Batteriemanagementsysteme Teil 1 Flexibilität ist ein Muss

Uwe Bröckelmann, Analog Devices: »Was das ADI-Portfolio auf dem Markt besonders auszeichnet, ist die hochgenaue integrierte Spannungsreferenz. Damit erzielen die Bausteine über die Lebenszeit die genausten Messergebnisse.«
Uwe Bröckelmann, Analog Devices: »Was das ADI-Portfolio auf dem Markt besonders auszeichnet, ist die hochgenaue integrierte Spannungsreferenz. Damit erzielen die Bausteine über die Lebenszeit die genausten Messergebnisse.«

E-Mobilität umfasst nicht nur ein sehr breites Spektrum verschiedener Fahrzeugmodelle, sondern auch unterschiedliche Ladekonzepte, Batterien etc. Dementsprechend unterschiedlich fallen die Anforderungsprofile für das Batteriemanagement aus.

Die Fraunhofer-Gesellschaft definiert das Batteriemanagementsystem folgendermaßen: »Für die Funktionsweise und optimale Nutzung sowie die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Batteriesystems ist das Batterie-Managementsystem (BMS) von zentraler Rolle. Die exakte Bestimmung des Ladezustandes (SOC: State of Charge) und des Alterungszustandes (SOH: State of Health) der einzelnen Zellen durch das BMS gewährleistet beispielsweise zum einen, dass die maximale Ladekapazität des Batteriesystems ausgeschöpft und zum anderen ein hohes Maß an Zuverlässigkeit und Sicherheit garantiert wird. Das BMS ist somit die zentrale Intelligenz des Batteriesystems und wichtiges Element von reichweitenoptimierten Elektrofahrzeugen.«

Das BMS übernimmt also eine wichtige Rolle, und auch wenn derzeit die Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion) die geläufige Batterietechnik ist, sind die Anforderungsprofile an das BMS trotzdem vielfältig. Denn E-Mobilität fängt bei reinen E-Fahrzeugen an und endet bei den Hybridvarianten – Voll-, Plug-in, Mildhybrid und Mikrohybrid. Bei batteriebetriebenen Fahrzeugen gibt es Modelle, die mit einer Batteriekapazität von gut 35 kWh ausgestattet sind; die Teslas/Taycans dieser Welt wiederum kommen auf eine Kapazität von bis zu 100 kWh. Die diversen Hybridmodelle vergrößern die Spannweite, denn die Batteriekapazitäten liegen bei diesen Fahrzeugtypen noch deutlich unter denen der reinen E-Fahrzeuge.

Dazu kommt noch eine Vielzahl von Ladetechniken. Da die Ladezeit das Produkt aus Batteriekapazität (des Fahrzeugs) und Ladeleistung (der Ladestation) ist, braucht ein E-Fahrzeug mit großer Batterie andere Ansätze zum Laden als ein kleines E-Fahrzeug, das zur Not auch noch an der Steckdose zuhause (Leistung von zirka 3,7 kW) geladen werden kann. Dementsprechend gibt es Ladestationen, an denen mit Wechselspannung, und welche, an denen mit Gleichspannung (Schnellladen) geladen wird. Die Ladeleistung reicht von 3,5 kW (Steckdose zuhause) bis 350 kW, wobei im Forschungsprojekt FastCharge auch schon mit 450 kW gearbeitet wurde.

Uwe Bröckelmann, Field Technical Director EMEA bei Analog Devices, bestätigt: »Heutige Fahrzeugbatterien weisen in der Tat eine große Vielfalt auf, aber haben auch einige Gemeinsamkeiten. So werden beispielsweise im Wesentlichen nur 2-Zell-Chemien in Fahrzeugen eingesetzt. Die Spannungen für Traktionsbatterien reichen allerdings von 48 bis 800 V, und vor allem die Anzahl der Zellen, die zusammen in einem Modul platziert werden, unterscheidet sich deutlich zwischen den Fahrzeugherstellern.«

Die Halbleiterhersteller, die in diesem Bereich aktiv sind, entwickeln nicht für jedes Anforderungsprofil einen eigenen IC. Vielmehr setzen alle Halbleiterhersteller auf Flexibilität, sodass die ICs möglichst viele Anwendungsfälle abdecken zu können. Carlo M. Ciaramelletti, Executive Business Manager für Battery Management Systems in der Automotive Business Unit von Maxim, liefert die einfache Begründung: »Auch wenn im Batteriemanagement eine stetige Weiterentwicklung notwendig ist, ist es auch wichtig, Bausteine auf den Markt zu bringen, die flexibel genug sind, um mit den meisten Marktanforderungen Schritt halten zu können, denn nur dann kommen Skaleneffekte zum Tragen, die wiederum wichtig sind, um die Kosten von Elektrofahrzeugen auf dasselbe Niveau wie von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren zu bringen.« Darüber hinaus betonen alle Hersteller einen Punkt: Die Genauigkeit der Messungen sei von entscheidender Bedeutung. Den Grund dafür erklärt Niall Lyne, Vice President of Automotive Power & Video Business Division von Renesas Electronics: »Je genauer die SOC- und SOH-Berechnungen sind, desto besser kann die Batterie genutzt werden. Das heißt, desto genauer sind die Reichweiteninformationen und umso besser kann die Leistung der Batterie über ihre gesamte Lebensdauer aufrechterhalten werden.« Wobei nicht alles von den BMS-ICs abhängt, denn Lyne fügt noch hinzu, dass neben der Messgenauigkeit des Batteriemanagement-IC auch die Algorithmen entscheidend sind, die zur Modellierung der Batterie über ihre Lebensdauer verwendet werden – beides muss also gut sein.

Flexibilität und Skalierbarkeit

»Der Halbleiterhersteller steht vor der Herausforderung, mit möglichst wenig Bausteinvarianten effiziente und skalierbare Lösungen anbieten zu können«, so Bröckelmann weiter. Analog Devices (ADI) beispielsweise bietet BMS-Bausteine mit 6, 12, 15 und 18 Eingängen zur Spannungsmessung an. Dazu kommen Temperatureingänge, Ausgänge zur Steuerung der Ladungsbilanzierung, Treiber für eine isolierte Daisy-Chain-Schnittstelle und vielfältige Diagnosefunktionen zur Unterstützung von ASIL-Anforderungen bis zu ASIL-D. Über eine schnelle ISO-SPI-Schnittstelle können die Spannungsmessungen mit einem externen Strommessbaustein wie dem LTC2949 synchronisiert werden, um z.B. den Innenwiderstand einer Batterie genau zu berechnen. Dies sei ein wichtiger Parameter für die Batterie-Algorithmen, mit denen SOC, SOH und SOF (State of Function, Leistungsfähigkeit der Batterie, sprich: Ladezustand relativ zur Kapazität) für die Gesamtbatterie ermittelt werden. Aus Bröckelmanns Sicht zeichnen sich die ADI-Bausteine bereits heute dadurch aus, dass sie über die Lebenszeit die genausten Messergebnisse liefern können, und fügt hinzu: »Zukünftige Bausteingenerationen von Analog Devices werden den Abstand zum Wettbewerb bei den real erzielbaren Genauigkeiten noch erhöhen und den Aufwand und damit die Kosten für externe Beschaltungen weiter verringern.«

Und Niall Lyne erklärt in Hinblick auf das Portfolio von Renesas, dass sich »die BMS-ICs nach Kanalzahl, Messgenauigkeit und Safety Level unterscheiden«, ein Punkt, der aber auch für die anderen Hersteller gilt.