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Batterie-Management-Systeme

Was moderne BMS leisten müssen

12. August 2013, 8:16 Uhr | Von Klaus Scheibert und Björn Steurich

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Standby-Funktionen

Auch wenn das Auto nicht fährt, weil es etwa im Parkhaus steht, möchten die Hersteller von Elektrofahrzeugen meist in regelmäßigen Intervallen den Ladezustand der Batterie sowie der einzelnen Zellen überwachen. Dazu ist es unerlässlich, dass das BMS spezielle Standby-Funktionen bereitstellt, die auf der einen Seite nur eine sehr geringe Stromaufnahme des Mikrocontrollers im µA-Bereich benötigen und auf der anderen Seite beispielsweise über einen Timer das System kurz aufwecken können, um die Batteriedaten dann im Aktiv-Modus des BMS via Balancing-ICs zu erfassen.

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Zu diesem Zweck ist in einigen Varianten des Aurix-Mikrocontrollers (Bild 2 und siehe Ende des Artikel in dem Textabschnitt "Mikrocontroller für Batterie-Management-Systeme") neben der leistungsfähigen TriCore-Multicore-Architektur monolithisch (auf demselben Silizium) zusätzlich ein 8-bit-Standby-Mikrocontroller in einer separaten Low Power Domain integriert. Dieser 8-bit-Mikrocontroller kann beim BMS die Aufgabe des zyklischen Aufweckens mit Hilfe eines Wake-up-Timers übernehmen.

Thermo-Management

Baubedingt enthalten die Hochspannungsbatterie-Module oft noch ein aktives Thermo-Management, also eine Heizung für den Winter oder ein Kühlsystem für den Sommer. Diese können auf Luft- oder Wasserkühlung basieren. In beiden Fällen wird das BMS dazu verwendet, um die entsprechenden Temperaturdaten der Batterie zu erfassen und die Aktoren (z.B. Lüftermotoren oder Wasserpumpen) aktiv anzusteuern und zu regeln. Dank eingebauter Digital/Analog-Konverter und vielfältiger Timer-Funktionen können Mikrocontroller diese Aufgabe problemlos übernehmen.

Krypto-Algorithmen

Es gibt viele gute Gründe, die Original-OEM-Batterie im Elektrofahrzeug gegen unbefugte Eingriffe durch Dritte abzusichern. So kann zum einen die Garantiezeit der Batteriehersteller nur gewährleistet werden, wenn sich Manipulationen etwa durch „After Market“-Anbieter ausschließen lassen. Zum anderen birgt beispielsweise das Auswechseln von einzelnen Zellen im Batterieverbund oder der Zusammenbau von gebrauchten Batterien aus ausgeschlachteten Einzelteilen die latente Gefahr von sicherheitsrelevanten Störfällen bis hin zu Explosionen oder Brand. Entsprechende Schutzbausteine, wie etwa ein Origa-Chip von Infineon, lassen sich direkt in den einzelnen Zell-Clustern verbauen. Als kostengünstige Alternative kommt aber auch ein logischer Schutz in Form eines Hardware-Security-Moduls (HSM) in Frage, das bereits im Mikrocontroller integriert ist.

Das HSM im Aurix kann hier effektiv dazu beitragen, die oben beschriebenen Szenarien als Batterie-Master zu erkennen und in einem sicheren Datenspeicher abzulegen. Autorisierte Werkstätten können diese Information bei der Wartung des Fahrzeuges auslesen und damit die Authentizität der Batterie feststellen. So wird beispielsweise der Zustand der einzelnen Batteriezellen über die Lebensdauer als AES-verschlüsseltes Profil abgelegt, so dass auf Basis dieser Daten ein unbefugter Austausch von einzelnen Zellen auffallen würde.

Man kann davon ausgehen, dass ein typisches Batterie-Cluster-Profil einem Fingerabdruck nahe kommt, der so individuell ist, dass ein ausgewechseltes Cluster problemlos erkannt wird. Ein weiteres Anwendungsfeld von Krypto-Algorithmen ist die Auflade-Kontrolle, also der Vergleich der in Rechnung gestellten Lademenge vom externen Provider und der tatsächlich gemessenen Lademenge über das BMS.