Elektrofahrzeuge Besseres Batteriemanagement mit drahtlosem Datentransfer

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Batteriemanagement-Systeme (BMS) sind ein wesentlicher Bestandteil von Elektrofahrzeugen (EVs). Sie beruhen darauf, dass sämtliche Zellen des Akkusatzes ihre Temperatur-, Spannungs- und Stromdaten überwachen und weitergeben. Letzteres kann per CAN (Controller Area Network), mithilfe einer differenziellen Daisy-Chain-Kommunikation oder mit einer proprietären Lösung erfolgen.

Batteriemanagement-Systeme (BMS) sind ein wesentlicher Bestandteil von Elektrofahrzeugen (EVs). Sie beruhen darauf, dass sämtliche Zellen des Akkusatzes ihre Temperatur-, Spannungs- und Stromdaten überwachen und weitergeben. Letzteres kann per CAN (Controller Area Network), mithilfe einer differenziellen Daisy-Chain-Kommunikation oder mit einer proprietären Lösung erfolgen.

Das in Bild 1 gezeigte BMS besteht aus einem Mikrocontroller, einer Isolationsbarriere zwischen Nieder- und Hochspannungsteil und Batterieüberwachungs-Modulen. Die Informationen aus den Batteriezellen werden per Leitung übertragen.

Das Herstellen der Verbindungen zu den einzelnen Zellen sowie die Isolierung gestalten sich bei leitungsgebundenen Lösungen schwierig und kostspielig. Werden die Leitungen bei einem Unfall beschädigt, muss der gesamte Akkusatz ersetzt werden. Diese und weitere Probleme haben die Automobilhersteller und die Anbieter von BMS-Lösungen veranlasst, nach Möglichkeiten für eine drahtlose Übertragung der Zellendaten zu suchen.

Daten aus dem BMS direkt an den µC übertragen

Die drahtlose Übertragung der Batteriezellen-Daten direkt an den Mikrocontroller des BMS beseitigt die Probleme der leitungsgebundenen Kommunikation. Hinsichtlich der Leistungsfähigkeit sind Abstriche gegenüber der leitungsgebundenen Übertragung nicht akzeptabel. Ein kritischer Leistungsparameter eines drahtlosen BMS ist die Verfügbarkeit des 2,4-GHz-Funknetzes. Diese muss unbedingt gegeben sein, damit das BMS nach dem Starten eines EV in Echtzeit in Funktion treten kann. An diesem Punkt kommt die Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit des proprietären Funkprotokolls von Texas Instruments ins Spiel. Der Grundgedanke dahinter ist, dass das Netzwerk alle beteiligten Komponenten so miteinander verbindet, dass der Fahrt des EV nichts im Wege steht.

Die Verfügbarkeit eines drahtlosen BMS wird daran gemessen, in welchem Umfang die Daten aus den drahtlosen Konnektivitäts-Bauteilen und dem Haupt-Funkknoten zu einem bestimmten Zeitpunkt verfügbar sind. Anders ausgedrückt, geht es um den Prozentsatz der Zeit, in der das drahtlose BMS-Netzwerk Daten erfasst oder die Batterieüberwachungs-Bauteile steuert. Bild 2 verdeutlicht dieses Konzept.

Das Netzwerk besteht aus einem Haupt-Controller, der mit dem Mikrocontroller des Akkusatzes verbunden ist, und acht Funk-Komponenten. Das Evaluierungsmodul zum SimpleLink 2,4-GHz Wireless-Mikrocontroller CC2662R-Q1 umfasst den Funk-Teil des Hauptknotens und die Funk-Komponenten. Jede Funk-Komponente ist mit einem Batterie-Monitor und -Balancer (in diesem Fall vom Typ BQ79616-Q1) verbunden, der die Spannung und die Temperatur der Batteriezellen im BMS misst und über den Haupt-Controller den Lade- und Gesundheitszustand der Zellen an den Mikrocontroller des BMS meldet.

Datenübertragung im Wireless-BMS-Protokoll

Die Datenübertragung muss schnell und präzise erfolgen, damit keine Fehlfunktionen oder potenziell gefährliche Situationen drohen. Das Wireless-BMS-Protokoll kommt bei einem Netzwerk mit 10 Knoten auf eine Paketfehlerrate von 10^-7 oder besser. Anders ausgedrückt, sind die Daten eines Knotens bei einer Betriebszeit von über 52.000 Stunden 100 ms nicht verfügbar, was einer Verfügbarkeit von über 99,999 % entspricht. Aus der Unabhängigkeit der einzelnen Funk-Komponenten ergibt sich überdies, dass die Verfügbarkeit des gesamten BMS-Netzwerks ebenfalls größer als 99,999 % ist.

Diese Zahlen erlauben die Verwendung eines drahtlosen BMS in anspruchsvollen Batteriegehäusen mit beengten Platzverhältnissen sowie erheblichen Dämpfungs- und Signalreflexions-Phänomenen. Das Funk-Protokoll gibt Fahrzeugentwicklern im Verbund mit der branchenweit besten Netzwerkverfügbarkeit die Möglichkeit, auf schwere, teure und wartungsanfällige Verkabelungen zu verzichten und die Zuverlässigkeit und Effizienz von Elektrofahrzeugen zu verbessern. (kr)

Power-Tipp

Wandlung auf Core-Spannung in einem Schritt

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