Isolierte Batterie Management Systeme (BMS)

HV-Batteriestacks

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 großen Batteriegehäuse, das in ein typisches Elektrofahrzeug passt. Die Verwendung von Batteriepaketen ermöglicht auch mehr Freiheit bei der Auswahl von Parallel-/Serienkombinationen, um unterschiedliche Spannungs-/Stromprofile für verschiedene Fahrmotorantriebe zu schaffen. Außerdem ist bei einem Ausfall einer einzelnen Zelle nur ein Akkupack von vielen betroffen und die Batterien des Elektroautos können weiterhin funktionieren.

Ladungsausgleich

Die Zellenspannung und die Energiekapazität variieren von Zelle zu Zelle geringfügig. Wenn man also beim Laden der Batterien für Elektrofahrzeuge 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, um sicherzustellen, dass 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 gleichermaßen vollständig geladen sind. Beim Entladen kann die gleiche Ausgleichsschaltung sicherstellen, dass alle Zellen gleichmäßig entladen werden.

Batteriemanagementsysteme

Die Akkupacks von Elektrofahrzeugen werden zusammengestapelt, um die erforderliche Batteriespannung für das Fahrzeug zu erreichen. Sie kommunizieren mit einem zentralen Batteriemanagementsystem (BMS) über einen Kommunikationsbus, in der Regel den 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 der einzelnen Akkus, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten. 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 25Mbps) und geringen Ausbreitungsverzögerungen (100 - 50ns) arbeiten.

Sicherheitsisolierung

Alle EVs müssen über einen mechanischen Sicherheitsschalter oder ein Schutz verfügen, um die Hochspannungsbatterie im Notfall abzuschalten. Wenn der Schalter in Reihe mit dem Hochspannungsausgang der Batterie platziert wird, könnte unter Fehlerbedingungen 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 sicherzustellen, dass der Strom nicht über die Datenbusverbindungen am Sicherheitsschalter vorbeifließen kann.

Erhöhung der Fehlertoleranz mit isolierten DC/DC-Wandlern

Die meisten Ladungsbalancer-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 es jedoch die Systemzuverlässigkeit, wenn jeder Batteriestrang-Kommunikationsbus separat mit isolierten CAN-Bus-Transceivern isoliert wird. In diesem Fall ist auch eine isolierte Stromversorgung für die isolierte CAN-Bus-Seite erforderlich (Abb. 2).


RECOM bietet das isolierte 5V-zu-5V-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 und ist damit für die Installation im Batteriefach ideal geeignet. Der Isolationsgrad beträgt 3kVDC/1 Minute, was bedeutet, dass das Modul problemlos mit 800V oder höheren Batteriestack-Spannungen verwendet werden kann. Damit ist er für künftige Neuentwicklungen in der EV-Batterietechnologie gerüstet, da die Hersteller von Elektrofahrzeugbatterien ständig an der Verbesserung ihrer Produkte arbeiten. Um die Fehlertoleranz des Systems zu verbessern, ist der Ausgang gegen Dauerkurzschlüsse, Überströme 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 Einschaltphase des BMS-Systems vermieden.

Mit isolierten DC/DC-Wandlern Kosten sparen

Isolierte CAN-Bus-Transceiver mit eingebauten DC/DC-Wandlern sind verfügbar, aber sie sind teurer als die nicht isolierten Versionen und die Auswahl an Lieferanten ist eingeschränkt. Eine flexiblere und oft insgesamt billigere Alternative ist die Verwendung eines nicht isolierten Transceivers mit einem digitalen Isolator und einem DC/DC-Wandler-Modul, um eine isolierte CAN-Bus-Schnittstelle aufzubauen (Abb. 3). Obwohl bei dieser Lösung mehr Komponenten verwendet werden, ist die Auswahl an Lieferanten größer und die Gesamtbetriebskosten (TCO) können niedriger sein.

Eine Frage, die von Besitzern von Elektrofahrzeugen häufig gestellt wird, lautet: „Wie lange halten die Batterien von Elektroautos?“ Eine der wichtigsten Funktionen des Batteriemanagementsystems für Elektrofahrzeuge ist es, die Lebensdauer der Akkus zu verlängern, indem der Lade- und Entladestrom durch die einzelnen Zellen ausgeglichen wird, defekte Zellen umgangen werden und sichergestellt wird, dass die Akkus von Plug-in-Elektrofahrzeugen nicht versehentlich überladen werden oder eine katastrophale Tiefentladung erleiden. Thermistoren sind auch in jedem Elektrofahrzeug-Akkupack eingebaut, um die Batterietemperatur richtig zu verwalten, denn Über- und Untertemperaturen können die Lebensdauer der Batterie ebenfalls ernsthaft beeinträchtigen. Ohne eine kontinuierliche und zuverlässige Kommunikation zwischen der Batterie des Elektrofahrzeugs und dem Batteriemanagementsystem kann jedoch kein Schutz gewährleistet werden. Daher wurde die Isolierung in den RxxCTxxS-Produkten von RECOM einem TDDB-Test (Time Dependent Dielectric Breakdown) unterzogen, der eine voraussichtliche Lebensdauer der Isolierung von mehr als 600 Jahren ergibt.