Zukunftssichere Batteriemanagementsysteme für Elektrofahrzeuge

Autor / Redakteur: Rudye McGlothlin * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Die Zulassungszahlen von Elektrofahrzeugen steigen immer weiter. Aber stets fährt auch die Reichweitenangst mit. Deshalb sind jetzt zukunftssichere Batteriemanagementsysteme gefordert.

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Bild 1: Beispiel für den gängigen Aufbau eines Elektrofahrzeugs.
Bild 1: Beispiel für den gängigen Aufbau eines Elektrofahrzeugs.
(Bild: Silicon Labs)

Trotz des derzeitigen Booms bei Elektrofahrzeugen (EV) und Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeugen (HEV) besteht die Gefahr, dass das tatsächliche Interesse der Verbraucher zurückbleibt. Laut einer kürzlich durchgeführten Umfrage eines Automotive-Marktforschungsunternehmens [1] sind Bedenken hinsichtlich der Reichweite batteriebetriebener Fahrzeuge nach wie vor das größte Hindernis bei der Akzeptanz der Verbraucher, die noch nicht in Betracht ziehen, sich von Fahrzeugen mit einem herkömmlichen Verbrennungsmotor zu verabschieden.

Fahrer von Elektrofahrzeugen befällt oft die „Reichweitenangst“. Fahrer herkömmlicher Autos haben diese Angst nicht, da Tankstellen fast überall zu finden sind, und das Auffüllen des Kraftstofftanks in der Regel nicht länger als ein paar Minuten dauert.

Viele Menschen, die Elektrofahrzeuge kaufen, tun dies mit der Absicht, sie ausschließlich für den Weg zur Arbeit und nach Hause, also zum Pendeln zu nutzen. Wenn man an fünf oder sechs Tagen in der Woche von zu Hause ins Büro und zurückfährt, ist der Betrieb eines EV meist gut geregelt. Entweder wird das Fahrzeug über Nacht zu Hause, an einer schnelleren Ladestation in der Nähe des Arbeitsplatzes oder im Parkhaus am Arbeitsplatz aufgeladen.

Aber die Angst vor der Reichweite kehrt allein bei dem Gedanken zurück, einen Wochenendausflug durch die weitere Landschaft zu unternehmen. Laufende Neuerungen in der Halbleitertechnologie ebnen jedoch nun den Weg für ein schnelleres Aufladen und eine verbesserte Reichweite von Elektrofahrzeugen.

Die verschiedenen EV-Systeme im Überblick

Elektrofahrzeuge verfolgen einen modularen Ansatz (Bild 1), wenn es um Antriebsstrang, Energiespeicher und Stromwandler geht. Diese Komponenten teilen sich in folgende Untergruppen auf:

  • On-Board-Ladegerät (OBC): Die Lithium-Ionen-Batterien des Fahrzeugs werden von einem On-Board-Charger aufgeladen, der einen AC/DC-Wandler mit Leistungsfaktorkorrektur (PFC) enthält.
  • Batteriemanagementsystem (BMS): Der Status der einzelnen Batteriezellen des Fahrzeugs wird durch das BMS überwacht, um maximale Effizienz und Sicherheit gegen Überhitzung, Über- oder Unterladen zu gewährleisten.
  • DC/DC-Wandler: Die Hochvoltbatterie wird über den DC/DC-Wandler mit dem internen 12V-Gleichstromnetz verbunden. Dieses versorgt das Zubehör mit Strom und die lokalen Schaltwandler mit einer Vorspannung.
  • Hauptwechselrichter: Der Hauptwechselrichter wandelt Hochvolt-DC/AC zum Antrieb des Elektromotors um. Er wird auch für das regenerative Bremsen und das Rückspeisen ungenutzter Energie in die Batterie verwendet.

Batteriemanagementsysteme und der CAN-Bus

EV-Batterien werden zwar immer leistungsfähiger, aber auch die Anforderungen an sie steigen stetig, da immer komplexere Elektronik für eine effizientere Wartung, das Aufladen und den Einsatz im Antriebsstrang hinzugefügt wird. Diese Systeme erfordern wiederum genaue Messungen wichtiger sicherheitsbezogener Größen wie Batteriespannungen, Ströme und Temperaturen. Diese Messungen werden jedoch über Hochvoltschienen übertragen, die eine mögliche Gefahr für die empfindliche Elektronik darstellen, die die Daten sammelt und verarbeitet.

So überträgt das BMS wichtige Echtzeitdaten zum Batteriestatus über den zentralen Bordrechner des Fahrzeugs an den Fahrer. Dabei müssen genaue Werte und eine reibungslose Kommunikation vorliegen, um Fahrern die Reichweitenangst zu nehmen. Die Gefahr liegt sowohl bei hohen Spannungen als auch bei störbehaftetem Schalten: Erstere von der Batterie, die in den nächsten Jahren eine Batteriespannung von 800 V oder mehr aufweisen könnte, letztere vom Batteriemanagementsystem das mit der Zentraleinheit kommuniziert.

Bild 2: Kommunikationsschnittstelle des Batteriemanagementsystems.
Bild 2: Kommunikationsschnittstelle des Batteriemanagementsystems.
(Bild: Silicon Labs)

Das vereinfachte BMS in Bild 2 verdeutlicht die Isolation der Signal- und Stromwege für die Schnittstelle zu einem der EV-Subsysteme. Moderne digitale Isolationstechnik erfordert eine Stromversorgung auf beiden Seiten des Isolators. Diese kann auch zur Stromversorgung anderer an den Isolator angeschlossener Bauelemente, z.B. eines CAN-Bus-Transceivers, verwendet werden. Die Hochvoltdomäne ist die Seite mit dem Batteriepack; die Niedervoltdomäne ist die Seite mit dem CAN-Transceiver.

Obwohl sich das Beispiel in Bild 2 auf die CAN-Bus-Schnittstelle konzentriert, kann eine zusätzliche Isolation zwischen dem Batteriepack und dem Mikrocontroller (MCU) erforderlich sein. Die beste Option für die Isolation verschiedener Subsysteme mit CAN-Transceivern ist eine Lösung mit integrierter DC/DC-Leistungswandlung, um ein weniger komplexes Gesamtsystemdesign zu erhalten.

Wide-Bandgap-Halbleiter für den Einsatz in EVs

Die Einführung neuer Systeme in Elektrofahrzeuge wird die Anzahl der Halbleiter- und anderer elektronischer Bauelemente vergrößern und damit den Bedarf an Energie aus der Batterie erhöhen. Diese zusätzliche Nachfrage erhöht meist die Kosten und das Gewicht der Systeme. Im EV-Markt bedeutet mehr Gewicht folglich weniger Gesamteffizienz. Steigen die Busspannungen weiter, steigen auch die Kosten für einen Transistor.

Tabelle: Anwendungen für Wide-Bandgap-Halbleiterbauelemente.
Tabelle: Anwendungen für Wide-Bandgap-Halbleiterbauelemente.
(Bild: Silicon Labs)

Es leuchtet daher ein, dass herkömmliche Halbleitertechnologien wie Si-MOSFETs, IGBTs und Superjunction-MOSFETs für Elektrofahrzeuge einfach nicht mehr ausreichen. Die Branche beginnt bereits mit der Entwicklung moderner WBG-Halbleiterbauelemente (Wide Bandgap) wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN), die beide ihre spezifischen Vorteile innerhalb des Elektrofahrzeugs haben (Tabelle).

SiC-Technologie ermöglicht einen Betrieb bei höheren Temperaturen, einer höheren Sperrspannung und deutlich schnelleren Schaltgeschwindigkeiten als Si-IGBTs. Zentral im EV-Antriebsstrang finden sich Traktionswechselrichter, die intermittierend große Energiepakete zurück zur Batterie übertragen. Sie ziehen den größten Nutzen aus SiC-Schaltern. Auf der anderen Seite bieten GaN-Schalter Vorteile für eine Reihe weiterer Stromversorgungssysteme, die von Systemen mit geringer Leistung bis zu 10 kW reichen (einschließlich AC/DC-OBCs und DC/DC-Hilfsstrommodule).

Da GaN und SiC jedoch höhere Schaltgeschwindigkeiten verwenden, können sie erhebliches Rauschen erzeugen. In dem Maße, wie Automotive-Zulieferer beginnen, WBG-Leistungstransistoren einzusetzen, um den ständig steigenden Anforderungen an die Leistungsdichte gerecht zu werden, wird die halbleiterbasierte Isolation nicht nur ein vorteilhafter, sondern auch ein wichtiger Punkt in der Stückliste.

System für System mehr Leistungsfähigkeit

Um mit Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor wirklich wettbewerbsfähig zu sein, müssen EV-Batteriemanagement- und Stromumwandlungssysteme klein, leicht und sparsam hinsichtlich ihres Stromverbrauchs sein und gleichzeitig dem Elektromotor hocheffiziente Leistung bereitstellen.

Um eine breitere Akzeptanz zu erzielen, müssen nicht nur Missverständnisse hinsichtlich der Reichweite und Kosten ausgeräumt werden. Es sollte sichergestellt sein, dass die Hersteller von Elektrofahrzeugen ihre Batteriemanagementsysteme und andere modulare Systeme so weit wie möglich bereits während der Entwicklungsphase zukunftssicher machen.

Trotz dieser Herausforderungen werden bahnbrechende Technologien eine neue Phase der Innovation einläuten, da die Kosten für die Elektrifizierung von Fahrzeugen sinken und die damit verbundenen Systeme kühler, schneller, kleiner und effizienter werden. Dann wird sich zeigen, wozu Elektrofahrzeuge wirklich in der Lage sind.

Referenzen:

[1] „Evolution of Mobility: The Path to Electric Vehicle Adoption“, Cox Automotive, August 2019 (https://www.coxautoinc.com/news/overcoming-electric-vehicle-misconceptions-is-crucial-to-converting-consideration-to-sales/)

* Rudye McGlothlin ist Director Marketing, Power Products, bei Silicon Labs.

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