Batteriemanagementsystem (BMS)

Warum werden Batteriemanagementsysteme (BMS) benötigt, und wie funktionieren sie?

Batteriemanagementsysteme sind elektronische Schaltungen für die Überwachung und Regelung von Lade- und Entladevorgängen bei Batterien. Die Überwachung der Batterie erstreckt sich neben der Erkennung des Batterietyps unter anderem auf Eigenschaften wie Batteriespannung, Temperatur, Kapazität, Ladezustand, Leistungsaufnahme, Restbetriebsdauer, Ladezyklen sowie einige weitere Charakteristika.

Aufgaben eines intelligenten Batteriemanagementsystems (BMS)

Ein BMS muss sicherstellen, dass die in der Batterie enthaltene Restenergie optimal genutzt wird. Um ein zu häufiges Wiederaufladen der Batterien zu vermeiden, schützt das BMS diese vor Tiefentladung und Überspannungen, die bei zu schnellem Aufladen und zu hohen Entladeströmen auftreten können. Bei Batterien mit mehreren Zellen ist ein Batteriemanagementsystem auch für das Batterie-Balancing zuständig, also das Angleichen der Lade- und Entladeanforderungen der einzelnen Batteriezellen.

Der TLE9012AQU ist ein mehrkanaliger System-IC für Batterieüberwachung und -Balancing, der speziell für Lithium-Ionen-Batteriepacks in Automotive-, Industrie- und Verbraucheranwendungen entwickelt wurde. Der IC TLE9012AQU erfüllt vier Hauptaufgaben: Messung der Zellenspannung, Temperaturmessung, Zellen-Balancing und isolierte Kommunikation zum Haupt-BMS-Controller. Zusätzlich bietet der TLE9012AQU die erforderlichen Diagnose-Tools, um ein ordnungsgemäßes Funktionieren der überwachten Batterie sicherzustellen.

Hauptvorteile:

› Stabile Kommunikation, für die keine Transformatoren oder Gleichtaktdrosseln benötigt werden

› Unerreicht präzise Spannungsmessung, auch nach dem Einlöten, dank Sensorik zur Erkennung von Materialspannungen

› Integrierte Diagnosefunktionalität erleichtert das Design für die funktionale Sicherheit von kundenspezifischen Batteriemodulen

› Integrierte UART-Kommunikation für Systeme mit an lokale Erde angeschlossenem Mikrocontroller

Für eine leistungsstarke Kombination steht den Systemdesignern der IC TLE9015QU zur Verfügung. Dabei handelt es sich um einen Transceiver-IC zur Batterieüberwachung, der zur Verbindung mehrerer TLE9012AQU-Bausteine in einer Verkettungsschaltung innerhalb einer Lithium-Ionen-Batterie dient. Dank seiner beiden ISO-UART-Schnittstellenpaare unterstützt er eine Ringkommunikation und verbessert so auf kostengünstige Weise die Systemverfügbarkeit.

Eine integrierte Fehlermanagement-Einheit mit mehreren Ein- und Ausgängen, die bei jedem TLE9012AQU individuell programmiert werden können, ermöglicht einen bidirektionalen Informationsfluss.

Das Batterieladesystem dient zum Aufladen der Hochspannungsbatterie aus dem Wechselstromnetz. Im Fahrzeug wird hierfür das Bord-Ladegerät genutzt. Durch die Erhöhung der Batteriekapazität und des Wirkungsgrades der elektrischen Komponenten wurden die Batteriepacks inzwischen auf eine Spannung von ca. 450 V mit Tendenz zu noch höheren Spannungen standardisiert. Dies ermöglicht kürzere Ladezeiten und eine „schlankere“ Verkabelung im Fahrzeug. Der Trend hin zum Schnellladen hat auch Auswirkungen auf die geforderten Leistungsbereiche. Daher werden neue Systemdesigns für Leistungen von 11 kW oder sogar bis zu 22 kW ausgelegt. Bei heute üblichen Anwendungen ist die Richtung des Stromflusses unidirektional, geht also vom Stromnetz zur Batterie, aber es gibt auch bidirektionale Anwendungen, bei denen der Stromfluss von der Batterie zur Last oder zum Stromnetz erfolgt.

Informieren Sie sich über unsere Produktempfehlungen und Designlösungen für Bord-Ladegeräte und die Stromwandlung in Energiespeichersystemen.

Eine der grundlegenden Aufgaben eines Batterieladegeräts besteht in der Regelung von Batteriespannung und Strom ohne Überschreitung der Temperaturgrenzwerte. Hierzu ist ein Regelkreis erforderlich, der anhand der gemessenen Batterieparameter (Spannung, Strom und Temperatur) die PWM-Impulsdauer zur Ansteuerung des externen Leistungsnetzes regelt. Das PSoC mit seinem über die Analogblöcke implementierten, präzisen Analog/Digital-Wandler (max. 14 Bit), seiner über die Digitalblöcke implementierten Pulsbreitenmodulation und einem Prozessorkern bildet einen solchen für die Regelung erforderlichen Regelkreis. Weitere Algorithmen wie Zellen-Balancing und Gasmessung können über eine Firmware-Logik implementiert werden.

Die Nutzung eines PSoC hat den Vorteil, dass ein kundenspezifisches Protokoll zum Laden der Batterie implementiert werden kann und weitere Funktionen wie CapSense, LCD-Segmentansteuerung usw. integriert werden können, was bei spezifisch für Batterieladegeräte vorgesehenen ICs nicht möglich ist.

Bei Batteriepacks werden neben der Durchführung von Strom-/Spannungs- und Temperaturmessungen auch erweiterte Analysen auf thermische, elektrische und mechanische Belastung durchgeführt. Hoch präzise Drucksensoren erkennen, wenn sich das Zellengehäuse aufgrund einer Überlastung oder Überladung ausdehnt oder wenn es mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt ist. Die Messung des CO2, das als Ergebnis von Zellenalterung oder übermäßiger Belastung aus dem Elektrolyt der Zellen entweicht, liefert wichtige Hinweise auf den Zustand der Batterie. Schließlich gestattet eine Kombination und Analyse der von den verschiedenen Zustandssensoren gelieferten Werte die Erkennung unerlaubter Manipulationen des Batteriepacks (z. B. Umbau oder Austausch von Zellen) durch Messen von Abweichungen beim Druck oder den dreidimensionalen Magnetstrukturen.

Informieren Sie sich über unser Drucksensor-Portfolio sowie unsere Lösungen zu 3D-Positionserfassung und CO2-Messung (derzeit nur kommerzielle und industrietaugliche Versionen verfügbar).

Mit den AURIX™-Mikrocontrollern von Infineon können Sie die Kommunikation zwischen der externen Ladeeinrichtung und dem Elektro- oder Plug-in-Hybridfahrzeug, dessen Batterie geladen werden soll, absichern. Ferner schützen diese Mikrocontroller das fahrzeuginterne Kommunikationsnetz. Es handelt sich hierbei um hoch entwickelte Produkte, die über alle Sicherheits- und Schutzfunktionen verfügen, die für On-Board-Ladeeinrichtungsanwendungen benötigt werden. Die 32-Bit-Mikrocontrollerfamilie AURIX™ von Infineon (SAK-TC275TP-64F200N DC, SAK-TC265D-40F200N BC, SAK-TC234LP-32F200N AC und SAK-TC224L-16F133N AC) stellt ein skalierbares Portfolio dar, das die Sicherheitsnorm ISO 26262 für den Automobilbereich unterstützt. Das eingebettete HSM (Hardware Security Module) sichert die Kommunikation ab. Zu den AURIX™-Produkten gehört ein optimierter Satz von Peripheriegeräten mit ADWs und Zeitgebern für Anwendungen im Bereich der Elektromobilität.

Bei Batterien mit hohen Spannungen stellt die Isolierungsüberwachung einen zentralen Aspekt dar. In Kombination mit Messungen zur Feststellung von Kurzschluss- und Überlaststrombedingungen erfolgt eine kontinuierliche Messung der hohen Spannungen der Plus/Minus-Gleichstromleitungen im Vergleich zum Potenzial des Gehäuses des Batteriepacks und des umgebenden Rahmens. Leistungsstarke Stromsensoren ermöglichen außerdem zusätzliche exakte Strommessungen im Zusammenhang mit Coulomb-Zählung, Berechnungen des Ladezustands und der Entladungstiefe bei der Batterieüberwachung oder erweiterte Impedanzspektroskopie bei der Batteriediagnose.

• Kontrollierte Notabschaltung bei Überladung, Kurzschluss und thermischem Durchgehen
• Vorteile auf Systemebene bei auf Festkörperschaltungen basierenden Implementierungen wie
• Vorladen des Gleichstrombusses des bzw. der Haupt-Umrichter für Fahrmotoren ohne zusätzliche Komponenten
• Aktive Begrenzung von Fehlerströmen
• Verlängerte Lebensdauer aufgrund einer höheren Anzahl von Schaltzyklen
• Geringere Drahtquerschnitte durch um Größenordnungen schnellere Abschaltung bei Erkennung einer Überlast oder eines Kurzschlusses
• Programmierbares Schaltverhalten
• Schnellstmöglicher Ausfallschutz
• Über 40 % geringere Verlustleistung bei auf Festkörperschaltungen basierenden Implementierungen im Vergleich zu elektromechanischen Relais

Produktempfehlungen:

• SJ-MOSFET-Schalter für niederfrequente Schaltanwendung – 600 V CoolMOS™ S7
• Isolierte Einkanal-Treiber für Anwendungen mit hohen Spannungen – 1EDI2002AS
• Isolierte Einkanal-Spannungsverstärker – 1EBN1001AE

Über den Link finden Sie weitere Informationen zu Batterieschutztopologien.

In Batteriemanagementsystemen wird eine kompakte und zuverlässige Lösung zur Stromversorgung des gesamten Systems benötigt. Mit den PMICs von Infineon lassen sich mehrere Komponenten integrieren, extreme Batteriespannungsschwankungen beherrschen und die Anforderungen der neuesten Standards für Netzschnittstellen und Automobilsicherheit erfüllen.

Die PMICs unterstützen umfassende Stromversorgungsanwendungen mit kleinem Formfaktor für Systemlösungen auf Basis der Mikrocontroller-Produktfamilien Traveo™, AURIX^TM und PSoC. Die integrierte Funktion zur Spannungsverstärkung dieser Power Management-ICs verhindert Systemausfälle aufgrund extremer Schwankungen der Batteriespannung. Durch niedrige Ruheströme der PMICs wird die Stromaufnahme von dauerhaft aktivierten Lasten im Standby-Modus verringert. Die PMICs sind für AEC-Q100 qualifiziert, und erfüllen mit ihren weit reichenden Systemsicherheitsfunktionen die ECU-Anforderungen moderner Fahrzeuge.

PMIC-Empfehlungen für Batteriemanagementsysteme:

• PMICs der Produktreihe S6BP20x (S6BP201A, S6BP202A und S6BP203A) sind einkanalige DC/DC-Abwärts-/Aufwärtswandler für Anwendungen im Automobilbereich und in der Industrie.
• PMICs der Produktreihen S6BP501A und S6BP502A sind Power Management-ICs mit dreikanaligem Ausgang. Sie sind mit einem Abwärtsregler, einem Abwärtswandler und einem Aufwärtswandler ausgestattet und stellen auf einem einzigen Chip eine Spannungsquelle mit 5,0 V, 3,3 V und 1,2 V zur Verfügung. Der Ruhestrom dieser PMICs beträgt lediglich 15 μA.
• Der PMIC S6BP401A ist eine Ein-Chip-Lösung für das Energiemanagement mit einem sechskanaligen Ausgang. Er ist mit einem vierkanaligen Gleichstromwandler und einem zweikanaligen linearen Spannungsregler ausgestattet. Da bei diesem PMIC interne Schaltungen zur Einstellung der Ausgangsimpedanz und zum Phasenausgleich für alle Kanäle integriert sind, verringern sich sowohl der Platzbedarf auf der Platine als auch die Anzahl der benötigten Komponenten.
• Die Produktfamilie OPTIREG™ PMIC verfügt über integrierte Multi-Rail-Netzteillösungen. Diese Produkte bieten eine äußerst effiziente Spannungsregelung einschließlich Vor- und Nachregler-Architektur mit DC/DC-, Linear- und Tracking-Regler. Neben der Stromversorgung sind zusätzliche Überwachungs- und Kontrollfunktionen integriert. Nutzen Sie den Simulations-Tool für OPTIREG^TM-Schaltregler, um Wirkungsgrad und Stabilität solcher Regler zu berechnen!

Der TLF35584 ist ein Spannungsversorgungs-IC mit mehreren Ausgängen für sicherheitsrelevante Anwendungen. Er nutzt ein effizientes und flexibles Reglerkonzept mit Vor- und Nachregler zur Versorgung von 3,3-V-Mikrocontrollern, -Transceivern und -Sensoren mit einer großen Bandbreite an Eingangsspannungen. Der große Schaltfrequenzbereich ermöglicht Optimierungen im Hinblick auf Wirkungsgrad und Nutzung kleiner Filterkomponenten. Ein spezifischer Referenzregler versorgt den A/D-Wandler unabhängig von den Lastschritten des Mikrocontrollers und fungiert als Tracking-Quelle für die beiden unabhängigen Sensor-Spannungsversorgungen.

Eine aktive thermische Überwachung und Regelung ist bei modernen Lithium-Ionen-Batteriepacks ein wesentlicher Faktor, da die Zellentemperatur beim Laden zwischen 0 °C und 45 °C und beim Entladen zwischen -20 °C und 60 °C liegen muss. Werden diese Temperaturen über- oder unterschritten, kann das eine beschleunigte Alterung, eine Verringerung der Kapazität oder sogar die vollständige Zerstörung der Batterie zur Folge haben.

• Embedded Power-ICs ermöglichen eine wirksame Motorregelung mit integrierten Diagnosefunktionen zum effizienten Betrieb von intern geregelten Lüftern, Pumpen oder Ventilen zur thermischen Regelung von Batteriepacks. Ein kleinstmöglicher Formfaktor und eine minimale Anzahl von externen Komponenten sind wesentliche Kriterien für den Einbau in unmittelbarer Nähe zum Motor.
• Auf einem einzigen Chip sind folgende Komponenten integriert: der 32-Bit-Mikrocontroller, der nichtflüchtige Flash-Speicher, die Analog- und Mixed-Signal-Peripherieschaltungen, die Kommunikationsschnittstellen sowie die Treiberstufen.
• Gleichstrommotoren und bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC) werden über optionale Schnittstellen für Halbbrücken-, H- oder 3-Phasen-Brückenschaltungen betrieben.

Lerninhalte:

• Alles rund um Batteriemanagementsysteme (BMS), ihre Hauptkomponenten und ihre Funktion.
• Sie lernen die Hauptkomponenten für Batteriemanagement-Anwendungen und die zentralen Merkmale und Vorteile der zugehörigen Bausteine von Infineon kennen.

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Holen Sie alles aus Ihren Batterien heraus. Bis zum Ende dieses Jahrzehnts werden voraussichtlich die meisten weltweit verkauften Neuwagen ganz oder teilweise mit einem Elektroantrieb ausgestattet sein. Batteriemanagementsysteme haben einen großen Einfluss auf die Reichweite, die Kosten und die Nutzungsdauer von Elektrofahrzeugen. Das macht sie zu einem zentralen Erfolgsfaktor für diese Mobilitätsrevolution. Ferner spielen sie eine wesentliche Rolle im Hinblick auf Second-Life-Konzepte für ehemalige Batterien von Elektrofahrzeugen, die beispielsweise als flexible Speicherlösungen für erneuerbare Energien genutzt werden können. Dr. Clemens Müller erläutert eingehend die Markttrends und Herausforderungen, nennt Einzelheiten zu Produkten und Lösungen von Infineon und stellt den neuen BMS-IC TLE9012AQU vor.

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• Sie erfahren, welche Antworten die Produktfamilie AURIX^TM auf die Anforderungen des Marktes für Elektromobilität hat.
• Tauchen Sie tief in die Welt der AURIX™ TC3xx-Mikrocontroller ein, und lassen Sie sich zeigen, wie diese Produkte zentrale Herausforderungen bei Elektrofahrzeugen meistern, und lernen Sie die Hauptmerkmale dieser Produktfamilie kennen.

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• Wie funktioniert ein Batteriemanagementsystem?
• Welche zentralen Vorteile bieten die AURIX™-Mikrocontroller von Infineon für diese Systeme?

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