Batterie-Management-Systeme Was moderne BMS leisten müssen

Neue Aufgaben für Batterie-Management-Systeme.
Neue Aufgaben für Batterie-Management-Systeme.

Vom einfachen Laderegler zum komplexen Steuergerät: Die Anforderungen an das Batterie-Management-System (BMS) sind rasant gewachsen - gerade bei Elektroautos. Zukünftig sollen sogar Teile der Vehicle Control Unit in das BMS ausgelagert werden.

Dem BMS im Elektrofahrzeug wird zukünftig eine zentrale Bedeutung zukommen. Die einzelnen BMS-Unterfunktionen sind allerdings immer OEM-spezifisch und können sich entsprechend je nach Systemauslegung erheblich voneinander unterscheiden. Einen vollständigen und für alle Elektrofahrzeughersteller gültigen Anforderungskatalog für ein BMS zu erstellen, ist daher nicht möglich. Unstrittig ist jedoch, dass das Aufgabenspektrum der Batterie-Management-Systeme stetig größer wird. Der folgende Überblick zeigt die häufigsten Anforderungen an ein BMS und berücksichtigt dabei auch neue Funktionen sowie mögliche Aufgaben für zukünftige Systeme. Im Einzelnen geht es dabei um die folgenden Punkte:

  • Sicherheitsanforderungen
  • Kontroll- und Überwachungsfunktionen
  • Standby-Funktionen
  • Thermo-Management
  • Krypto-Algorithmen
  • Zukünftige Aufgaben

Wie sich das BMS schematisch in den Gesamtkontext der Hochspannungsbatterie im Elektrofahrzeug einordnet, ist in Bild 1 dargestellt. Sicherheitsanforderungen Bestimmte E/E-Systeme wie beispielsweise das BMS werden im Rahmen der ab 2015 in Europa verbindlichen Sicherheitsnorm ISO 26262 bei einigen OEMs mit den aus heutiger Sicht hohen Sicherheitsstufen ASIL C bis ASIL D eingestuft werden. 

Das entspricht einer Fehlererkennungsrate von mindestens 97 % bzw. 99 %. Welche Fehler im Einzelnen berücksichtigt werden müssen. In puncto Sicherheit kommt dem Hauptschalter (Main Relais) eine zen-trale Funktion zur Unfallvermeidung und zur adäquaten Fehlerreaktion der BMS-Elektronik zu. Der Schalter soll im Fehlerfall innerhalb einer angemessenen Fehlerreaktionszeit (z.B. <10 ms) durch die BMS-Baugruppe geöffnet werden (Break after Make).

Dabei ist der unkritische „Fail Safe“-Zustand immer dadurch gekennzeichnet, dass selbst bei Versagen des BMS-Mikrocontrollers das externe „Safing-Element“ (beispielsweise ein Window-Watchdog) dafür sorgt, dass das Hauptschalter-Relais auch beim Totalausfall der Controller-Logik sicher beide Hochspannungskontakte zum Inverter (Plus/Minus) öffnet. Neben dieser wichtigen ASIL-relevanten Sicherheitsfunktion können in einem BMS auch weitere Schutzfunktionen integriert werden: Bei der Kriechstrom-Überwachung zum Chassis etwa werden selbst relativ hochohmige fehlerhafte Nebenschlüsse des Hochspannungskreises zum Chassis erfasst und im Batterie-Managment-System bewertet.

Bei der Hauptschalter-Relais-Überwachung wird die Spannung vor und nach dem Hauptschalter gemessen und daraus errechnet, ob der Hauptschalter seine niederohmige Schließfunktion noch vollständig an beiden Kontakten erfüllen kann. Kontroll- und Überwachungsfunktionen Zu den klassischen Funktionen des BMS gehören die Kontrolle sowie die Pflege und Wartung der teuren Hochspannungsbatterie im Elektrofahrzeug. Das BMS übernimmt dabei als klassischer Master die Kontrolle und Überwachung der im Batterie-Stack eingebauten elektronischen Balancing Slaves. Diese Balancing-ICs dienen als vom BMS galvanisch entkoppeltes elektronisches Front-end der einzelnen Hochspannungsbatterie-Zellen und übernehmen neben dem typischen Balancing der Zellen zueinander noch die genaue Erfassung der einzelnen Zell-Spannungen. Ein Balancing-IC kümmert sich dabei meist um einen Cluster von bis zu zwölf Einzelzellen. Die entsprechende Anzahl von Clustern in Serie geschaltet ergibt dann die benötigte hohe Zwischenkreisspannung der Inverter-Regelung für den Antriebsmotor im Elektrofahrzeug von bis zu mehreren hundert Volt.

Die synchrone Messung des Gesamtstromes aller Hochspannungsbatteriezellen durch den Hauptschalter sowie das zeitgleiche zellgenaue Monitoring aller Einzelzellspannungen über die Slave-ICs ermöglicht dem BMS, unter Zuhilfenahme von spezifischen Algorithmen (z.B. auf Basis von Matlab-Simulink-Modellen der Batterie-Chemie) die Batterieparameter wie etwa „State of Health“ oder „State of Charge“ zu bewerten. Daraus werden meist mit Hilfe von Kalibrierparametern korrespondierende Lade- und Entladestrategien errechnet, die maßgeblich dazu beitragen, die Lebensdauer der Hochspannungsbatterie zu garantieren sowie kritische Über-/Unter-Ladungszustände zu vermeiden.

Das BMS ist dabei normalerweise nicht in der Hochspannungsbatterie selbst verbaut, sondern über zumeist redundante, galvanisch entkoppelte Busssysteme (beispielsweise CAN oder andere proprietäre differenzielle Busse) an die elektronischen Balancing-Slaves angeschlossen. Seine Versorgungsspannung bezieht es aus der normalen Fahrzeugspannung (12-V-Batterie), damit es problemlos über die vorhandene Netzwerkarchitektur in den bestehenden Steuergeräteverbund mit einbezogen werden kann.

Dies dient letztlich auch der Sicherheit, weil das BMS beispielsweise bei einem chemischen oder mechanischen Defekt innerhalb der Hochspannungsbatterie so immer noch funktionsfähig bleibt und den Hauptschalter sicher öffnen kann. Wegen der immer komplexeren batteriespezifischen chemisch-elektrischen Algorithmen werden im BMS heute Mikrocontroller mit einer Flash-Speichergröße von 2,5 bis 4 MB und mit leistungsfähiger Multicore-Prozessor-Architektur eingesetzt. Diese Kombination garantiert zum einen genügend Speicherplatz für umfangreiche Kalibrierparameter und zum anderen ausreichend Rechen-Power.