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Batteriemanagement in Elektrofahrzeugen

ASIL-D-Zertifizierung für erstes drahtloses BMS-System

07. Januar 2021, 08:00 Uhr   |  Ute Häußler

ASIL-D-Zertifizierung für erstes drahtloses BMS-System
© Texas Instruments

Drahtlose Batteriemanagement-Systeme zielen vor allem auf die Reduzierung von Gewicht und Kosten in Elektrofahrzeugen.

Vor der CES hat Texas Instruments das bisher leistungsfähigste drahtlose BMS-System vorgestellt. Ein eigens entwickeltes Funk-Protokoll bringt 99,999 % Netzwerk-Verfügbarkeit und Sicherheit. Vom TÜV Süd bewertet befähigt es Automobilhersteller zum Bau zuverlässigerer und effizienterer Elektroautos.

Im November 2020 brachte Analog Devices das erste drahtlose Batteriemanagement-System für Elektroautos auf den Markt und setzte damit einen neuen Benchmark. Doch die Entwicklungen im umkämpften Automotive-Markt laufen schnell und zumeist parallel. So verwundert es nicht, dass Texas Instruments knapp zwei Monate später ein ähnliches BMS-Konzept vorstellt – und im Vorfeld der virtuellen CES Las Vegas mit ASIL D-Zertfizierung punktet.

Die laut TI-Presseinformationen branchenweit leistungsfähigste Lösung für drahtlose BMS-Anwendungen wartet mit dem ersten unabhängig bewerteten Functional-Safety-Konzept auf. Durch ein fortschrittliches Funk-Protokoll mit der beachtenswerten 99,999 % Netzwerkverfügbarkeit können Fahrzeugkonstrukteure auf schwere, teure und wartungsanfällige Kabel verzichten und damit die Zuverlässigkeit und Effizienz von Elektrofahrzeugen verbessern.

Branchenexperten rechnen damit, dass sich drahtlose Batteriemanagement-Systeme auf dem EV-Markt zunehmend durchsetzen, weil diese nicht nur Designflexibilität und weniger Komplexität, sondern auch niedrigere Kosten verursachen.

Das vorgestellte BMS-Kit von Texas Instruments beinhaltet ein Evaluierungsmodul für den mit 2,4 GHz getakteten SimpleLink Wireless-Mikrocontroller CC2662R-Q1, Software und Functional-Safety-Ressourcen wie ein Safety Manual, eine Fehlermöglichkeits- und -einflussanalyse (Failure Mode and Effects Analysis, FMEA), eine Diagnose-Analyse (FMEDA) sowie den Konzeptreport des TÜV SÜD. Das Ziel von TI ist es, Automobilherstellern eine BMS-Lösung an die Hand zu geben, die mit einer geringeren Design-Komplexität, weniger Gewicht sowie mehr Zuverlässigkeit und mehr Reichweite schneller an den Markt gehen kann.

Konformität zu ASIL D für die Norm ISO 26262

Die quantitativen und qualitativen Fehlererkennungs-Performance des Functional-Safety-Konzepts der drahtlosen BMS-Lösung wurde beim TÜV SÜD unabhängig überprüft und im Rahmen des Automotive Safety Integrity Level (ASIL) D, des höchsten Zertifizierungsgrads der ISO-Norm 26262, bewertet.

Mit einem neuen, eigens für  drahtlose BMS-Anwendungen entwickelten Funk-Protokoll zielt TI mit dem Functional-Safety-Konzept speziell auf die Detektierung von Kommunikationsfehlern sowie auf Sicherheitsaspekte. Das mithilfe des Wireless-Mikrocontrollers CC2662R-Q1 implementierte, proprietäre Protokoll ermöglicht einen robusten und skalierbaren Datenaustausch zwischen einem hostseitigen Systemprozessor und dem unlängst angekündigten Batterie-Monitor und -Balancer BQ79616-Q1.

Geschützte, beste Netzwerkverfügbarkeit

Mit der nach eigenen Aussagen branchenweit höchsten Netzwerkverfügbarkeit von mehr als 99,999 % und einem Restart des Netzwerkes innerhalb von maximal 300 ms liegt das BMS-Funkprotokoll von TI auf dem Niveau von Kabelverbindungen. Selbst im Falle eines Fehlers und damit Restarts bleiben alle Systeminformationen wie Spannungen und Temperaturen in Echtzeit verfügbar. Mit dem Wireless-Mikrocontroller CC2662R-Q1 sorgen spezielle, hohen Durchsatz und geringe Latenz bietende Zeitschlitze dafür, dass die Daten vor Verlust oder Verfälschung geschützt werden. Mehrere Batteriezellen können dabei ihre Spannungs- und Temperaturdaten mit einer Genauigkeit von ±2 mV und einer Netzwerk-Paketfehlerrate von unter 10-7 an den Haupt-Mikrocontroller übermitteln.

Potenziellen Bedrohungen können Automobilhersteller mit Security-Ressourcen wie dem Austausch und der Auffrischung der Schlüssel, der eindeutigen Bausteinkennung, Debug-Sicherheit, dem Schutz der Software-IP durch einen JTAG-Lock (Joint Test Action Group), beschleunigter 128-Bit-AES-Kryptografie (Advanced Encryption Standard) und Message Integrity Checks begegnen.

Plattform-übergreifend skalierbare Designs

Mit Blick auf die langfristigen Designanforderungen der Automobilhersteller besitzt das neue drahtlose BMS eine hohe Skalierbarkeit, laut TI die höchste in der Industrie. Das deterministische Protokoll bietet einen hervorragenden Durchsatz und ermöglicht Automobilherstellern die Realisierung eines Batteriemoduls, in dem ein einziges Wireless-System-on-Chip mit mehreren Batteriemonitoren des Typs BQ79616-Q1 verbunden ist. So sind verschiedene Konfigurationen, wie etwa Systeme mit 32, 48 oder 60 Zellen realisierbar.

Das System ist mit einer geringen Latenz von unter 2 ms pro Knoten und Synchronisation über sämtliche Knoten hinweg für bis zu 100 Knoten ausgelegt. Der Wireless-Mikrocontroller CC2662R-Q1 isoliert die einzelnen Zellüberwachungs-Einheiten voneinander, sodass auf Daisy-Chain-Isolationsbausteine mit den entsprechenden Kosten verzichtet werden kann. Der Batterie-Monitor und -Balancer BQ79616-Q1 wartet in ein und demselben Gehäusetyp mit unterschiedlichen Kanaloptionen auf, was für Pinkompatibilität sorgt und die 100-prozentige Wiederverwendbarkeit der etablierten Hard- und Software auf allen Plattformen ermöglicht.

Verfügbarkeit und Vorteile für Autokäufer

Texas Instruments kann zum jetzigen Zeitpunkt noch keinen festen Kunden für sein neues System nennen, wie es zuletzt Analog Devices mit GM’s Ultium-Plattform tat. Das Unternehmen sagte aber, dass konkrete Partnerschaften sehr bald bekannt gegeben werden und der praktische Marktstart nicht lange auf sich warten lassen wird. Alle Software und Hardware rund um das drahtlose BMS-System ist ab dem 07. Januar verfügbar und der TI-Support steht interessierten Kunden unverzüglich zur Seite.

Für Besitzer von Elektrofahrzeugen könnte ein drahtloses BMS-System zu sinkenden Anschaffungskosten, einer höheren Reichweite und auch zu einer verbesserten Zuverläßigkeit führen. Karl-Heinz Steinmetz, General Manager Automotive Powertrain bei TI, verweist unter anderem auf die Möglichkeit für OEMs sogenannte Fail Operational-Konzepte zu entwickeln und damit Elektroautos auch nach Ablauf der garantierten Batterienutzungsdauer ein zweites Leben zu ermöglichen.

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