Wie sich drahtlose BMS sicher validieren lassen

Die Automobilindustrie steht vor der gewaltigen Herausforderung, wettbewerbsfähige Elektrofahrzeuge auf den Markt zu bringen, die hohe Anforderungen an Reichweite, Leistung, Gewicht, Kosten und Konformität erfüllen. In diesem Kontext ist das Batteriemanagementsystem (BMS), das jede Zelle oder jedes Modul im Batteriepack präzise überwacht, von entscheidender Bedeutung.

Herkömmliche BMS in E-Fahrzeugen nutzen Kabel. Diese schränken die konstruktive Freiheit ein, sind unter dem Gesichtspunkt der Fertigungseffizienz nachteilig und erhöhen außerdem das Fahrzeuggewicht.

Entwicklung drahtloser Batteriemanagementsysteme

In künftigen Batteriemanagementsystemen soll die Kommunikation zwischen den Cell Monitoring Controllern der einzelnen Batteriemodule und dem Battery Management Controller drahtlos erfolgen.

Die drahtlose Kommunikationstechnologie vereinfacht Design, Montage, Wartung und Zellenaustausch. Sie spart außerdem Platz, reduziert das Fahrzeuggewicht und erleichtert die Wiederverwendung von Batterien zur Zwischenspeicherung erneuerbarer Energien nach dem Ende der Fahrzeug-Lebensdauer.

Wie ist das Testsystem technisch aufgebaut?

In Zusammenarbeit mit Analog Devices (ADI) hat Rohde & Schwarz (R&S) ein kompaktes automatisiertes Testgerätesystem zur Validierung drahtloser Batteriemanagementsysteme entwickelt. Es besteht aus dem R&S CMW100 Radio Communication Tester, dem R&S WMT Wireless Automated Testing Software Framework und der R&S ExpressTSVP Modular Test and Measurement Platform. Die R&S ExpressTSVP Plattform, ein cPCIe/PXIe-basiertes modulares Chassis, führt alle Nicht-Hochfrequenz-Tests durch und umfasst einen integrierten PC, einen UART/SPI-Controller (Universal Asynchronous Receiver Transmitter/Serial Peripheral Interface), ein Netzteil und ein Amperemeter. Der R&S CMW100 unterstützt parallele Tests an bis zu acht bidirektionalen HF-Ports, wodurch sich Sende- und Empfangstests optimieren lassen. Das Python-basierte R&S WMT Framework ist für Produktionstests konzipiert und bietet eine leicht anpassbare Benutzeroberfläche für die Sequenzierung und Testplanerstellung. Dies ermöglicht die Testausführung auf Knopfdruck und automatische Erzeugung von HTML-Berichten.

Simulation realer HF-Umgebungen im Labor

Für genaue HF-Tests während der Produktion wird der Prüfling in einer störungsfreien Umgebung platziert, z. B. in der R&S TS7124 HF-Schirmkammer. Dieses umfassende Paket ermöglicht eine schnelle und zuverlässige Kalibrierung sowie Empfänger-, Sender- und DC-Tests der Module drahtloser Batteriemanagementsysteme.

Es eignet sich sowohl für die Laborverifizierung als auch für Produktionstests und sorgt für höchsten Durchsatz und optimale Fertigungsausbeute.Der drahtlose Aspekt des BMS soll den Testprozess im Vergleich zu kabelgebundenen Systemen in vielerlei Hinsicht verbessern. Bei drahtlosen BMS können Tests im Non-Signaling-Modus durchgeführt werden, wodurch der Durchsatz an der Fertigungslinie maximiert wird. Da es keinen Kabelbaum gibt, können einfachere Testadapter verwendet werden, die außerdem ein breites Produktspektrum abdecken – anders als bei kabelgebundenen BMS, wo für jede Produktvariante ein angepasster Adapter benötigt wird. Darüber hinaus gestaltet sich die Arbeit an der Fertigungslinie bei drahtlosen BMS einfacher und schneller, da weniger physische Verbindungen erforderlich sind.

Nahtlose Integration

Keine Neuentwicklung ist ohne Herausforderungen. Bei der Analysesuite für drahtlose Batteriemanagementsysteme von Rohde & Schwarz mussten mehrere Hürden überwunden werden. Dazu gehörten die Erzeugung proprietärer digital modulierter HF-Signalformen, die Schaffung einer flexiblen digitalen Busschnittstelle auf PXI-Chassis-Basis, die Vermeidung von Interferenzen für wiederholbare Tests und eine produktionsreife Testautomatisierung.

Sicherheits- und Konformitätsanforderungen bei drahtlosen BMS

Um die Wirksamkeit und Sicherheit eines drahtlosen BMS zu bestätigen, müssen verschiedene thermische, mechanische und elektrische Bewertungsstufen entsprechend den jeweiligen Standards durchlaufen werden. Die funktionalen Sicherheitskonzepte werden sorgfältig entwickelt. Es werden umfassende EMV- und Cybersicherheitstests durchgeführt. Beispielsweise stellen Anbieter von Wireless-BMS-Chipsätzen sicher, dass ihre Designs der ISO/SAE 21434 CAL 4 entsprechen – der höchsten Sicherheitsstufe. Sie sorgen außerdem für die Prozesszertifizierung und verwenden ein proprietäres Protokoll im ISM-Band.

Für HF-Robustheitstests in der Entwicklungsphase haben Rohde & Schwarz und Analog Devices gemeinsam eine Off-the-Air-Aufzeichnungslösung entwickelt, um bei Testfahrten in Irland das reale HF-Spektrum zu erfassen. Die aufgezeichneten HF-Bedingungen wurden dann im Labor reproduziert, um den ordnungsgemäßen Betrieb des drahtlosen BMS in anspruchsvollen HF-Umgebungen zu verifizieren. Diese Lösung von Rohde & Schwarz ermöglicht eine realistische, wiederholbare und effiziente Verifizierung drahtloser Geräte.

Während mehrerer Testfahrten in verschiedenen komplexen HF-Umgebungen überwachte ein R&S FSW Signal- und Spektrumanalysator das HF-Spektrum und übermittelte die Daten an einen R&S IQW Breitband-I/Q-Datenrekorder. Zur Wiedergabe der aufgezeichneten Spektrumprofile im Labor wurde der R&S IQW mit einem R&S SMW200A Vektorsignalgenerator verbunden.

Industrieerfahrungen mit drahtlosen BMS

Das R&S Produktionstestkit für drahtlose BMS lässt sich problemlos in Fertigungslinien integrieren, da es industrieübliche Schnittstellen wie UART, isoSPI sowie CAN/Ethernet unterstützt. Die Lösung verkürzt nicht nur die Testzeiten durch beschleunigte DC- und HF-Tests – dank der R&S TSVP Plattform und der Möglichkeit paralleler Tests mit dem R&S CMW100 –, sondern reduziert mit Hilfe der systeminternen Selbsttest- und Kalibrierungsfunktionen der modularen Geräte auch den Betriebs- und Wartungsaufwand.

Mit ihrem kompakten Design ist die Lösung außerdem staubsicher, platzsparend und energieeffizient. Die Einführung jeder neuen Technologie ist mit Herausforderungen verbunden. Die Erfahrungsberichte von Fahrzeugherstellern zeigen jedoch, dass die Entwicklung und Implementierung entgegen anfänglichen Bedenken hinsichtlich des Aufwands und Unsicherheiten in Bezug auf die Software drahtloser BMS keine Probleme bereitet. Dies ist einer ausgereiften Software und speziell entwickelten Lösungen zu verdanken. (bs)