Isolierte Batterie-Management-Systeme (BMS)

Aus praktischen Gründen ist es besser, Batterien für Elektroautos in mehreren separaten Batteriepaketen anzuordnen, von denen jedes sechs bis vierundzwanzig Zellen enthält. Kleinere Pakete ermöglichen die maximale Nutzung des verfügbaren Platzes in einem unregelmäßig geformten Batteriegehäuse eines Elektrofahrzeugs, das in ein typisches Fahrzeugchassis passt. Die Verwendung von Batteriepaketen ermöglicht auch mehr Freiheit bei der Auswahl von Parallel-/Serienkombinationen, um unterschiedliche Spannungs-/Stromprofile für verschiedene Motortreiber zu schaffen. Außerdem ist bei einem Ausfall einer einzelnen Zelle nur ein Akkupack von vielen betroffen und das Batteriesystem des E-Fahrzeugs kann weiterhin funktionieren.

Die Zellenspannung und die Energiekapazität variieren von Zelle zu Zelle geringfügig. Wenn man also beim Laden der E-Fahrzeugbatterien einfach alle Zellen aneinanderreiht, entsteht ein Ungleichgewicht zwischen den Zellen, wobei einige voll aufgeladen sind, während andere noch mehr Ladung benötigen. Die überladenen Zellen können heiß werden, was zu Schäden an den Zellen und am Akkupack führen kann. Im schlimmsten Fall kann das Akkupaket Feuer fangen. Um diese Situation zu vermeiden, werden Zellüberwachungs-ICs eingesetzt, die die Lade- (und Entlade-) Profile einzeln überwachen und steuern, sodass alle Zellen mit ihrer vollen Kapazität genutzt werden, ohne dass sie durch Unter- oder Überspannung oder Übertemperatur beschädigt werden. Während des Ladevorgangs können einzelne vollgeladene Zellen überbrückt werden, damit die anderen Zellen im Stack weiter geladen werden können. Dieser Ausgleichsprozess wird so lange fortgesetzt, bis alle Zellen auf den gleichen Stand voll aufgeladen sind. Beim Entladen kann die gleiche Ausgleichsschaltung bewirken, dass alle Zellen gleichmäßig entladen werden.

Die E-Fahrzeug-Akkupacks werden gestapelt, um die erforderliche Hochspannung zu erreichen. Sie kommunizieren mit einem zentralen Batteriemanagementsystem (BMS) über einen Kommunikationsbus, in der Regel einen in der Automobilindustrie weitverbreiteten CAN-Bus. Das BMS überwacht die gesamten Lade- und Entladeprofile und berechnet den Ladezustand (SoC) und den Gesundheitszustand (SoH) des HV-Stacks. Außerdem überwacht es Strom, Spannung und Temperatur jedes Packs, um einen sicheren Betrieb aufrechtzuerhalten. Mit zunehmender Anzahl der Zellen in der HV-Batterie steigt auch die Menge der zu erfassenden und zu verarbeitenden Daten, aber die Anforderungen an die Systemschleifenzeit bleiben gleich. Der CAN-Bus muss mit hohen Datenraten (bis zu 25 Mbps) und geringen Ausbreitungsverzögerungen (zwischen 50ns und 100ns) arbeiten.

Alle E-Fahrzeuge müssen über einen mechanischen Sicherheitsschalter oder ein Schütz verfügen, um die Hochspannungsbatterie im Notfall abzuschalten. Wenn der Schalter in Reihe mit dem Hochspannungsausgang der Batterie platziert wird, könnte bei einem Fehlerzustand immer noch genügend Strom zwischen den Batteriepaketen im Stack fließen, um einen Brand zu verursachen, daher wird er normalerweise in der Mitte des Stacks platziert. Diese ungewöhnliche Anordnung (Abb. 1) maximiert die Gesamtsicherheit, erfordert aber isolierte Kommunikationsleitungen, um zu verhindern, dass Strom über die Datenbusverbindungen den Sicherheitsschalter umfließt.

Die meisten Zellenausgleichs-ICs verfügen über einen internen Spannungsregler, der die Batteriespannung nutzt, um sowohl den IC als auch die isolierte Seite des Datenkommunikationsanschlusses mit Strom zu versorgen, während der BMS-Controller die nicht isolierte Seite mit Strom versorgt (rote Linien in Abb. 1). Bei Hochspannungs-Batteriestacks, die aus vielen parallel/seriell angeordneten Batteriepaketen bestehen, erhöht jedoch die separate Isolierung des Kommunikationsbusses jedes Batteriestrangs mithilfe isolierter CAN-Bus-Transceiver die Systemzuverlässigkeit. In diesem Fall ist auch eine isolierte Stromversorgung für die isolierte CAN-Bus-Seite erforderlich (Abb. 2).


RECOM bietet das isolierte 5-V-zu-5-V-Modul R05CTE05S an, das speziell für isolierte Bus-Transceiver-Anwendungen entwickelt wurde. Es liefert 1W Leistung in einem kompakten 16-SOIC-SMD-Gehäuse über einen Temperaturbereich von -40°C bis +125°C, was es ideal für die Installation im Batteriefach macht. Der Isolationsgrad beträgt 3 kVDC/1 Minute, was bedeutet, dass das Modul problemlos mit 800-V- oder höheren Batteriestack-Spannungen verwendet werden kann. Dieses Design ermöglicht zukünftige Neuentwicklungen in der EV-Batterietechnologie, da die Hersteller von Elektrofahrzeugbatterien ständig an der Verbesserung ihrer Produkte arbeiten. Um die Fehlertoleranz des Systems zu verbessern, ist der Ausgang gegen Dauerkurzschlüsse, Überstrom und Übertemperatur geschützt. Eine Unterspannungssperre sorgt dafür, dass der Wandler erst dann anspringt, wenn die Versorgungsspannung 3,3V übersteigt. Dadurch werden Probleme mit der Datenverfälschung während der Hochfahrsequenz des BMS-Systems vermieden.