Wie sich Entwickler von Elektrofahrzeugen bei Hochspannungs-Batteriemanagementsystemen einen Vorsprung verschaffen

Der weltweite Absatz von Elektrofahrzeugen wächst weiterhin: Insgesamt wurden im Jahr 2022 10,5 Millionen neue Batterieelektrofahrzeuge (BEVs) und Plug-in-Hybride (PHEVs) ausgeliefert, was einem Anstieg von 55 % im Vergleich zu 2021 entspricht. Automobilhersteller tätigen massive Investitionen, um Technologien zu optimieren, wobei die meisten Fortschritte auf Verbesserungen in der Batteriezusammensetzung und der Leistung des Batterie-Management-Systems (BMS) zurückzuführen sind. Dadurch hat sich die durchschnittliche Batteriereichweite mittlerweile verdreifacht im Vergleich zu vor einem Jahrzehnt. Diese technologischen Investitionen haben auch das Vertrauen der Verbraucher in den Kauf von BEVs gestärkt, die angegebene Reichweiten von 300 Meilen und mehr bieten.   Während die meisten BEVs, die heute auf den Straßen unterwegs sind, mit 400 V betrieben werden, gibt es einen allmählichen Übergang zu 800 V Batteriearchitekturen. Bis Mitte des Jahrzehnts erwarten immer mehr Automobilhersteller, dass sie Modelle mit 800 V in ihrem Angebot haben werden. Der Betrieb mit einer so hohen Spannung sorgt bei diesen BEVs für deutlich kürzere Ladezeiten, was sie für potenzielle Käufer noch attraktiver macht.   Obwohl Hochvolt-BMS (HVBMS) Architekturen existieren, gibt es dafür keinen Standardplan – es ist nicht wie früher, als ein und derselbe Verbrennungsmotor (ICE) mit ein paar mechanischen und elektronischen Anpassungen die Antriebsanforderungen verschiedener Modelle erfüllen konnte. Der Markt entwickelt sich von neuen Fahrzeugmodellen alle 6 bis 8 Jahre hin zu häufigeren Updates oder Upgrades, ähnlich dem Smartphone-Markt mit jährlichen Innovationszyklen. Während dieser Übergangsphase sind die Architekturen hochvariabel, und es gibt keine standardisierte Vorgehensweise. Die Herausforderung für OEMs und Tier-1-Zulieferer besteht darin, die neuesten Halbleiterinnovationen so schnell wie möglich auf den Markt zu bringen. Tatsächlich sind nicht nur Halbleiterinnovationen erforderlich; auch die funktionale Sicherheit dieser Geräte benötigt viel Aufmerksamkeit und Entwicklungsaufwand.

Da es keine universelle HVBMS-Architektur („One-Glove-Fits-All“) gibt, muss jedes Referenzdesign flexibel genug sein, um sich an alle möglichen kommenden Architekturen anzupassen. Dabei müssen die unterschiedlichen Systemspannungen von 400 V bis zu über 1000 V berücksichtigt werden, ebenso wie kommende hybride 2 x 400 V-Konfigurationen für umschaltbares 800 V-Laden und 400 V-Fahren. Systemarchitekten müssen beurteilen, wie die interne Kommunikation des BMS zwischen der Batteriemanagementeinheit (BMU), dem Gehirn des Systems, sowie der Zellüberwachungseinheit (CMU) und der Subsystem-PCBA der Batterieanschlussbox (BJB) eingerichtet werden kann. In Bezug auf Architekturen der nächsten Generation, wie beispielsweise durch einen Antriebsdomänen-Controller, stellt CAN FD eine interessante Alternative zu den derzeitigen isolierten Daisy-Chain-Bussen dar, indem es ermöglicht, den Controller aus dem Batteriepack zu entfernen.

Mit der Entwicklung des Referenzdesigns für das Hochspannungs-Batteriemanagementsystem (HVBMS-RD) demonstriert NXP System-Know-how und außergewöhnliche Fachkenntnisse im Bereich der funktionalen Sicherheit. Neben der skalierbaren und flexiblen Hardware-Architektur bietet das HVBMS-RD eine umfangreiche Sammlung unterstützender Dokumentation, die eine beschleunigte Markteinführung ermöglicht und den Entwicklungsaufwand sowie die damit verbundenen Risiken reduziert. Die Lösung kombiniert alle neuesten BMS-Siliziumkomponenten mit produktionsreifen Software-Gerätetreibern und wiederverwendbarer Dokumentation zur funktionalen Sicherheit und liefert ASIL D-Messwerte, denen die Anwendungssoftware der Kunden vertrauen kann.