Technischer Leitfaden für EV-Batteriemanagementsysteme

Eine der wichtigsten Entscheidungen beim Kauf eines Elektrofahrzeugs (EV) ist die Reichweite des Fahrzeugs mit einer einzigen Akkuladung. Die Gefahr, dass der Akku auf einer langen Fahrt nicht ausreichen könnte, hat den Begriff „Reichweitenangst“ hervorgebracht. Den Ladezustand einer einzelnen Batterie zu überwachen ist relativ einfach, bei der Komplexität, die mit der Überwachung von 7.000 Zellen verbunden ist (der durchschnittlichen Anzahl in einem EV-Batteriepack), sieht es allerdings anders aus.

Wie ist ein EV-Batteriepack aufgebaut?

Die primäre Energiequelle eines Elektrofahrzeugs ist ein Batteriepack (Bild 1). Ein Batteriepack ist in der Regel so gebaut, dass es den Raum einnimmt, der bei einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor normalerweise für das Getriebe, den Auspuff und den Tank reserviert ist. Wenn die Batterie so niedrig wie möglich platziert wird, trägt das wesentlich zur Senkung des Schwerpunkts bei, der ein wesentlicher Faktor für die Fahreigenschaften des Fahrzeugs ist.

Für die nächste Generation von E-Autos erwägt ein Herstellerkonsortium, ein austauschbares Batteriepack für verschiedene Fahrzeugplattformen zu entwickeln, das schnell entnommen und gegen eine voll aufgeladene Einheit ausgetauscht werden kann. Die Logistik und die technischen Überlegungen sind jedoch mühsam, und Fortschritte passieren nur langsam.

Ein EV-Batteriepack besteht aus mehreren Modulen, die jeweils viele zylindrische oder beutelartige Lithium-Batterien enthalten. Die Zellen sind in einer Kombination aus Serien- und Parallelkonfigurationen angeordnet, um eine Leistung von 400 V oder 800 V zu erzielen. Der Trend geht aktuell zu 800-V-Akkus, was vor allem daran liegt, dass mit einem bestimmten Strom ein schnellerer Ladezyklus erreicht werden kann. Jede Zelle wird zwischen 2,5 V und 4,2 V betrieben (je nach Chemie), und das Verhalten jeder einzelnen Zelle wirkt sich auf die Gesamteffektivität und -effizienz des Batteriepacks aus. Folglich ist die Überwachung der Zellen mit einem Batteriemanagementsystem (BMS) eine wichtige Voraussetzung.

Hauptkriterien für einen guten Batteriezustand

Lithium-Ionen-Zellen sind für ihre Entladeeigenschaften bekannt, die es E-Autos ermöglichen, wie ein Sportwagen zu beschleunigen. Diese Entladeeigenschaften stellen jedoch in der falschen Situation ein erhebliches Sicherheitsrisiko dar. Die hohe Ausgangsspannung des Akkus ist auch ein Risiko für den Fahrer, die Insassen und alle anderen in einen Unfall verwickelten Personen. Es ist entscheidend, eine weitere Aufgabe auf der Liste der Anforderungen an das Batteriemanagementsystem, die relevanten Gesetze zur funktionalen Sicherheit im Auto einzuhalten. Bild 2 veranschaulicht die wichtigsten Parameter für den Batteriezustand, die das BMS überwacht und steuert.

Zu den wichtigsten Kennzahlen eines BMS gehört die Schätzung des Ladezustands (State of Charge, SOC). Er gibt die verbleibende Energie in einem Elektrofahrzeug zu einem bestimmten Zeitpunkt an und wird in der Regel als Prozentsatz der Gesamtkapazität ausgedrückt. Da der SOC dem Fahrer anzeigt, wie viel Ladung noch vorhanden ist, ermöglicht er eine Schätzung der möglichen Reichweite des Fahrzeugs. Verschiedene Sensoren, die mit dem BMS verbunden sind, liefern die notwendigen Eingaben für Algorithmen, die auf dem BMS-Mikrocontroller laufen, um den Ladezustand zu schätzen.

Kenngrößen: SOH und SOF

Der Gesundheitszustand (State of Health, SOH) wird ebenfalls in Prozent ausgedrückt und gibt den Gesamtzustand und die Kapazität des EV-Batteriepacks im Vergleich zu seiner ursprünglichen Kapazität im Neuzustand an. Er ist ein Maß für die Fähigkeit des Batteriepacks, im Laufe der Zeit Energie zu speichern und abzugeben, wobei die Zellalterung aufgrund wiederholter Lade- und Entladezyklen und chemischer Veränderungen innerhalb der Zelle berücksichtigt wird.

Der Funktionszustand (State of Function, SOF) berücksichtigt den SOH, bietet jedoch ein realistischeres Verständnis der Fähigkeit des Akkus, unter verschiedenen Betriebsbedingungen Energie zu liefern. Zu den Indikatoren, die den SOF beeinflussen, gehören interne Zellwiderstände, das thermische Verhalten des Batteriepacks und Zellspannungen. Der SOF hilft dabei, die Zellen und das Pack zu optimieren und zu entscheiden, ob eine Wartung oder ein Ersatzpack erforderlich ist.

Techniken zur Optimierung des Batteriepacks

Eine wichtige Technik zur Optimierung des Batteriepacks ist der Zellenausgleich. Aufgrund der chemischen Zusammensetzung der Zellen gibt es feine Unterschiede in der Funktionsweise und Alterung der Zellen, die zu einem Ungleichgewicht bei der Ausgangsspannung und der Kapazität während der Entladung führen. Der Zellenausgleich basiert auf dem Ausgleich der Ladung über alle Zellen hinweg, um die Gesamtleistung zu optimieren und die Batterielaufzeit zu verlängern. Die Spannungs- und Stromüberwachung durch das BMS zielt darauf ab, einen gleichmäßigen SOC zu erreichen und ein Über- oder Unterladen einzelner Zellen zu vermeiden.

Weitere BMS-Funktionen sind Wärmemanagement, Überstrom und zusätzliche Funktionen für funktionale Sicherheit (z. B. ISO 26262) und Sicherheitsintegrität (z. B. ASIL-D).

Das Wärmemanagement ist auch ein weiterer wichtiger Aspekt von EV-Batteriepacks. Zur Überwachung der Zelltemperatur werden zunehmend Sensoren eingesetzt, die an mehreren Stellen in der Zelle und nicht nur an der Außenhülle oder an einer zentralen Stelle in einem Zellmodul angebracht sind. Örtlich begrenzte heiße Stellen können auf einen drohenden Zellausfall hinweisen, der sich auf die umliegenden Zellen ausdehnen und einen thermischen Durchlauf verursachen kann, der zu einem Brand führen kann. In kalten Umgebungen wird die Batterieleistung beeinträchtigt, sodass das BMS die Last aktiv regulieren muss, um dauerhafte Zellschäden zu vermeiden. Für Elektrofahrzeuge, die für den Dauerbetrieb in extremen Umgebungen ausgelegt sind, können aktive thermische Kühl- und Heiztechniken erforderlich sein.

Sollte eine Zelle die Ladung nicht aufrechterhalten oder eine schlechte Leistung aufweisen, kann das BMS die Zelle isolieren, um weitere Schäden oder Auswirkungen auf die Gesamtleistung des Batteriemoduls und des Packs zu vermeiden.

Typische Architektur eines Batteriemanagementsystems

Bild 3 veranschaulicht die komplexe Architektur eines typischen EV-BMS. Die eingebetteten Hardware-Funktionen lassen sich grob in vier Kategorien einteilen: Sensorik, Zellmanagement-ICs und Mikrocontroller, Netzwerke im Fahrzeug sowie Sicherheit und Isolierung. Aus Software-Sicht schätzen die Batteriemanagement-Algorithmen einen realistischen Ladezustand.

Die genaue Spannungsüberwachungsmethode variiert, aber der effizienteste Stücklistenansatz verwendet nur eine Sensorsignalkette, die einen Operationsverstärker und einen Analog-Digital-Wandler (ADC) einsetzt. Die einzelnen Spannungsmessleitungen werden von jeder Zelle und jedem Modul gespeist, und eine Multiplexerschaltung schaltet den Zelleingang in die Signalkette. Ein ähnlicher Ansatz wird für die Strommessung verwendet, wobei der Spannungsabfall über einen extrem niedrigen Shunt-Widerstand innerhalb des Batteriemoduls gemessen wird (Bild 3). Dieser Ansatz erfüllt die erforderliche Überwachungsaufgabe, ohne die Komplexität der Schaltkreise in den einzelnen Zellen und Modulen zu erhöhen.

Einfache Thermistoren bis hin zu Temperatursensoren mit Digitalausgang sind für Applikationen zur Zelltemperatur-Überwachung verfügbar. Thermistoren sind kostengünstig und benötigen nur wenig Platz in einem Batteriemodul. Die Erforschung anspruchsvollerer Zellüberwachungstechniken, bei denen mehrere Temperatur- und Magnetfeldsensoren in jeder Zelle platziert werden, ermöglicht einen differenzierteren Ansatz für das Zellmanagement.

Hochintegrierte Zellüberwachungs- und -management-ICs sind für EV-Applikationen leicht erhältlich und stellen eine kosten- und funktionsoptimierte Alternative zu Universal-Mikrocontrollern dar. Die meisten bieten alle notwendigen analogen Signalkettenfunktionen für die Spannungs-, Strom- und Temperaturüberwachung. Einige sind auch mit MOSFET-Treibern für den Zellenausgleich ausgestattet, um einen aktiven Zellenausgleich beim Laden und Entladen zu erreichen. Zu den weiteren integrierten Funktionen gehört die Netzwerkkonnektivität für Ethernet- und CAN-Schnittstellen zu anderen Systemen im Fahrzeug. Die Batteriemanagement-Algorithmen sind ein fundierter und adaptiver Ansatz zur Optimierung der Batterieleistung unter verschiedenen Last- und SOH-Bedingungen.

Die Sicherheitsmerkmale reichen von einer „Bring mich nach Hause“-Funktion, die dem Antriebsstrang eine begrenzte Batteriekapazität zur Verfügung stellt, bis hin zur vollständigen galvanischen Trennung des Batteriepacks von allen EV-Funktionen. Bei letzterem werden einmalige Pyroschalter eingesetzt, die mit einer kleinen Zündladung, dem Squib, die Hochspannungsleistung der Batterie sofort unterbrechen. Die Zündladung unterbricht den Stromkreis viel schneller als die typische Auslösezeit einer herkömmlichen Sicherung.

Bauelemente für BMS

Ein Beispiel für einen Multizellen-Batterieüberwachungs- und -ausgleichs-IC ist der L9963E von STMicroelectronics. Der AEC-Q100-qualifizierte IC L9963E kann die Spannung und die Coulomb-Zählung für bis zu 14 gestapelte Batteriezellen in Serie überwachen, ohne dass es zu einer Desynchronisation zwischen den Proben kommt. Bild 4 zeigt die primäre Funktionsarchitektur des IC, der bis zu sieben NTC-Thermistoren überwachen kann und über SPI oder eine optisch isolierte Schnittstelle mit dem Host-BMS-Mikrocontroller kommuniziert.

Bis zu 31 dieser ICs können in Reihe geschaltet werden, um 434 in Reihe geschaltete Zellen zu überwachen. Ein 16-Bit-ADC hat einen maximalen Fehler von +/- 2 mV über den gesamten Messbereich von 0,5 V bis 4,3 V. Außerdem ist eine passive 200-mA-Zellenausgleichsfunktion für die Entladung über einen internen Pfad oder einen höheren Strom durch extern angeschlossene MOSFETs enthalten.

Ein weiteres Beispiel für Batterieüberwachungs- und -ausgleichs-IC für Fahrzeuge, der nach AEC-Q100, ISO26262 und ASIL-D qualifiziert ist, ist der TLE9012DQU von Infineon Technologies (Bild 5).

Er kann die Spannung von 12 in Reihe geschalteten Lithium-Ionen-Zellen überwachen und verfügt über einen dedizierten 16-Bit-Sigma-Delta-ADC für jede Zelle. Fünf Temperaturmesskanäle sind ebenfalls in das Bauelement integriert, um externe NTC-Thermistoren zu verwenden. Ein passiver Zellenausgleich von bis zu 200 mA pro Zelle ist intern möglich. Für Prototyping-Zwecke ist ein Evaluierungsboard erhältlich.

Die Texas Instruments Baureihe BQ769xc umfasst ebenfalls ICs zur Überwachung von Fahrzeugbatterien. Die BQ769x-Baureihe wurde für den Einsatz mit Lithium-Ionen- und Lithium-Phosphat-Zellen entwickelt und kann bis zu 16 in Reihe geschaltete Zellen überwachen. Ein komplettes analoges Frontend mit einem 14-Bit-ADC gehört zum BQ769x-Sortiment.

Fazit

EV-Batteriemanagementsysteme erfüllen wichtige Funktionen: Sie überwachen, steuern und optimieren das Batteriepack des Fahrzeugs, um die beste Balance zwischen Ausgangsleistung und Reichweite zu erreichen und gleichzeitig eine wichtige Sicherheitsfunktion zu erfüllen.