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Batteriemanagement-System (BMS)

»Wir können es besser«

04. Dezember 2020, 10:47 Uhr   |  Iris Stroh

»Wir können es besser«
© Analog Devices

Analog Devices kann dank einer ganzen Familie von Batterieüberwachungs-ICs alle Arten von Batteriepaketen unterstützen.

Ein Batteriemanagement-System übernimmt eine Reihe von Aufgaben beim Laden und Entladen der Batterie und beeinflusst entscheidend die Reichweite eines E-Fahrzeuges sowie die Lebensdauer der Batterie. Was aber macht ein gutes BMS aus?

Ein BMS mit Zell-/Modul- und Batteriepaket-Überwachungsbausteinen muss Zellspannungen und -temperaturen sowie Spannungen und Strom der Batteriepakete messen, um den Ladezustand (SoC) und die Alterung der Zellen (SoH) bestimmen zu können. Die Spannungsmessung muss zeitsynchron mit der Strommessung erfolgen. Um hohe Leistungen zu erzielen, werden Zellen in Reihe geschaltet, zu Modulen zusammengefasst und als Batteriepakete über das Fahrzeug verteilt. Dementsprechend ist eine Kommunikation notwendig, die trotz der harschen Automotive-Umgebung hinsichtlich elektromagnetischer Störungen eine robuste Kommunikation ermöglicht. Sie muss skalierbar sein, um unterschiedliche modulare Batteriepaketkonfigurationen zu ermöglichen, und sie muss HV-Batteriepakete überwachen können. Und nachdem die Batteriezellen in einem Batteriepaket zueinander immer kleine Unterschiede in der Kapazität aufweisen und die schwächste Zelle den Ladevorgang sowie den Entladevorgang bestimmen würde, ist ein Zellenausgleich (Cell Balancing) erforderlich – aktiv oder passiv.

Soweit zu den Aufgaben, die alle BMS durchführen können. Der eigentliche Unterschied aus Sicht von Uwe Bröckelmann, Senior Director of Technology, E-Mobility bei Analog Devices, besteht darin, wie gut das BMS diese Aufgaben erfüllt. Und hier sieht er Analog Devices in vielen Punkten eindeutig in Führung. Zum einen können die Überwachungsbausteine von Analog Devices die Zellspannungen und -temperaturen sowie die Spannungen und Ströme der Batteriepakete sehr genau gemessen, so »dass das Batteriemanagement-System die Batterie viel näher an ihre Grenzwerte heranfahren und mehr aus der Batterie herausholen kann«, so Bröckelmann. In konkreten Zahlen ausgedrückt heißt das, dass die Spannungen mit einer Genauigkeit von 2 mV gemessen werden und das über die gesamte Lebenszeit und alle Temperaturschwankungen hinweg. Davon seien die Mitwettbewerber deutlich entfernt, »sie schaffen im Realbetrieb vielleicht 5 mV«, erklärt Bröckelmann weiter.

Diese hohe Genauigkeit erreicht ADI mit einer besonders stabilen Spannungsreferenz: eine vergrabene Zenerdiode, die sich durch eine sehr gute Langzeitstabilität, geringes Rauschen und einer genauen Anfangstoleranz auszeichnet. Dazu kommt noch das Know-how von ADI, was A/D-Wandler anbelangt, so dass eine gute Rauschunterdrückung ebenfalls gewährleistet ist. Bröckelmann: »Dank dieser genauen Messungen sind SOC und SOH besser bestimmbar.«

Darüber hinaus kommen für den passiven Zellenausgleich interne Leistungsschalter zum Einsatz, die einen Entladestrom von bis zu 200 mA ermöglichen. ADI hat auch ICs, die ein aktives Balancing unterstützen. Doch Bröckelmann hält diesen Ansatz für zu aufwendig, denn die Zellen sind von der Kapazität ausreichend ähnlich, dass innerhalb einer Batterie nur wenig Kapazitätsunterschiede bestehen, die ausgeglichen werden müssen. »Damit ist der Energieverlust durch Balancing für die Gesamtbatterie vernachlässigbar, passives Balancing ist im Vergleich zum aktivem aber deutlich kostengünstiger und einfacher umzusetzen«, so Bröckelmann weiter. Außerdem ließe sich die überschüssige Ladung in manchen Betriebszuständen auch zum Wärmen der Batterie nutzen, denn »ca. 30 °C ist die beste Temperatur, um eine Batterie zu laden.«

Die Anforderungen an die Kommunikation in einem BMS sind ebenfalls nicht ohne. Einerseits muss sie unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen sein, andererseits muss sie auch hochgradig skalierbar und natürlich zuverlässig sein. Analog Devices nutzt dafür seine proprietäre isoSPI-Schnittstelle, eine Zweidrahtleitung mit hoher HF-Immunität sowie Datenraten von anfänglich bis zu 1 Mbit/s. Darüber hinaus bietet ADI mittlerweile auch Automotive-taugliche, drahtlose Kommunikation an, wodurch die Verdrahtung wegfällt und das Gewicht sowie Kosten sinken. Bedenken, dass eine drahtlose Kommunikation nicht zuverlässig ist, lässt Bröckelmann nicht gelten. Zum einen sei die drahtlose Kommunikation als technisches Problem längst gelöst, zum anderen sind typischerweise Kabel- und Steckerprobleme die häufigste Fehlerursache. Die drahtlose Kommunikation basiert auf der Mesh-Technologie von Dust Networks, die vor Jahren von Linear Technology übernommen wurde und so seit 2017 zu Analog Devices gehört. Bröckelmann weiter: »Nachdem aber nicht jeder OEM sofort auf ein drahtloses BMS umsteigen wird, haben wir auch unsere isoSPI-Technologie weiterentwickelt.« So wurde die Datenrate auf 2 Mbit/s erhöht, die Kommunikation kann jetzt in beide Richtungen ablaufen und eine galvanische Trennung mittels Kondensatoren wird unterstützt.

Bröckelmann_Uwe
© WEKA Fachmedien

Uwe Bröckelmann, Analog Devices: »Unsere BMS-ICs zeichnen sich durch die industrieweit höchste und zeitsynchrone Messgenauigkeit aus. Sie ermöglichen ASIL-D-Systeme, verfügen über eine einfache und robuste Kommunikation, unterstützen hohe Ströme für das passive Balancing und verfügen über konfigurierbare Filter hoher Ordnung.«

Bröckelmann weiter: »Unsere Überwachungs-ICs wurden nach den Vorgaben von ISO 26262 entwickelt und ermöglichen somit die Realisierung von sicherheitskritischen Systemen mit ASIL D-Anforderungen.«

Vielfältigkeit ist entscheidend

Auf der electronica virtual hat ADI ein BMS-Demo-Board gezeigt, das eine genaue Messung von einer Batterie mit 36 Zellen durchführt. Nachdem es keinerlei Standards hinsichtlich der Anordnung und der Anzahl von Batteriezellen gibt, wurden auf dem Board drei Varianten eines Zellen-Monitor-ICs mit verschiedenen Kanalzahlen implementiert, alle über eine Daisy-Chain-Verbindung via isoSPI verbunden. Bröckelmann: »Es gibt heute noch keine einheitlichen Modulgrößen, wir können mit unserer Familie von Batterieüberwachungsbausteine trotzdem alle Arten von Batteriepaketen abdecken.«

Darüber hinaus bietet das Unternehmen auch ICs für 48-V-Systeme an, ein wichtiger Ansatz, um Verbrennungsmotoren schnell und kostengünstig zu elektrifizieren und die CO2-Emissionen zu reduzieren. »Diese Technik bietet ein sehr gutes Kosten-Nutzen-Verhältnis«, so Bröckelmann weiter, der überzeugt ist, dass Verbrennungsmotoren uns noch einige Jahre begleiten werden. Wobei er hinzufügt, dass die 48-V-Technik auch für E-Scooter sehr interessant sei.

Entwicklungsbeispiele

Bröckelmann weist noch auf diverse Entwicklungs-Boards hin, die ADI zur Verfügung stellt. Dazu zählt beispielsweise ein 3-Phasen-Gate-Treiber-Board für 800-V-SiC-Module. Werden im Inverter aus Effizienzüberlegungen statt IGBT SiC-Module eingesetzt, müssen diese besser gegen Überstrom geschützt werden, sprich, ein schnelles Erkennen von Überströmen und ein schnelles Abschalten müssen möglich sein, ansonsten würde der SiC-Schalter laut Bröckelmann zerstört oder zumindest schneller altern. Damit das nicht passiert, ist auf dem Board der ADuM4177, ein isolierter Gate-Treiber, zu finden. Der Baustein zeichnet sich laut Bröckelmann durch den höchsten CMTI-Wert (Gleichtaktschwankungsimmunität: über 150 V/ns), die höchste Treiberstärke (20 A) und den schnellsten Kurzschlussschutz (unter 1 µs) aus. Bröckelmann: »Derzeit stehen Muster zur Verfügung, die Automotive-Variante wird 2021 auf den Markt kommen.« Ebenfalls integriert ist der LT8301, ein Flyback-Controller, der bereits jetzt als Automotive-Variante verfügbar ist. Bröckelmann: »Mit diesem Baustein lassen sich isolierte Versorgungsspannungen für die Gate-Treiber sehr effizient zur Verfügung stellen.«

Darüber hinaus treibt ADI auch Entwicklungen von AMR-Sensoren (Anisotrope Magneto-Resistive Sensoren) voran. Das Unternehmen will im Sommer 2021 AMR-basierte Stromsensoren auf den Markt bringen, die bis zu mehreren 100 A messen können. Samples sind bereits jetzt verfügbar, ein Entwicklungsboard (Ringanordnung) mit mehreren Sensoren steht ebenfalls schon zur Verfügung. ADI will außerdem seine AMR-basierten Positionssensoren erweitern. Laut Bröckelmann gibt es bereits AMR-Positionssensoren mit einer Winkel-Auflösung von 180 Grad, im Sommer 2022 sollen Industrievarianten mit einer 360-Grad-Auflösung kommen, Automotive-Varianten sollen kurze Zeit später folgen.

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