Ladetechnologien So schöpfen Sie das volle Potenzial von EV-Batterien aus

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Die Leistungsfähigkeit einer Elektrofahrzeug-Batterie hängt stark vom Batteriemanagementsystem ab. Lesen Sie hier, wie es funktioniert und welche Bedeutung die Battery Junction Box hat.

Der Markt für EV-Batterien wächst schnell. Viele Marken werden auch in den kommenden Jahren neue Modelle in Serie produzieren. Diese schnelle Markteinführung beschleunigt Innovationen in der Batterietechnologie, darunter die der Halbleiter für das Batteriemanagement. Dieser Beitrag beschreibt die Funktionsweise des Batteriemanagementsystems (BMS) mit besonderem Fokus auf die Battery Junction Box (BJB) und zeigt die Vorteile einer integrierten Lösung im Hinblick auf einfaches Design, Sicherheit und Leistung.

Welche Rolle spielt das Batteriemanagementsystem?

EV-Batterien können aus vielen Gründen versagen. Mechanische Belastung oder eine Beschädigung infolge eines Unfalls kann das Batteriepack durchlöchern oder einzelne Zellen beschädigen, was weniger erkennbar ist. Elektrische Beanspruchungen, beispielsweise Überladung, können ebenfalls zu Sicherheitsproblemen führen und die Gesamtlebensdauer der Batterie reduzieren. Das BMS sorgt hier für ein Höchstmaß an Sicherheit und Effizienz.

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Das BMS umfasst drei Funktionsmodule (Bild 1): BMU (Batteriemanagementeinheit), CMU (Zellüberwachungseinheit) und BJB (Battery Junction Box). Eine Funktion des BMS ist es, sicherzustellen, dass jede Lithium-Ionen-Zelle im Batteriepack in ihrem sicheren Betriebsbereich (Safe Operating Area, SOA) arbeitet, der durch Spannung, Strom und Temperatur definiert wird. Ein Betrieb außerhalb des sicheren Betriebsbereichs kann schwerwiegende Folgen haben, beispielsweise den Totalausfall der Batterie oder, schlimmer noch, thermisches Durchgehen.

Die Steuereinheit des BMS ist die BMU, in der alle präzisen Messungen der Batterieparameter aus CMU und BJB zusammenlaufen. Sie werden für fundierte Entscheidungen verwendet, welche die Batteriesicherheit sicherstellen und die Leistung verbessern. Beispielsweise könnte die BMU die Leistungsabgabe oder -aufnahme limitieren, um ein drohendes Überhitzen der Batterie zu vermeiden. (Bild 2). Außerdem werden hier die wichtigen Kennzahlen State of Health (SoH) und State of Charge (SoC) berechnet.

OEMs können durch die Überwachung der Batteriegesundheit (SoH) deren Alterung im zeitlichen Verlauf und letztendlich die fahrbereite Lebensdauer ermitteln. Aus dem genauen Wert des Ladezustands (SoC) berechnet das Fahrzeug die exakte Restreichweite und mindert somit die „Reichweitenangst“.

Batterie-Balancing applikationsabhängig

Eine weitere Funktion des BMS ist das Ausgleichen der Ladung der einzelnen Zellen innerhalb des Batteriepacks (Balancing). Der Zellenausgleich findet applikationsabhängig während des Ladevorgangs, beim Fahren, im Leerlauf und im Bereitschaftszustand statt. Das Batteriepack besteht aus gleichartigen galvanischen Batteriezellen, welche nach kurzer Zeit im Betrieb einen nicht identischen Ladezustand aufweisen.

Diese Unterschiede sind beispielsweise durch Fertigungstoleranzen und leicht verschieden ausgeprägte Alterungsmechanismen bedingt. Die CMU misst die Spannung jeder einzelnen Zelle mit hoher Genauigkeit und kommuniziert die Messwerte an die BMU. Diese koordiniert die Balancing-Funktion und entlädt alle Zellen auf eine gemeinsame, niedrigere Spannung, sodass sie den gleichen Ladezustand haben. Dabei wird überschüssige Ladung über Widerstände auf der CMU geleitet. Nur wenn alle Zellen ausgeglichen sind, kann das Batteriepack seinen maximalen Ladezustand erreichen.

Ebenso entlädt sich beim Fahren jede Zelle in der Batterie mit leicht unterschiedlicher Geschwindigkeit, bis eine Zelle ihren Mindestladezustand erreicht. Mit einer präziseren Zellspannungsmessung kann die BMU die Zellen bis näher an deren Sicherheitsgrenze entladen und auf diese Weise mehr Energie aus der Batterie gewinnen. Durch den Ausgleich der Zellen während des Ladens und Fahrens wird ein Betrieb der Batterie näher an der minimalen und maximalen Ladegrenze der Zellen ermöglicht, wodurch die Reichweite des Fahrzeugs erhöht wird.

Beim Fahren und Laden sind die Schütze geschlossen. Der Ladezustand wird währenddessen in der BJB durch die zeitliche Integration des gemessenen Stroms ermittelt (Coulomb-Counting). Dies sorgt dafür, dass die Zellen nicht außerhalb des sicheren Betriebsbereichs arbeiten und stellt gleichzeitig akkurate Informationen über die verbleibende Reichweite bereit. Wenn das Fahrzeug im Bereitschaftszustand steht, wird die Leerlaufspannung zur Neukalibrierung des Ladezustands verwendet.

Welche Rolle spielt die Batterie beim Rekuperieren?

Beim Fahren treibt die Batterie des Elektrofahrzeugs entweder die Motoren an oder gewinnt Energie beim Bremsen zurück. Die Rekuperation, die auch als regeneratives Bremsen bezeichnet wird, erhöht die Reichweite des Elektrofahrzeugs. Da der Batterie schnell viel Energie entzogen oder an sie zurückgegeben wird, kann dieser Energieaustausch zu beträchtlicher Wärmeableitung führen, welche die Temperatur der Batteriezellen erhöht.

Lithium-Ionen-Batterien sind temperaturempfindlich. Deshalb ist es sehr wichtig, die Temperatur der Zellen und des Batteriepacks sowie der umgebenden Systeme zu überwachen, um deren sicheren Betrieb zu gewährleisten und die Leistung und Lebensdauer zu verbessern. Die Rekuperationsleistung wird durch die elektrische und thermische Belastungsgrenze des Batteriesystems beschränkt. Daher optimieren genaue Daten zum Batteriezustand die Menge der zurückgewonnenen Energie und erhöhen damit wiederum Effizienz und Reichweite des Fahrzeugs.

Neben der genauen Messung mehrerer Temperaturpunkte kann durch eine Drucküberwachung im Innern der Batterie das thermische Durchgehen erkannt werden. Der rapide Druckanstieg wird durch Gase verursacht, die aus den Zellen entweichen, wobei es sich um eine Vorstufe des Selbstentzündens und katastrophalen Versagens handelt. Die BMU stellt präzise Druck- und Temperaturmesswerte bereit und trägt zu fundierten Entscheidungen bei, die es dem System erlauben schadensvermeidend zu Reagieren und die Sicherheit der Insassen zu gewährleisten.

Welche Rolle spielt die Battery Junction Box?

Ein Teil des Batteriesystems ist die BJB – der Sensormechanismus des BMS auf Packebene und die Verbindung zwischen der Hochvoltbatterie und dem Antriebsstrang. Die BJB misst und protokolliert die Hochvolt-Gesamtbatteriespannung sowie den ein- und ausfließenden Strom, sodass eine präzise Berechnung des Ladezustands möglich ist. Damit ergibt sich eine präzise Reichweitenberechnung. Außerdem erfüllt die BJB sicherheitskritische Funktionen wie die Schütz- und Isolationsüberwachung sowie die Überspannungserkennung.

Nach Stand der Technik verfügt ein eigenständiges BJB-Modul über seine eigene Intelligenz, für die ein Mikrocontroller (MCU) mit dedizierter Software erforderlich ist. Dies erhöht die Materialkosten und den lokalen Softwareaufwand (Bild 3). Aufgrund des nun stark wachsenden Volumens gibt es Bestrebungen am Markt, die Hardware- und Softwarekosten zu reduzieren. Die BJB-Lösung muss dabei in Automobilanwendungen die funktionale Sicherheit nach ASIL C oder D für Strom- und Spannungsmessung erfüllen.

Eine Herausforderung bei der Kommunikation in Hochvolt-Systemen ist die Isolation der Niederspannungshalbleiter (12 V) von der Hochspannungsbatterie (400+ V). Wo die Kommunikation mit der BMU bisher oft über den CAN-Bus erfolgt, bietet sich ein Daisy-Chaining der BJB über den Transport-Protocol-Link-(TPL)-Bus als attraktive Alternative an. Die TPL-Schnittstelle ist speziell auf das BMS ausgelegt und unterstützt hohe Isolationsspannungen von bis zu 2 kV. Die Vorteile einer solchen Lösung sind größere Robustheit hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV), höhere Hochspannungsisolation, schnellere Kommunikation sowie synchronisierte Messungen. Hierdurch sinkt die Komplexität durch den Entfall eingebetteter Software. Außerdem lassen sich geringere Materialkosten erreichen.

Kommunikation im Kontext funktionaler Sicherheit

Eine funktional sichere Kommunikation kann mit einem Graukanal-Ansatz erreicht werden. Der Graukanal ist ein abstrakter Begriff, der sich auf die sichere Übertragung über einen nicht von sich aus sicheren Kanal bezieht. Ihm wird keine ASIL-Bewertung zugewiesen und im Kontext der funktionalen Sicherheit mit QM bewertet, wobei es sich um den niedrigsten Sicherheitsgrad handelt. Ein Graukanal ermöglicht die Verwendung von QM-bewerteten Bauteilen zur Etablierung eines ASIL-bewerteten Kommunikationspfads auf Systemebene. Die ASIL-Qualifikation wird erreicht, indem sichergestellt wird, dass entlang des gesamten Kommunikationspfads keine Datenmanipulation möglich ist. Eine Manipulation der Daten wird ausgeschlossen, indem diese am Ursprung gesichert und am Zielort entschlüsselt werden. Was dann während der Datenübertragung geschieht, kann ignoriert werden, da Fehler immer erkennbar sind.

Mit dem Graukanal-Ansatz kann die Intelligenz von der BJB auf die BMU ausgelagert werden, ohne dabei zusätzlichen Aufwand für funktional sichere Kommunikationsgeräte zu generieren (Bild 4). Die Informationen werden zur Verarbeitung digital via TPL zur MCU gesendet. Die MCU entpackt dann die TPL-Frames und stellt die Datenintegrität sicher. Der Hauptvorteil des Graukanals besteht in der Reduzierung der Systemkomplexität im Hinblick auf Hardware-Design und Sicherheit.

Die Must-Haves einer Battery Junction Box

Bei neu auf den Markt kommenden Halbleitern, die speziell auf die BJB-Applikation zugeschnitten sind, werden alle erforderlichen Funktionen nun in einem einzelnen Bauelement integriert. Der MC33772C von NXP beispielsweise bietet eine präzise Strommessung von mA bis kA mit integriertem Coulomb-Counting (Bild 5).

Das Bauelement bietet mehrere fortschrittliche Spannungs- und Temperaturmessungsfunktionen, welche die Anwendung in der BJB vereinfachen. Außerdem unterstützt es sowohl Standard-SPI als auch die isolierte Daisy-Chain-Kommunikation TPL mit der MCU, die dann bis zu 63 Knoten ansteuern kann. Zusätzliche Diagnose- und Funktionssicherheitsmerkmale umfassen die Erkennung interner und externer Fehler wie unterbrochene Leitungen, Kurzschlüsse und Leckströme. Das robuste, AEC-Q-100-konforme Bauelement ist unter Spannung einsteckbar (hot-plug) und unterstützt ISO 26262 bis zu ASIL-D.

Das MC33772C-Evaluierungsboard und das serienreife Referenzdesign bieten zur Strommessung eine hochgenaue Shunt-Lösung, mit der Entwickler die Produkteinführungszeit sowie Materialkosten reduzieren können.

Coulomb-Counting auf dem Chip ohne MCU-Interaktion

In Automobilanwendungen müssen die sicherheitsrelevanten Messungen der Batterieparameter die in ISO 26262 definierten Klassifizierungen für die funktionale Sicherheit erfüllen. Das Coulomb-Counting wird direkt auf dem Chip und ohne MCU-Interaktion durch Integration der präzisen Stromverläufe ermöglicht. Proprietäre Schnittstellen wie TPL bieten hohe Isolationsspannungen und halten die funktionale Sicherheit der Kommunikation durch Verwendung eines Graukanal-Ansatzes aufrecht. Dies ermöglicht eine softwarefreie ASIL-BJB. Diese Vereinfachung des Designs reduziert die Produkteinführungszeit und die damit einhergehenden Entwicklungskosten bei Tier-1-Lieferanten und OEMs. Gleichzeitig verbessern sich Reichweite, Sicherheit und Batterielebensdauer, wodurch der Wandel zur CO₂-emissionsfreien Mobilität beschleunigt wird.

* Konrad Lorentz, Product Marketing – Battery Management Systems, Advanced Analog, Drivers & Energy Systems bei NXP.

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