Für größere Entfernungen Effizienter Betrieb von Elektro- und Hybridfahrzeugen

Intelligentes Batteriemanagement  bei E-Fahrzeugen für mehr Reichweite und Effizienz.
Intelligentes Batteriemanagement bei E-Fahrzeugen für mehr Reichweite und Effizienz.

Die benötigten Halbleiter beeinflussen bei E-Fahrzeugen die Effizienz des Antriebsstrangs und somit die Reichweite. Neue Entwicklungen können die Eigenschaften weiter verbessern. Zudem kann ein intelligentes Batteriemanagement die Lebensdauer und die Ausbeute der Batteriezellen steigern.

Sowohl bei einem Elektroauto (EV) als auch bei einem Hybridfahrzeug (HEV) sind für den Betrieb bestimmte Komponenten erforderlich: von der Batterie (48 V/400 V/800 V) über den Inverter zum Ansteuern der Elektromotoren und den On-Board-Charger (OBC) bis zu verschiedenen DC/DC-Wandlern zur Versorgung des Bordnetzes mit unterschiedlichen Spannungen.

Für die einzelnen Systeme sind wiederum spezielle Halbleiterbaugruppen erforderlich, wie beispielsweise Batteriemanagement-ICs, Leistungstransistoren (IGBT, SiC und HV-PowerMOS), Dioden, Module, isolierte Gate-Treiber und Mikrocontroller. Bild 1 zeigt exemplarisch die erforderlichen Komponenten eines E-Fahrzeugs.

Batterieelektronik und Batteriemanagementsysteme (BMS)

Aktuell werden in elektrifizierten Autos nahezu ausschließlich Lithium-Ionen-Akkus mit einer Zellspannung von circa 3,6 - 3,7 V verwendet. Um Spannungen von 400 V beziehungsweise 800 V zu erreichen, werden daher zahlreiche Zellen zusammengeschaltet. Jede einzelne Zelle muss dabei hinsichtlich Spannung, Temperatur sowie Entlade- und Ladestrom überwacht werden.

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Batterieelektronik und BMS, Bilder 1-3

Batterieelektronik und Batteriemanagementsysteme, Bilder 1-3

Am Markt verfügbare Überwachungsschaltungen können aktuell bis zu 14 Zellen zeitgleich überwachen. Die sogenannten BMS-ASSPs (Application Specific Standard Products) werden, kapazitiv oder induktiv getrennt, entsprechend zusammengeschaltet. Bild 2 veranschaulicht, wie ein BMS zur Überwachung der 400-V-Traktionsbatterie aussehen kann. Dabei steuert eine Zentraleinheit (BMC) die entsprechenden Cell Management Controller (CMC). In den CMCs sind wiederum die mehrkanaligen Überwachungs-ICs verbaut.

Da die Batterien und deren Überwachung sicherheitsrelevant sind, müssen auch die ASSPs nach ISO 26262 entwickelt werden, um die ASIL-D-Anforderungen zu erfüllen. Exemplarisch zeigt Bild 3 die Blockschaltung des neu entwickelten Batterie-Management-ASSPs mit der Bezeichnung L9963 von STMicroelectronics. Der Baustein kann 14 Batteriezellen überwachen und sowohl induktiv als auch kapazitiv gekoppelt werden. Eine hohe Präzision der Wandler zeichnet das Produkt aus. Der Strom wird mit einer Toleranz von 0,5 Prozent erfasst (18-bit-A/D-Umsetzer), die Spannungsmessung hat einen maximalen Wandlerfehler von ±2 mV. Die einzelnen Zellen können passiv bis zu einem Strom von 200 mA ohne zusätzliche externe Transistoren entladen beziehungsweise geladen werden. Ist der Strom nicht ausreichend, kann er durch die Verwendung von externen Transistoren erhöht werden.

Hochvolt-Schützersatz und -ansteuerung

Die Batterien von Elektro- und Hybridfahrzeugen müssen sowohl im Stillstand als auch im Ernstfall von den Stromaufnehmern getrennt werden. Dafür kommen Hochvoltschütze zum Einsatz, die neben hohen Spannungen auch hohe Ströme von mehr als 1.000 A über einen kurzen Zeitraum schalten müssen. Nicht nur der Antriebsinverter muss entsprechend stromlos geschaltet werden können, sondern auch andere Hochspannungs-/Hochstromkomponenten. In den sogenannten Schaltboxen sind teilweise bis zu sechs Schütze verbaut, die viel Bauraum einnehmen und entsprechend schwer sind. Dabei können Halbleiter die Hochvoltschütze ersetzen.

Ein Schütz ist grundsätzlich ein Relais und damit ein Schalter, der sich durch entsprechende Schalttransistoren ersetzen lässt. Dafür eignen sich prinzipiell folgende drei Techniken:

  • Klassische Hochvolt-MOS-Leistungstransistoren
  • IGBTs
  • Silizium Karbid-Transistoren

Alle drei Techniken sind sowohl für den Spannungsbereich als auch für die hohen Ströme (durch Parallelschaltung von Transistoren) geeignet. Die klaren technischen Vorteile des Halbleiterprodukts liegen in nachfolgenden Bereichen:
Reaktionsgeschwindigkeit

  • Lebensdauer/Alterungsprozess
  • Größe
  • Gewicht

Die Aufbautechnik der parallelgeschalteten Transistoren (MOS, SiC oder IGBT) bestimmen entscheidend die Kosten und die technischen Eigenschaften des Produkts. Gegen den flächendeckenden Einsatz sprechen aktuell noch die Verfügbarkeit, die fehlende Felderfahrung und der Preis.

Bild 4 zeigt eine Blockschaltung eines elektronischen Schalters (Solid State Relais, SSR). Es sind auch Zwischenlösungen denkbar, bei denen durch elektrische Zusatzschaltungen zunächst die Größe der Schütze reduziert werden kann.

Da die Schalter ebenfalls sicherheitsrelevant sind, muss die richtige Ansteuerung der Schütze schaltungstechnisch aufwendig überwacht werden. Dazu zählen eine Überwachung des Treiberstroms und die Ansteuerung mit einem High-Side- und einem Low-Side-Schalter. Aufgrund der mangelnden Verfügbarkeit von integrierten Produkten wird die Ansteuerung mit diskreten Bauteilen umgesetzt.

Aber auch dafür sind bereits höher integrierte Halbleiterprodukte erhältlich, die aus anderen Anwendungsbereichen stammen. Der L9305 (Bild 5) ist beispielsweise ein vierkanaliger Schalter, der bei Parallelschaltung von zwei Ausgängen (um den erforderlichen Ansteuerstrom für den Schütz zu erreichen) insgesamt zwei Schütze ansteuern kann. Das Bauteil wurde ursprünglich für Getriebesteuerungen entwickelt und kann den Strom in den Getriebeventilen über den gesamten Automotive-Temperaturbereich auf ±1 Prozent genau regeln. Da der sichere Betrieb der Schütze und der Ansteuerung gemäß ASIL C/D gewährleistet sein muss, ist der L9305 durch die ISO-26262-Konformität geeignet.