Power-Tipp Elektrofahrzeuge: So verbessern Sie das Batteriemanagement

Das Batteriemanagement-System (BMS) eines Elektrofahrzeugs muss nicht nur die Spannungen der einzelnen Zellen und des gesamten Batteriesatzes, sondern auch den Strom der kompletten Batterie überwachen. Wir stellen eine Überwachungseinheit, vor, die alle Daten direkt an den Mikrocontroller übermittelt.

Das Batteriemanagement-System (BMS) eines Elektrofahrzeugs muss nicht nur die Spannungen der einzelnen Zellen und des gesamten Batteriesatzes, sondern auch den Strom der kompletten Batterie überwachen. Da es hierbei mit hohen Spannungen konfrontiert wird, muss außerdem der Isolationswiderstand zwischen Niederspannungs- und Hochspannungs-Teil gemessen werden.

In Bild 1 ist links eine konventionelle BMS-Architektur zu sehen, bestehend aus einer Batteriemanagement-Einheit (Battery Management Unit, BMU), einer Zellenüberwachungs-Einheit (Cell Supervisor Unit, CSU) und einem Batterie-Anschlusskasten (Battery Junction Box, BJB).

In der Regel ist die BMU mit einem Mikrocontroller (MCU) bestückt, der sämtliche Funktionen innerhalb des Batteriesatzes koordiniert. Der herkömmliche Anschlusskasten enthält Schütze, die die Verbindung des kompletten Batteriesatzes zum Traktionswechselrichter, zum Motor oder zum Batterieladegerät herstellen.

Bei dem in Bild 1 links dargestellten traditionellen BMS beherbergt der Anschlusskasten keine aktive Elektronik, und sämtliche relevanten Parameter werden durch die BMU gemessen, wofür eigens Leitungen zwischen des Anschlusskastens und den entsprechenden A/D-Wandler-Kanälen verlegt sind.

Intelligenter Anschlusskasten mit Batteriesatz-Überwachung

Im Unterschied hierzu ist rechts in Bild 1 ein intelligenter Anschlusskasten zu sehen. Dieser enthält eine spezielle Batteriesatz-Überwachungseinheit (Pack Monitor), die alle notwendigen Spannungen und Ströme misst und die Messwerte über eine einfache Twisted-Pair-Leitung an den Mikrocontroller übermittelt. Hierdurch können nicht nur viele Leitungen und Kabelbäume eingespart werden, sondern die Spannungs- und Strommessungen sind außerdem mit weniger Rauschen behaftet.

BMS: Spannungs-, Strom- und Temperaturmessung

Aus Bild 2 gehen die verschiedenen hohen Spannungen, Ströme und Temperaturen hervor, die die Batteriesatz-Überwachungseinheit in einem mit dem Battery Pack Monitor BQ79731-Q1 bestückten Anschlusskastens misst.

Die Hochspannung wird mithilfe einer Widerstandskette gemessen. Erfasst wird auch die Temperatur des Shunt-Widerstands, damit der Mikrocontroller den Strommesswert entsprechend kompensieren kann. Die Strommessung selbst erfolgt entweder mit einem Shunt-Widerstand oder einem Halleffekt-Sensor.

Eine in den Anschlusskasten integrierte Überstrom-Schutzschaltung nutzt die mit dem Shunt-Widerstand oder Halleffekt-Sensor sowie dem Battery Pack Monitor erfasste Stromstärke, bereitet sie auf und vergleicht sie mit einem im Battery Pack Monitor hinterlegten Grenzwert. Außerdem kann ein Überstrom mithilfe spezieller Ausgänge signalisiert werden.

Die Zellenspannung sowie die Spannung und der Strom des Batteriesatzes müssen zeitlich synchronisiert gemessen werden, um möglichst präzise Leistungs- und Impedanzwerte zu erhalten. Das Intervall, in dem die Messungen durchgeführt werden, wird als Synchronisationsintervall bezeichnet. Je kürzer es ist, umso exakter sind die ermittelten Leistungs- und Impedanzwerte.

Batteriemonitor-Bausteine

Die Batteriemonitor-Bausteine von TI können eine zeitliche Beziehung wahren, indem sie einen ADC-Startbefehl an den Cell Monitor und den Pack Monitor ausgeben. Zusätzlich unterstützen sie ein definiertes Verzögern der ADC-Messung, um die Laufzeit bei der Übertragung des ADC-Startbefehls entlang der Daisy-Chain-Schnittstelle zu berücksichtigen.

Ein weiterer Pluspunkt eines intelligenten Anschlusskastens ist, dass I²C- oder SPI-Daten über die Daisy-Chain-Verbindung übertragen werden können. Dadurch entfallen Leitungen und Kabelbäume und das Gesamtgewicht des Fahrzeugs sinkt.

Die Bausteine BQ79631-Q1 und BQ79731-Q1 verbessern die Leistungsfähigkeit intelligenter Anschlusskästen und senken die Kosten, da sie die Systemfunktionen in einem einzigen Bauelement bündeln. Abgesehen davon sind mit den Batteriezellen-Wächtern exakte Zellenspannungs- und Temperaturmessungen möglich. (kr)

* Issac Hsu ist Marketingingenieur bürstenlose DC-Motortreiber bei Texas Instruments in Wylie / USA.

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