstellungskosten senken.

ADI Recharge eignet sich für alle Arten von Zell-Chemie, darunter auch besonders kostengünstige Batteriechemien. Aufgrund der erhöhten Modularität, die das System bei Batteriestacks ermöglicht, lässt sich die Herstellung von Elektrofahrzeugen flexibel vom Einstiegs- bis hin zum Premiumsegment skalieren.

Weil die drahtlose Architektur so robust ist, ermöglichen die Software- und Netzwerk-Upgrades eine Reduzierung der Anforderungen an die Batteriematerialien. Gegenüber einem leitungsgebundenen Netzwerk lässt sich ein drahtloses Netzwerk schnell und einfach implementieren, was die Entwicklungszeit erheblich verkürzt.

Der Batteriezellen-Überwachungssensor der siebten Generation von ADI ermöglicht auch Einsparungen auf architektonischer Ebene. So verringert beispielsweise die Fähigkeit, bis zu 24 Kanäle mit nur einem IC zu erfassen, die Anforderungen an die Kopplung. Ferner trägt die hohe elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) dazu bei, die Verwendung von externen Bauteilen, wie z. B. Kondensatoren, erheblich zu reduzieren.

Digitale Zwillinge für Batteriepacks

Das Zeitalter des Software-definierten Fahrzeugs hat begonnen. In diesem Rahmen ermöglicht das System von ADI hochgenaue digitale Zwillinge für Batteriepacks. Dies zielt auf das Konzept der korrekten Entwicklung von Anfang an (First time right) ab, indem extrem robuste HF-Leistung lange vor der Verfügbarkeit von Prototypen demonstriert wird. Dies hilft bei der verbesserten Entwicklung und Planung von Batteriepacks, während es gleichzeitig eine wesentlich höhere Kapitalrendite im Entwicklungsablauf ermöglicht.

Durch den Umstieg von leitungsgebundener auf drahtlose Kommunikation können herkömmliche Leitungen eingespart werden. Dies senkt nicht nur die Kosten, sondern eliminiert auch mögliche Fehlerquellen im Fahrzeug, die entstehen können, weil Leitungen und Stecker mit der Zeit altern oder ausfallen.

Ferner kann die Plattform während der Batteriefertigung und im Fahrzeugbetrieb intensive Batterietests durchführen. So lassen sich frühzeitig erste Anzeichen von Defekten oder Fehlern erkennen, die schwerwiegende Sicherheitsprobleme für die Endkunden hervorrufen könnten.

Cybersecurity und Batteriepass

Damit Unternehmen, die am Ökosystem beteiligt sind, neue Systeme und Mehrwertdienste rund um die Batteriedaten aufbauen können, sind Transparenz, Cybersicherheit und einfache Einsatzmöglichkeiten entscheidend. ADI hat diese Technologie als schlüsselfertige Lösung in die Massenproduktion eingebracht, wobei die Aspekte der Cybersicherheit in jede Ebene implementiert wurden. Das drahtlose Batteriemanagementsystem (wBMS) von ADI ist nach dem höchsten Standard für Cybersicherheit in der Automobilindustrie (ISO21434 CAL-4) zertifiziert. Jedes IC des wBMS hat eine sichere Identität – ein wichtiger Baustein für das Ziel der Branche, einen Batteriepass zu entwickeln.

In der wBMS-Insight-Plattform kommen Batteriezellen-Überwachungssensoren der siebten Generation von ADI sowie Edge-Algorithmen zum Einsatz, um ein schnelleres Laden, eine größere Reichweite und eine längere Batterielebensdauer zu ermöglichen und gleichzeitig die maximale Sicherheit zu gewährleisten.

Durch die Möglichkeit, Software-Updates durchzuführen, lässt sich die Leistungsfähigkeit von Batterie und Antriebsstrang kontinuierlich optimieren. Über die sichere drahtlose Verbindung besteht zudem die Möglichkeit, auch den Zustand von Batteriepacks auf einfache Weise zu analysieren. Bei einer Störung oder einem Defekt vereinfacht die drahtlose Konfiguration den Ausbau und Austausch.

Nahtloser Übergang zur Second-Life-Batterie

Batteriepacks machen mehr als 30 Prozent des Verkaufspreises von Elektrofahrzeugen aus. Durch diese Tatsache erhält die gesamte Wertschöpfungskette im Rahmen von Second-Life-Konzepten einen wirtschaftlichen Anreiz, einen Sekundärmarkt für Batteriepacks zu schaffen.

Das wBMS kann den Zustand der Batterie während der gesamten Lebensdauer genau verfolgen, um den Wiederverkaufswert des Batteriepacks zu ermitteln und so Vertrauen zwischen Käufern und Verkäufern schaffen. So besteht die Möglichkeit, Batterien als Vermögenswerte zu behandeln, mit denen sich ein Teil der Anfangsinvestitionen amortisieren lässt; die dadurch erreichbaren Einsparungen lassen sich möglicherweise an die Fahrzeug- oder Fahrzeugflottenbesitzer weitergeben.

Beim Einsatz des wBMS kann auf eine herkömmliche Verkabelung verzichtet werden. Dies ermöglicht eine schnellere und kostenbewusste Demontage von Batteriepacks sowie einen nahtlosen Weg zur Wiederverwendung als Second-Life-Batterie, und auch das Recycling geht viel einfacher von statten.

EVs im Stromnetz

Die zunehmende Verbreitung von Elektrofahrzeugen schafft eine steigende Nachfrage nach Ladestationen und führt zu einer zusätzlichen Belastung des Stromversorgungsnetzes, das sowohl zeitlich als auch räumlich sehr dynamisch ist. Elektrofahrzeuge werden zu einem wichtigen und wertvollen Instrument im Rahmen der Netzstabilisierung werden – und zwar mit einer Kombination aus Energiespeicherung, Energieumwandlung und Energiemanagement.

Intelligente Batteriesoftware und drahtlose Verbindungen, die ADI mit dem wBMS für Elektrofahrzeuge und Energiespeichersysteme (ESS) bereitstellt, können helfen, den Energiefluss im gesamten nachhaltigen Energieversorgungsnetz zu koordinieren, um Angebot und Nachfrage effizienter und nahtloser zu gestalten. Dynamische Ladetarife können genutzt werden, um die Ladepläne zu optimieren und günstigere Stromtarife zu sichern.

Ein Blick in die Zukunft ergibt, dass Elektrofahrzeuge nur der Anfang eines gewaltigen globalen Wandels in Richtung Nachhaltigkeit sind. Auf beiden Seiten des Ladekabels sind weiterentwickelte technische Lösungen notwendig. Batterien werden sich weiterverbreiten und Wachstum in verschiedenen Zell-Chemien generieren. Neue Erkenntnisse werden benötigt, um zu einem Kreislauf beim Batterielebenszyklus zu kommen. Eine nachhaltige Zukunft zu erreichen bedeutet auch, ethische Praktiken zu fördern. Batteriechemien, die ohne Konfliktmineralien auskommen, beispielsweise kobaltfreie LFP-Batterien, wird der Markt weiterhin favorisieren. Mit Innovationen für Bereiche wie Präzisionsmesstechnik sowie Steuerung und Signalverarbeitung in Echtzeit erweitert Analog Devices die Knotenpunkte am Netzwerkrand der Ökosysteme um zusätzliche Intelligenz. Ziel ist es, das elektrische Transportwesen mit dem sauberen Energieversorgungsnetz zu verschmelzen und eine nachhaltigere Zukunft zu gewährleisten. (av)