Batterieüberwachung maximiert die Leistung von Elektrofahrzeugbatterien

BMS kann die Betriebseffizienz von Batterien für Elektrofahrzeuge verbessern

Ein fortschrittliches Batterie-Management-System (BMS) kann Elektrofahrzeugen dabei helfen, einen erheblichen Teil der Ladung aus dem Batteriepaket während des Betriebs effizient zu nutzen. Es kann den Ladezustand der Batterie (State of Charge, SOC) genau messen, um die Batterielaufzeit zu verlängern oder Gewicht zu reduzieren. Zudem trägt es zur Erhöhung der Batteriesicherheit bei, indem es elektrische Überlastungen wie Tiefentladung, Überladung, Überstrom und thermische Überlastungen verhindert.   Die Hauptfunktion des BMS besteht darin, die physikalischen Parameter während des Batteriebetriebs zu überwachen, um sicherzustellen, dass jede einzelne Zelle innerhalb des Batteriepakets im sicheren Betriebsbereich (Safe Operating Area, SOA) bleibt. Es überwacht die Lade- und Entladeströme, die Spannungen der einzelnen Zellen sowie die Gesamttemperatur des Batteriepakets. Auf Basis dieser Werte gewährleistet es nicht nur den sicheren Betrieb der Batterie, sondern ermöglicht auch Berechnungen des Ladezustands (SOC) und des Gesundheitszustands (State of Health, SOH).   Eine weitere wichtige Funktion, die das BMS bietet, ist das Zellenausgleichssystem. In einem Batteriepaket können einzelne Zellen parallel oder in Reihe geschaltet werden, um die gewünschte Kapazität und Betriebsspannung (bis zu 1 kV oder höher) zu erreichen. Batterihersteller versuchen, identische Zellen für das Batteriepaket zur Verfügung zu stellen, aber eine perfekte Gleichheit ist physikalisch nicht realisierbar. Selbst kleine Unterschiede können zu Variationen der Lade- oder Entladestufen führen, und die schwächste Zelle im Batteriepaket kann die Gesamtleistung erheblich beeinträchtigen. Ein präziser Zellenausgleich ist eine entscheidende Funktion des BMS, um den sicheren Betrieb des Batteriesystems bei maximaler Kapazität zu gewährleisten.

Das drahtlose BMS eliminiert Kommunikationsverkabelungen und reduziert die Komplexität

Batterien von Elektrofahrzeugen bestehen aus mehreren Zellen, die in Serie geschaltet sind. Ein typisches Batteriepaket mit 96 Zellen in Reihe erzeugt über 400 V, wenn es mit 4,2 V geladen wird. Je mehr Zellen im Batteriepaket sind, desto höher ist die erreichte Spannung. Obwohl die Lade- und Entladeströme für alle Zellen gleich sind, ist es notwendig, die Spannung jeder einzelnen Zelle zu überwachen.   Um die große Anzahl von Batterien zu bewältigen, die für leistungsstarke Automobilsysteme benötigt werden, werden mehrere Batteriezellen häufig in mehrere Module aufgeteilt und im gesamten verfügbaren Raum des Fahrzeugs verteilt. Ein typisches Modul besteht aus 10 bis 24 Zellen und kann in verschiedenen Konfigurationen zusammengesetzt werden, um sich an unterschiedliche Fahrzeugplattformen anzupassen. Das modulare Design bildet die Grundlage für große Batteriepakete, wodurch das Batteriepaket über eine größere Fläche verteilt werden kann und der Raum wirksamer genutzt wird.   Um eine verteilte modulare Topologie in der hohen EMI-Umgebung von Elektro- und Hybridfahrzeugen zu unterstützen, ist ein robustes Kommunikationssystem unerlässlich. Ein isolierter CAN-Bus eignet sich für die Vernetzung von Modulen in dieser Umgebung. Während der CAN-Bus ein umfassendes Netzwerk für die Vernetzung von Batteriemodulen in Automobilanwendungen bietet, erfordert er viele zusätzliche Komponenten, was zu höheren Kosten und größerem Platzbedarf auf der Platine führt. Zudem bringt die Verwendung kabelgebundener Verbindungen in modernen Batterie-Management-Systemen (BMS) erhebliche Nachteile mit sich. Die Verkabelung stellt eine große Herausforderung dar, da Kabel zu verschiedenen Modulen geführt werden müssen, was Gewicht und Komplexität erhöht. Kabel sind außerdem anfällig für Störungen, was zusätzliche Filterung erforderlich macht.   Ein drahtloses BMS ist eine neuartige Architektur, die die Notwendigkeit von Kommunikationsverkabelung eliminiert. In einem drahtlosen BMS wird die Verbindung zwischen den einzelnen Modulen drahtlos hergestellt. Die drahtlose Verbindung in großen Batteriepaketen mit mehreren Zellen verringert die Komplexität der Verkabelung, reduziert das Gewicht, senkt die Kosten und verbessert die Sicherheit und Zuverlässigkeit. Drahtlose Kommunikation steht jedoch vor Herausforderungen in rauen EMI-Umgebungen und bei Signalübertragungsproblemen durch RF-abschirmende Metallkomponenten.

Eingebettete drahtlose Netzwerke können Zuverlässigkeit und Präzision verbessern

Das eingebettete drahtlose Netzwerk SmartMesh® von ADI wurde im Rahmen von Vor-Ort-Validierungen in industriellen IoT-Anwendungen getestet. Es erreicht Redundanz durch die Nutzung von Weg- und Frequenzdiversität und bietet Verbindungen mit einer Zuverlässigkeit von über 99,999 % in herausfordernden Umgebungen wie der Industrie und der Automobilbranche.   Zusätzlich zur Verbesserung der Zuverlässigkeit durch die Schaffung mehrerer redundanter Verbindungspunkte erweitern drahtlose Mesh-Netzwerke auch die Funktionen des Batteriemanagementsystems (BMS). Das drahtlose SmartMesh-Netzwerk ermöglicht eine flexible Platzierung von Batteriemodulen und verbessert die Berechnung des Ladestatus (SOC) und des Gesundheitszustands (SOH) der Batterie. Dies wird erreicht, indem mehr Daten von Sensoren gesammelt werden, die zuvor an Orten installiert waren, die für Verkabelungen ungeeignet waren. SmartMesh liefert zudem zeitkorrelierte Messergebnisse von jedem Knotenpunkt, was eine präzisere Datensammlung ermöglicht.   ADI hat den LTC6811 Battery Stack Monitor mit der ADI SmartMesh-Netzwerktechnologie integriert, was einen bedeutenden Durchbruch darstellt. Diese Integration hat das Potenzial, die Zuverlässigkeit von großen Batteriepaketen mit mehreren Zellen in Elektro- und Hybridfahrzeugen zu erhöhen, während gleichzeitig Kosten, Gewicht und Kabelkomplexität reduziert werden.   Der LTC6811 ist ein Battery Stack Monitor, der für Anwendungen mit Batteriestapeln entwickelt wurde. Er kann die Spannung von bis zu 12 in Serie geschalteten Zellen mit einem Gesamtmessfehler von weniger als 1,2 mV messen. Die Messung aller 12 Zellen kann innerhalb von 290 μs abgeschlossen werden, und eine niedrigere Datenaufnahmegeschwindigkeit kann für eine höhere Rauschunterdrückung gewählt werden. Der LTC6811 hat einen Batterie-Messbereich von 0 V bis 5 V, der für die meisten Batteriechemie-Anwendungen geeignet ist. Mehrere Geräte können in einer Daisy-Chain geschaltet werden, um sehr lange Hochspannungs-Batteriestapel gleichzeitig zu überwachen. Das Gerät bietet Passivbilanzen für jede Zelle, und der Datenaustausch erfolgt auf beiden Seiten einer Isolationsbarriere, die vom Systemcontroller verwaltet wird. Der Controller ist verantwortlich für die Berechnung des SOC, die Steuerung der Batteriebalance, die Überprüfung des SOH und dafür, dass das gesamte System innerhalb sicherer Grenzen bleibt.   Darüber hinaus können mehrere LTC6811-Geräte in einer Daisy-Chain geschaltet werden, wodurch eine gleichzeitige Überwachung langer Hochspannungs-Batteriestapel möglich ist. Jeder LTC6811 verfügt über eine isoSPI-Schnittstelle für eine schnelle und gegen HF-Störungen resistente Fernkommunikation. Beim Einsatz des LTC6811-1 werden mehrere Geräte in einer Daisy-Chain verbunden, und alle Geräte teilen sich eine Verbindung mit dem Host-Prozessor. Beim Einsatz des LTC6811-2 werden mehrere Geräte parallel mit dem Host-Prozessor verbunden, wobei jedes Gerät individuell adressiert wird.   Der LTC6811 kann direkt aus dem Batteriepaket oder einer isolierten Stromquelle betrieben werden und bietet neben Passivbilanzen für jede Batterie auch individuelle PWM-Duty-Cycle-Steuerungen für jede Zelle. Weitere Funktionen umfassen einen integrierten 5-V-Regler, 5 universelle GPIO-Leitungen und einen Schlafmodus, bei dem der Stromverbrauch auf 4 μA reduziert wird.

Zellenausgleich wird eingesetzt, um die Batteriekapazität und Leistung zu optimieren

Zellenausgleich hat erheblichen Einfluss auf die Leistung von Batterien, da selbst bei präziser Herstellung und Auswahl subtile Unterschiede zwischen den Zellen auftreten können. Jegliche Kapazitätsabweichung zwischen den Zellen kann zu einer Reduktion der Gesamtkapazität des Batteriepakets führen. Offensichtlich bestimmt die schwächste Zelle im Stapel die Leistung des gesamten Batteriepakets. Zellenausgleich ist eine Technik, die dieses Problem löst, indem sie die Spannung und den Ladezustand (State of Charge, SOC) zwischen den Zellen ausgleicht, wenn die Batterie vollständig geladen ist.   Die Technologie des Zellenausgleichs kann in passive und aktive Methoden unterteilt werden. Beim passiven Ausgleich wird, wenn eine Zelle überladen ist, die überschüssige Ladung über einen Widerstand abgeführt. Typischerweise wird eine Shuntschaltung verwendet, bestehend aus einem Widerstand und einem Power-MOSFET, der als Schalter dient. Wenn die Zelle überladen ist, wird der MOSFET geschlossen, und die überschüssige Energie wird im Widerstand dissipiert. Der LTC6811 verwendet einen integrierten MOSFET, um den Ladestrom jeder überwachten Zelle zu steuern und somit jede überwachte Zelle auszugleichen. Der integrierte MOSFET ermöglicht ein kompaktes Design und erfüllt die Anforderungen für einen Strom von 60 mA. Für höhere Ladestrome kann ein externer MOSFET verwendet werden. Das Gerät bietet auch einen Timer zur Anpassung der Ausgleichszeit.   Auf der anderen Seite beinhaltet aktiver Zellenausgleich die Umverteilung überschüssiger Energie zwischen anderen Zellen im Modul. Dieser Ansatz ermöglicht die Energierückgewinnung und eine geringere Wärmeentwicklung, hat jedoch den Nachteil, dass er eine komplexere Hardwaregestaltung erfordert.   ADI hat eine Architektur eingeführt, die LT8584 verwendet, um aktiven Zellenausgleich für Batterien zu erreichen. Diese Architektur lenkt aktiv den Ladestrom um und führt Energie in das Batteriepaket zurück, wodurch Probleme passiver Shunt-Ausgleicher gelöst werden. Die Energie wird nicht als Wärme abgeführt, sondern stattdessen genutzt, um die verbleibenden Batterien im Stapel wieder aufzuladen. Die Architektur dieses Geräts löst auch ein Problem, bei dem eine oder mehrere Zellen im Stapel eine niedrige sichere Spannungsschwelle erreichen, bevor die Gesamtkapazität des Stapels ausgeschöpft ist, was zu einer verkürzten Laufzeit führt. Nur aktiver Zellenausgleich kann die Ladung von stärkeren Zellen auf schwächere umverteilen, sodass schwächere Zellen weiterhin Strom an die Last liefern und ein höherer Prozentsatz der Energie aus dem Batteriepaket extrahiert wird. Die Flyback-Topologie ermöglicht es, die Ladung zwischen zwei beliebigen Punkten im Batteriepaket hin- und her zu bewegen. In den meisten Anwendungen wird die Ladung zum Batteriemodul zurückgeführt (12 Zellen oder mehr), während sie in anderen Anwendungen zum gesamten Batteriestapel oder zu Hilfsstromschienen zurückgeführt wird.   Der LT8584 ist ein monolithischer Flyback-Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler, der speziell für den aktiven Zellenausgleich von Hochspannungs-Batteriepacks entwickelt wurde. Die hohe Effizienz des Schaltreglers erhöht den erreichbaren Ausgleichsstrom erheblich und reduziert gleichzeitig die Wärmeentwicklung. Zusätzlich ermöglicht aktiver Zellenausgleich eine Kapazitätsrückgewinnung in Batteriepaketen mit nicht übereinstimmenden Zellen, eine Funktion, die mit passiven Ausgleichssystemen nicht erreichbar ist. In typischen Systemen können über 99 % der Gesamtkapazität der Batterie erreicht werden.   Der LT8584 verfügt über einen integrierten 6A, 50V Leistungsschalter, der die Komplexität der Designs von Anwendungsschaltungen reduziert. Das Gerät funktioniert vollständig auf Basis der Zellen, die es entlädt, und eliminiert so die Notwendigkeit komplexer Vorspannungsschemata, die üblicherweise bei der Verwendung externer Leistungsschalter erforderlich sind. Der Enable-Pin (DIN) ist so ausgelegt, dass er nahtlos mit den Batterie-Stapel-Überwachungs-ICs der LTC680x-Serie koordiniert. Zudem bietet der LT8584 in Verbindung mit den LTC680x-Geräten System-Telemetrie-Funktionen, einschließlich Strom- und Temperaturüberwachung. Im deaktivierten Zustand verbraucht der LT8584 typischerweise weniger als 20 nA statischen Strom aus der Batterie.

Fazit

Der Schlüssel zu emissionsarmen Fahrzeugen liegt in der Elektrifizierung, aber auch in der intelligenten Verwaltung von Energiequellen (wie Lithium-Ionen-Batterien). Eine unsachgemäße Verwaltung könnte die Batterieeinheit unzuverlässig machen und die Sicherheit des Fahrzeugs erheblich beeinträchtigen. Sowohl aktives als auch passives Batteriebalancing tragen zu einer sicheren und effizienten Batterieverwaltung bei. Verteilt angeordnete Batteriemodule sind einfach zu warten, und sie können Daten zuverlässig an den BMS-Controller übermitteln – sei es über kabelgebundene oder kabellose Verbindungen –, wodurch verlässliche SOC- und SOH-Berechnungen ermöglicht werden. ADI bietet eine umfassende Auswahl an BMS-Komponenten, die Kunden dabei helfen können, die Entwicklung von BMS zu beschleunigen und eine effizientere Verwaltung der Betriebseffizienz und Sicherheit von Elektrofahrzeugbatterien sicherzustellen.