Batteriemanagementsystem Teil 2 Wohin die Reise geht 

Carlo M. Ciaramelletti, Maxim: »Aufgrund der Möglichkeit, die eigene Temperatur zu messen, können sich die Systeme im Falle einer thermischen Überlastung selbst abschalten. Ich bin absolut überzeugt, dass diese Funktionalität in Zukunft vom Markt stärker gefordert wird.«
Carlo M. Ciaramelletti, Maxim: »Aufgrund der Möglichkeit, die eigene Temperatur zu messen, können sich die Systeme im Falle einer thermischen Überlastung selbst abschalten. Ich bin absolut überzeugt, dass diese Funktionalität in Zukunft vom Markt stärker gefordert wird.«

Die Entwicklungen, die die Halbleiterhersteller im Bereich des Batteriemanagementsystems erwarten, sind vielfältig, denn es gibt viele Stellschrauben, an denen gedreht werden kann. 

Ein Bereich, in den viel Forschungs- und Entwicklungsarbeit gesteckt wird, ist die Batterie. Denn trotz der derzeitig unbestrittenen Vorteile hat die Lithium-Ionen-Technologie auch Nachteile. Dr. Clemens Müller, Director Application Management in der Automotive Division von Infineon Technologies, weist beispielsweise auf den flüssigen Elektrolyt hin, der die Stabilität des Systems beeinträchtigt. Dementsprechend werde im Bereich der Zellchemie an neuen Lösungen geforscht, um eine weitere Verbesserung des Batteriesystems hinsichtlich Energiedichte, Stabilität und Anzahl der Ladezyklen zu ermöglichen. Als möglichen Ansatz nennt er Festkörperbatterien. Daran arbeitet unter anderem das Forschungszentrum Jülich, das mit folgendem Statement die Vor- und Nachteile beschreibt: Festkörperbatterien vereinen gegenüber aktuellen Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigem Elektrolyt mehrere Vorteile. Sie können weder auslaufen noch in Brand geraten und gelten daher als naturgemäß sicher und unempfindlich. Auch wird weniger Technik benötigt, um die Zellen vor Stößen zu schützen und für stabile Temperaturen zu sorgen, was zusätzlich dabei hilft, Gewicht und Kosten einzusparen. Da Festkörperbatterien zudem sehr hohe Energiedichten erreichen können, wird weltweit intensiv daran geforscht. Doch trotz aller Anstrengungen sind reine Festkörperbatterien, die keine flüssigen oder soften, polymerartigen Schichten mehr enthalten, von der Marktreife noch weit entfernt. Insbesondere die Verbindung von Elektrode und Elektrolyt gilt als problematisch.« Ein Problem, an dem intensiv gearbeitet wird und auf Forschungsebene auch schon erste Erfolgsmeldungen zu verzeichnen sind.

Carlo M. Ciaramelletti, Executive Business Manager für Battery Management Systems in der Automotive Business Unit von Maxim, weist auf das Brandrisiko von Li-Ionen-Batterien hin. Dieses Problem stößt diverse Wellen an intensiver Forschungsarbeit und Entwicklung an, um die Sicherheit der Batterien zu verbessern, von der Erhöhung der Energiedichte mal ganz abgesehen. Die meisten neuen Entwicklungen in der Li-Ionen-Technologie drehen sich seiner Aussage nach um das Material, das für die Kathode verwendet wird. Derzeit sind zwei Kathoden in der Diskussion: NMC (Nickel-Mangan-Kobalt) und LFP (Lithium-Eisen-Phosphat). NMC-Batterien sind die derzeit am häufigsten genutzten Akkus. »Sie zeichnen sich durch eine hohe Energiedichte und eine lange Lebensdauer aber. Aber einige Batteriehersteller wollen weg von den NMC-Kathoden, und zwar aufgrund der hohen Kobaltkosten«, so Ciaramelletti. Und damit kommt LFP ins Spiel. Die Hauptvorteile der LFP-Batterien liegen seiner Aussage nach in einer hohen Strombelastbarkeit, einer langen Lebensdauer, einer guten thermischen Stabilität, einer verbesserten Sicherheit im Sinne von Safety und einer größeren Toleranz gegenüber einer falschen Behandlung der Batterie (Kurzschluss, Überladen). NMC-Batterien haben eine Nennspannung von 3,7 V, während LFP-Batterien eine Nennspannung von 3,3 V haben. Ciaramelletti: »Dies könnte dazu führen, dass mehr Zellen für 400- und 800-V-Systeme gestapelt werden müssen.«

Lebenszyklusmanagement

Niall Lyne, Vice President of Automotive Power & Video Business Division von Renesas Electronics, merkt an, dass es bei den Weiterentwicklungen natürlich auch immer darum geht, die Systemkosten zu senken. In diesem Zusammenhang verweist er darauf, dass einige neuere Entwicklungen beispielsweise die drahtlose Kommunikation betreffen, denn damit lassen sich Kosten sowie Gewicht senken. Lyne: »Allerdings bringt dies Herausforderungen in Bezug auf Security, Robustheit und Datendurchsatzanforderungen mit sich.« Weitere Trends für die Zukunft gehen seiner Meinung nach in Richtung Lebenszyklusmanagement, aber auch Sicherung von SOH/SOC-Daten in der Cloud, das Teilen von Batteriedaten und die Batterie-Security. In Bezug auf das Lebenszyklusmanagement merkt Lyne noch an: »Für Li-Ionen-Batterien, die für den Betrieb von EVs verwendet werden, wird typischerweise eine Garantie von acht Jahren gegeben. Das Lebenszyklusmanagement ist deshalb wichtig, weil damit bestimmt werden kann, ob die Batterie z.B. zehn oder mehr Jahre lang verwendet werden kann. Denn bislang gelten Batterien typischerweise als ungeeignet für Traktionsanwendungen in Kraftfahrzeugen, wenn ihre Kapazität weniger als 80 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität beträgt.«

Müller sieht aber auch Fortschritte in Bezug auf Batterielebensdauer, Konnektivität sowie funktionale Sicherheit und Security. So ermögliche beispielsweise eine enge Integration von stromsparenden Wärmemanagement-Lösungen zur aktiven Kompensation der durch die Umgebungstemperatur oder das Nutzungsprofil bedingten thermischen Belastung eine längere Batterielebensdauer. Ein fortschrittliches Wärmemanagement würde es möglich machen, die thermischen Auswirkungen, die die von der Batterie bereitgestellte Energie deutlich reduzieren, zu verringern, und zwar von rund 40 auf unter 10 Prozent. 

Ein weiterer Bereich, der ein hohes Innovationspotenzial aufweist, ist Müllers Meinung nach die Konnektivität. Er ist überzeugt, dass die Unterstützung flexibler, kostengünstiger und dennoch robuster Kommunikationsverbindungen zu einem Unterscheidungsmerkmal werden wird. Müller bestätigt die Aussage von Lyne, denn auch er erklärt, dass einige Batteriehersteller auf dieser Ebene sogar mit einer drahtlosen Kommunikation experimentieren würden. Darüber hinaus würde aber auch die Anbindung der Batterie an die Außenwelt mittels drahtloser Technologien für z.B. SOTA (Software over the Air) oder für den Austausch von Status-, Nutzungs- und Wartungsdaten über eine Cloud-basierte Server-Infrastruktur stärker in den Vordergrund rücken. Müller: »Mehr drahtlose Kommunikation wird den Bedarf an Verkabelung reduzieren sowie die Produktion also auch die Fahrzeugwartung vereinfachen.« 

Auch Ivo Marocco, Director of Business Development and Functional Safety for Battery Automotive Products bei Texas Instruments, hält kabellose BMS-Applikationen für möglich. Abgesehen davon besteht auch für ihn die Möglichkeit, dass sich neue Batterie-Chemien wie etwa LiFePO oder Festkörperbatterien durchsetzen, »was beispielsweise neue Fragestellungen bezüglich strikterer Spezifikationen für die Messgenauigkeit mit sich bringen kann«, so Marocco weiter. Ein Bereich, in dem für ihn ebenfalls viel Entwicklungspotenzial liegt, ist der Safety-Aspekt. »Hierfür wird der Innenwiderstand einer jeden Zelle gemessen, und durch Erfassung der internen Leckströme können interne Kurzschlüsse erkannt werden«, erklärt Marocco. 

Andreas Schlapka wiederum, Director Product Definition & Marketing for Battery Management Systems bei NXP Semiconductors, ist überzeugt, dass in Zukunft zusätzliche Sensoren, wie Drucksensoren, die Überwachung des Batteriemoduls unterstützen und Probleme noch früher erkennen werden. 

Auch bereits bekannte Technologien ­könnten helfen

»Halbleiterhersteller entwickeln weiterhin Batteriemanagement-ICs, um durch höhere Integration niedrigere Systemkosten zu erreichen und zusätzliche sowie redundante Sensoren zu integrieren, die das Wissen über den Ladezustand und den Gesundheitszustand der einzelnen Li-Ionen-Zellen erhöhen« erklärt Carsten Demuth, Senior Manager Digital Products & System Marketing für die EMEA Region von STMicroelectronics. Wo sieht Demuth ganz konkret Verbesserungspotenzial? Zum Beispiel bei der Temperaturmessung. Heutige ICs konzentrieren sich auf die Messung der Spannungen, mehrere Temperatursensoreingänge wiederum erlauben es, die Temperatur der Leiterplatte zu messen. Demuth weiter: »Es wäre aber sehr hilfreich, wenn die innere Zelltemperatur auch gemessen werden könnte.« Demuth ist der Überzeugung, dass in Zukunft andere Überwachungsprinzipien wie die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) integriert werden. Denn die EIS-Technik liefert die Innentemperatur der Li-Ionen-Zelle und damit liefern diese Sensoren Informationen über die Zellalterung und den Gesundheitszustand der Zelle.

Die heutigen ICs übernehmen bekanntermaßen auch den Zellenausgleich, derzeit mithilfe des passiven Balancings, bei dem die Energie einfach „verbrannt wird“. Demuth ist aber überzeugt, dass in zukünftigen Bausteinen ein aktives Balancing integriert werden sollte, eine Technologie, die es schon seit Langem gibt, die bislang aber als zu teuer angesehen wird. 

Daneben erwartet Demuth, dass in Zukunft auch zunehmend die Historie protokolliert wird, also eine Art Blackbox realisiert wird. »Das heißt, dass künftige BMICs über einen internen Speicher mit historischen Protokollinformationen verfügen werden, der eine Langzeitüberwachung der Zellen ermöglicht«, so Demuth.

Darüber hinaus strebe der Hersteller eine höhere Integration an, bei dem die Logik/der Controller mit den Sensoren der Zellen und der Balancing-Funktionalität integriert werden. Diese Logikeinheit wird dann auch den Batteriemanagement-Algorithmus enthalten. Demuth: »Dadurch wird die Kommunikation des BMIC mit dem Haupt-Controller reduziert, was die Zuverlässigkeit und Sicherheit des Systems erhöht.« Außerdem werden neue effiziente Algorithmen, die auf künstlicher Intelligenz (KI) basieren, implementiert, um die Flexibilität der Algorithmen zu erhöhen. Demuth abschließend: »Zusätzlich soll die Gesamtzahl der angeschlossenen Zellen erhöht und damit flexibler werden. Zukünftige BMIC-Algorithmen sollten die Anzahl der angeschlossenen Zellen automatisch erkennen. Im Falle von Unfällen oder unerwarteten lokalen Heizstellen sollen betroffene Zellen isoliert und gespeicherte Energie gesichert werden.«