Was wird es zukünftig bei BMS-Sensoren für Entwicklungen geben?

Wann immer über Elektrofahrzeuge (EVs) gesprochen wird, ist die Reichweite, die mit einer einzigen Ladung zurückgelegt werden kann, eines der wichtigsten Themen. Obwohl für die meisten Käufer eines Benzin- oder Dieselfahrzeugs die Strecke, die Fahrer mit einer einzigen Tankfüllung zurücklegen können, weit unten auf der Liste der Auswahlkriterien steht, steht sie bei Käufern von E-Fahrzeugen an oberster Stelle.

Das erscheint erst einmal merkwürdig, da eine durchschnittliche Autofahrt in der Regel etwa 15 km beträgt. Trotzdem erwarten Autofahrer in einer kürzlich durchgeführten Umfrage, dass sie mit einem Elektroauto, mit einer einzigen Ladung etwa 600 km weit fahren können. In der Realität werden die meisten Fahrer mit einer voll aufgeladenen Lithium-Ionen-Batterie nicht einmal annähernd diese Entfernung zurücklegen können.

Dies verdeutlicht das aktuelle Dilemma im Automobilbereich: Die in EVs verwendete Technik unterscheidet sich völlig von der, mit der die Fahrer vertraut sind. Vergleiche mit dem Verbrennungsmotor sind deshalb grundlegend falsch.

Es gibt noch ein weiteres Kriterium, das zunehmend die Entscheidung für ein Elektrofahrzeug bestimmt: die Sicherheit – ein Thema, das in den kommenden Jahren noch mehr an Bedeutung gewinnen wird.

Warum ist Sicherheit ein so wichtiges Thema bei Li-Ion-Batterien?

Warum ist die Sicherheit ein so wichtiges Thema geworden? Ganz einfach, weil moderne Elektrofahrzeuge so konstruiert werden müssen, dass sie schneller aufgeladen werden können, um die oben genannten Anforderungen zu erfüllen. Die Bordsysteme müssen dabei einen höheren Strom und eine höhere Spannung handhaben, was eine stärkere Isolierung erfordert. In der Automobilbranche – sei es bei den OEMs, den Herstellern von Ladegeräten oder den Betreibern von Ladestationen – besteht ein echtes Interesse daran, alle gewünschten Vorteile zu bieten. Batterie-Leckagen oder -Brände im Fahrzeug zu vermeiden, muss dabei absolute Priorität eingeräumt werden.

Die Herausforderung für die Automobilbranche im Jahr 2023 und darüber hinaus wird also darin bestehen, die Anforderungen in Bezug auf Leistungsfähigkeit, Genauigkeit, CO₂-Bilanz und Sicherheit zu bewältigen.

Das BMS gibt Lade- und Batteriezustand an

Das in jedem EV installierte Batteriemanagementsystem (BMS) ist dafür zuständig, diese Herausforderungen umzusetzen. Als Hauptbestandteil der Fahrzeugbatterie erfüllt es zwei wesentliche Aufgaben. Es bewertet den Ladezustand (State of Charge, SoC) der Batterie im Verhältnis zu ihrer Kapazität, und es bestimmt damit die Reichweite des Fahrzeugs. Zweitens verwaltet das BMS den Zustand (State of Health, SoH) der Batterie mit einer Sicherheitsfunktion, die ein Auslaufen oder einen Brand verhindern soll. Je genauer diese Auswertungen sind – und sie müssen natürlich so genau wie möglich sein – desto zufriedener werden Fahrer sein, wenn es darum geht, ihre Reichweitenangst und ihre Sicherheitsbedenken zu zerstreuen.

Damit ein BMS diese Funktionen erfüllen kann, muss es zuverlässige Sensoren enthalten. Sie sind die entscheidenden Komponenten eines BMS, um mit den steigenden Anforderungen im EV-Markt Schritt zu halten.

Dafür hat LEM kürzlich die dritte Generation der CAB-Serie seiner Stromwandler entwickelt, die hochpräzise SoC-Werte liefern. Die Premium-CAB-Reihe wurde erstmals vor 12 Jahren für BMS entwickelt und hat sich mit den veränderten Anforderungen weiterentwickelt. Das erste Modell stellte eine Technik dar, die genauere Strommessungen ermöglichte, indem der magnetische Offset kompensiert wurde. Auch die kontaktlose Strommessung war ein großer Vorteil. Das nächste Modell zeichnete sich durch einen größeren Strombereich (von 300 bis 500 A) und ein verbessertes Sicherheitsniveau aus.

CAB 1500 – das neue Mitglied der CAB-Reihe von LEM

Aktuell steht der Stromwandler CAB 1500 mit einem erweiterten Strombereich von bis zu ±1500 A zur Verfügung.

In Bezug auf die funktionale Sicherheit entspricht dieser ASIL-C-konforme (Automotive Safety Integrity Level) Stromwandler der ISO26262 und ermöglicht durch zwei unabhängige Kanäle eine redundante Strommessung mit nur einem einzigen Stromsensor innerhalb des BMS. Zuvor waren dafür zwei Sensoren erforderlich. Die elektrischen Funktionen für das Sicherheitsmanagement umfassen die Überstromerkennung mit einem internen Fehlerflag, das auf 1 gesetzt wird, wenn der Strom über 1600 A liegt. Weitere Merkmale sind ein Flag für die Verletzung von Sicherheitszielen, das auf 1 gesetzt wird (abhängig von den Ergebnissen der Plausibilitätsprüfung zwischen den analogen und digitalen Kanälen), ein Sequenzzähler und eine CRC-Prüfung zum Schutz der End-to-End-Kommunikation (E2E).

Eigenschaften des Stromsensors CAB 1500

Der Plug-and-Play-fähige Stromwandler verdreifacht den Messbereich bei gleichem Platzbedarf und liefert die höchste Genauigkeit seiner Klasse mit unter 0,5 Prozent über einen Temperaturbereich von -40 bis 85 °C. Neben einem Offset von < 50 mA, der nach der Coulomb-Methode das SoC-Ergebnis ermittelt, nutzt der neue Sensor das nicht-intrusive Messprinzip und bietet eine vollständige galvanische Trennung und Kompatibilität mit 800-V-Systemen. Zu den weiteren Leistungsmerkmalen zählen die mögliche Schienen- oder Panelmontage und eine unipolare +12-V-Spannungsversorgung. Außerdem besteht der Fluxgate-Messkopf aus einer Induktionsspule, die eine sehr hohe Permeabilität mit einer niedrigen Remanenz (Hc) kombiniert und einen schnellen Übergang zwischen linearem und gesättigtem Zustand gewährleistet. Fluxgate ist eine geeignete Technik für hochleistungsfähige Batterie-Management-Systeme, da sie eine Auflösung von bis zu 0,1 Prozentund hohe Genauigkeit bei I_pmax und Offset und nicht-intrusive Messung ermöglicht. Auch galvanische Trennung von bis zu 2,5 kV sowie ein geringer Eigenverbrauch im Vergleich zur Shunt-Technik ist gewährleistet.

Aktuelle Sensoren für das Batteriemanagement

LEM kann auf eine lange Erfahrung in der BMS-Strommessung zurückblicken und hat eine Reihe von Lösungen entwickelt, die sowohl technisch als auch wirtschaftlich stetig verbessert wurden. Das Unternehmen verschiebt die technologischen Grenzen, so dass OEMs und Tier-1-Zulieferer im EV-Markt Produkte entwickeln können, die nicht nur die aktuellen Anforderungen erfüllen, sondern diese auch für EV-Nutzer weiter vorantreiben. Damit wird die weitere Verbreitung von EVs gefördert, um CO₂-Emission heute und in Zukunft zu verringern.

Durch Fachwissen und Erfahrung unterstützt das Unternehmen die Entwickler von BMS bei der Bewältigung ihrer Herausforderungen. Es ist davon überzeugt, dass EV-Anbieter durch die Integration aktueller Stromsensoren in ihre Designs dem Markt einen Schritt voraus sein können. Da die Sensoren immer intelligenter werden, sind Entwickler in der Lage, fortschrittlichere Software zu integrieren. Dies vereinfacht das Sammeln und Verarbeiten größerer Datenmengen in einem einzigen Gerät. Damit können EVs in Bezug auf Leistungsfähigkeit, Kosten und Sicherheit eine führende Rolle in Ihrem Marktsegment übernehmen.

Neue Konzepte: Erweiterung der Funktionen und Kombination von Shunt- und Hall-Element

Angesichts der Notwendigkeit höherer Sicherheitsniveaus, arbeitet das Unternehmen derzeit aktiv an zwei neuen Konzepten, die auf der Zusammenarbeit mit OEMs und unternehmenseigenen Marktwissen basieren. Das erste Konzept deckt eine Erweiterung der Funktionen ab, da der Sensor multifunktional wird und die Aufgabe übernimmt, noch mehr Faktoren innerhalb der Batterietrenneinheit zu erfassen. Während ein Stromsensor traditionell nur den Batteriestrom misst, wird von ihm jetzt auch erwartet, dass er die Spannung der Batterie an verschiedenen Stellen überwacht und Hotspots erkennt. Zusätzliche Funktionen wie das Auslösen der Pyrosicherung im Falle eines Überstroms oder die Überwachung der Hochspannungsisolierung der Batterie werden ebenfalls immer mehr gefordert. So wird sichergestellt, dass eine echte Isolierung zwischen der Batterie und der Masse des Fahrzeugchassis besteht. De facto macht dieser Trend den Stromsensor zu einer universellen Komponente des BMS.

Das zweite Konzept, an dem Entwickler aktuell arbeiten, basiert auf zwei verschiedenen Techniken für die Strommessung. Die Kombination von Shunt und Hallelement in einem einzigen Gehäuse mag nicht revolutionär sein, stellt aber eine sehr wettbewerbsfähige Lösung dar, da sie von der Erfahrung des Unternehmens im Bereich Strommessung auf Basis der Open-Loop-Technik (direktabbildend) und einem neuen ASIC profitiert. Damit lässt sich eine hohe Genauigkeit für den redundanten Pfad erreichen. Dieses Konzept, das in verschiedenen Versionen erhältlich ist, kann als eigenständiges Modul oder als Ergänzung zum Mehrfach-Sensormodul verwendet werden, da es einen optimierten und robusten Messkopf bietet, der mit der höchsten Sicherheitsstufe ASIL D kompatibel ist.

Zukunft des Stromsensors

Die Anforderungen im Automotive-Bereich treiben den technischen Fortschritt voran, wobei einige Akteure in der Branche ständig aufholen müssen. Die ernüchternde Nachricht für sie ist, dass die Anforderungen nur noch strenger und anspruchsvoller werden. Daher müssen sie stets einen Schritt voraus sein und sich eine Technik zu eigen zu machen, die ihnen einen Quantensprung am Markt erlaubt. Entscheidend für diesen Fortschritt im Bereich der Elektrofahrzeuge werden Stromsensoren sein, die als Teil hochentwickelter Batteriemanagementsysteme arbeiten, um Elektroahrzeuge auf eine ganz neue Ebene zu bringen.

In Zukunft wird der Stromsensor zu einem entscheidenden Bestandteil der Intelligenz in einem BMS, bei dem alle Daten auf einmal in das System übertragen werden müssen. Kosten und mechanische Integration werden ebenfalls entscheidende Faktoren in einem sich weiterentwickelnden Markt sein. Denn das BMS und die Batterie müssen kleiner und leichter werden. LEM nutzt dabei sein umfangreiches Know-how rund um Sensoren, Strom- und Spannungswandler, um praktikable Lösungen zu liefern, mit denen sich die Leistungsfähigkeit von Batteriemanagementsystemen auf dem sich schnell entwickelnden EV-Markt maximieren lässt.