Batteriemanagement-Systeme Welche Vorteile digitale Sensoren in Elektrofahrzeugen bieten

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Sensoren ermöglichen intelligentere, effizientere und sicherere kritische Systeme. Die häufigsten Sensoren im EV-Antriebsstrang überwachen Temperatur, Druck, Position, Flüssigkeitseigenschaften, Flüssigkeitsstand, Gaskonzentration, Strom und Geschwindigkeit.

Viele der Zulieferer von TTI haben in den letzten fünf Jahren vermehrt Sensorfirmen unterschiedlicher Art aufgekauft und sind nun dabei, ihre bisherigen Technologien zu konsolidieren und ihr Portfolio zu verkleinern. Bestimmte Teile sind heute veraltet oder nur noch zu einem erhöhten Preis erhältlich. Mit dem verkleinerten Portfolio aus digitalen statt analogen Produkten hat die Digitalisierung erhebliche Auswirkungen auf die Produktionsstrukturen. Auf der einen Seite wird die Flexibilität der Kunden manchmal eingeschränkt, auf der anderen Seite kommen dadurch viele spannende neue Produkte auf den Markt.

Digitale Sensoren bieten Vorteile

Für TTI liegt das größte Wachstumspotenzial in digitalen Sensoren, die erstaunlich klein sind, sehr wenig Strom verbrauchen und in vielen Bereichen eingesetzt werden können. In diesem Beitrag erfahren Sie, wie sich solche Sensoren in Elektrofahrzeugen einsetzen lassen. Genauer, wie die Verknüpfung unterschiedlicher Sensortechnologien, eine so genannte Sensorfusion, nicht nur Batteriemanagement-Systeme (BMS) sondern auch den gesamten Antriebsstrang in Elektrofahrzeugen verbessern kann.

Schneller laden mit 800 V

Die meisten EV-Batterien arbeiten derzeit im Bereich von 400 V und können damit an den neuesten DC-Schnellladegeräten überhitzen. Die Ladegeschwindigkeit nimmt dann in der Regel nach 80 Prozent Aufladung ab. Um ein deutlich schnelleres Aufladen zu erreichen, haben die OEMs neue 800-V-Akkus eingeführt. Diese haben eine höhere Ladekapazität bei gleichzeitig kleineren Ladeströmen. Weniger Strom bedeutet auch weniger Widerstandsverluste und damit eine reduzierte thermische Wirkung, was eine Überhitzung des Akkus verhindert. Ein weiterer Vorteil zeigt sich an der Ladestation: Die Ladekabel können gleich dick sein, da sich nur die Spannung, nicht aber der Strom erhöht, was den Kühlungsbedarf der Kabel verringert.

Mehr Reichweite mit hocheffizientem BMS

Zu den weiteren Trends im Elektroantrieb gehört die Reichweitenverlängerung, d. h. die Verbesserung der Reichweite durch die Entwicklung eines hocheffizienten BMS, das die Zellen während des Fahrens und Ladens dynamisch ausbalanciert. EV-Batterien haben ein sehr schmales ideales Betriebstemperaturfenster von 20 bis 40 °C. Bei Temperaturen außerhalb dieser Grenzen kann sich die Batterie stark abnutzen und die Reichweite des EVs kann sich verringern. Ein weiterer Punkt ist die Sicherheit. Wird die Batterie zu heiß, beschleunigen sich die chemischen Reaktionen innerhalb der Batterie und es kann zu einem thermischen Durchgehen kommen.

Einsatz von Sensoren im E-Fahrzeug

Sensoren haben die Entwicklung von intelligenteren, effizienteren und sichereren kritischen Systemen ermöglicht. Die häufigsten Sensortypen, die im EV-Antriebsstrang eingesetzt werden, dienen der Überwachung von Temperatur, Druck, Position, Flüssigkeitseigenschaften, Flüssigkeitsstand, Gaskonzentration, Strom und Geschwindigkeit. Im Folgenden stellen wir die wichtigsten Anwendungsbereiche vor und zeigen die Sensoriklösungen, die im Fahrzeug eingesetzt werden, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten und die Lebensdauer der Batterie zu verlängern.

• Akkupack: EV-Akkupacks sind komplex und ihr Design und Layout unterscheiden sich stark von OEM zu OEM. Im Allgemeinen bestehen sie aus einer Gruppe von Einzelbatterien, die jeweils Hunderte von miteinander verbundenen Zellen enthalten. Die regelmäßige Überprüfung des Akkupacks ist äußerst wichtig. Am Außengehäuse sind Temperatursensoren angebracht, die die thermische Gesamtleistung des Akkupacks überwachen und sicherstellen, dass er innerhalb der sicheren thermischen Grenzen bleibt.

• Thermisches Durchgehen: Wenn die zulässige Betriebstemperatur der Akkus überschritten wird, können sie Feuer fangen oder sogar explodieren. Das Feuer kann sich ausbreiten und auf andere Zellen im Akkupack übergreifen. Dies bezeichnet mal als thermisches Durchgehen. Zu den Hauptursachen für ein thermisches Durchgehen gehören ein interner oder externer Kurzschluss, Überladung/Entladung, externe Erwärmung oder Selbsterhitzung. Hauptindikatoren für einen Zellausfall sind Abnahme der Zellspannung, Wärmeentwicklung, Gasentwicklung, Aufbau internen Gasdrucks, Aufquellen der Zelle und Rauchentwicklung. Auch hier werden hochpräzise Temperatursensoren verwendet, um die Temperatur der Zellen zu überwachen, und Drucksensoren, um einen vorübergehenden Anstieg des Drucks in der Packung zu erkennen, wenn Zellgase in die Umgebung der Akkupacks entweichen. Außerdem gibt es Gassensoren, einschließlich H₂- und CO₂-Sensoren, zur Erkennung von Gasemissionen und Partikelsensoren zur Erkennung von Rauch.

• Zellverbindungssystem: Das Zellverbindungssystem wird als obere Abdeckung der Batteriezelle verwendet und stellt die Verbindung mit dem Batteriemanagement-System (BMS) her. Hier werden Temperatursensoren eingesetzt, um sicherzustellen, dass das System innerhalb der festgelegten Temperaturgrenzen arbeitet.

• Wechselrichter/Elektromotor: Die Hochspannungs-Gleichspannung der Batterie muss in Niederspannungs-Wechselspannung umgewandelt werden, um den Elektromotor anzutreiben. Hier ist eine Kombination aus Temperatursensoren für das Wärmemanagement und Stromsensoren für Anwendungen wie den Überlastschutz erforderlich. Darüber hinaus werden induktive Hochgeschwindigkeits-Drehpositionssensoren verwendet, um die Rotorposition genau zu messen und den EV-Fahrmotor effizient anzutreiben.

• Anschluss für Hochspannungsladegerät: Während des Ladevorgangs sorgt eine Kombination aus Temperatur- und Stromsensoren dafür, dass das Gerät nicht überlastet oder überladen und der Stecker nicht überhitzt wird. Zudem wird ein Sensor zur Überprüfung der Verriegelung verwendet, um eine sichere Verbindung zu gewährleisten.

• Motorspule: Im Motor erzeugen Drahtspulen ein Magnetfeld und leiten elektrischen Strom. Durch die Wechselwirkung zwischen den beiden wird die Motorwelle gedreht und damit die elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt. Hier werden Temperatursensoren in die Drahtwicklungen eingeflochten, um sicherzustellen, dass der Motor innerhalb der definierten thermischen Grenzen arbeitet.

• Kühlmittelsystem der Batterie: In der Batterie zirkuliert das Kühlmittel um in den Batteriezellen, die optimale Batterietemperatur zu erhalten. Es werden Temperatursensoren, Drucksensoren und Ultraschall-Füllstandssensoren verwendet. Darüber hinaus sind kombinierte Temperatur- und Drucksensoren erhältlich, die sowohl Druck- als auch Temperaturmessungen in einer Baugruppe ermöglichen.

Kompetente Hilfe in Sachen Sensorik

TTI unterstützt seine Kunden bei der Umstellung von analog auf digital sowie bei der Konsolidierung in der Sensorindustrie. TTI Europe führt eine große Auswahl an Sensoren von Lieferanten wie Honeywell, Amphenol, TE Connectivity und anderen. Ob es um die Kalibrierung von Temperatur- oder Drucksensoren geht, um kundenspezifische Designs für bestimmte Architekturen und Steuersysteme oder um Beratung zu aktuellen Entwicklungen auf dem Sensormarkt – das Techniker-Team von TTI steht Ihnen jederzeit mit Rat und Tat zur Seite.

* Arron Bickerton ist Business Development Manager Nordeuropa – Sensoren bei TTI Europe.

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