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Smartes Management: Hybrid- und Elektrofahrzeuge: Mehr Leistung für Li-Io-Batterien

Fortsetzung des Artikels von Teil 2.

Drahtlose BMS

Bild: Analog Devices Bildquelle: © Bild: Analog Devices

Bild 4: Vergleich der unterschiedlichen Verbindungen eines BMS

Um eine neuartige Architektur, die Kommunikationsleitungen beseitigt, handelt es sich bei einem drahtlosen BMS. In einem drahtlosen BMS sind alle Module über eine drahtlose Verbindung zusammengeschaltet. Daraus ergeben sich folgende Hauptvorteile für große mehrzellige Batteriesysteme:

  • Reduzierte Verdrahtungskomplexität,
  • geringeres Gewicht,
  • geringere Kosten und
  • verbesserte Sicherheit und Zuverlässigkeit.

Wegen der rauen EMV-Umgebung und dem Metall, das Hindernisse für die Ausbreitung der HF-Signale darstellt, ist die drahtlose Kommunikation im Automobil eine Herausforderung. Felderprobte IoT-Anwendungen mit einem eingebetteten SmartMesh-Netzwerk liefern aufgrund von Pfad- und Frequenz-Diversität selbst in rauen Umgebungen Verbindungen mit einer Zuverlässigkeit von >99,999 Prozent. Zusätzlich zur erhöhten Zuverlässigkeit durch die Erzeugung von mehrfachen Punkten redundanter Verbindungen erlaubt das drahtlose Mesh-Netzwerk zusätzliche BMS-Funktionen. Dazu gehört etwa das flexible Platzieren von Batteriemodulen und zudem wird die Berechnung von SOC und SOH der Batterie verbessert. Von den Sensoren, die an Orten sitzen, die von Kabeln nicht erreichbar sind, können nun zusätzliche Daten gesammelt werden. SmartMesh bietet auch zeitkorrelierte Messungen von jedem Knoten, was eine präzisere Datensammlung erlaubt. Bild 4 ist der Vergleich eines verdrahteten und eines drahtlosen Batteriemoduls. ADI hat das erste drahtlose BMS-Konzept für Automobile, das den Batterieüberwachungsbaustein LTC6811 mit der SmartMesh-Technik von ADI kombiniert, in einem BMW i3 demonstriert.

Bild: Analog Devices Bildquelle: © Bild: Analog Devices

Bild 5: Grenzen der Batterieladung

Bedeutung einer genauen Messung

Besonders bei LiFePO4-Batterien kommt der Genauigkeit des BMS eine große Bedeutung zu. Um die Bedeutung dieser Eigenschaft zu verstehen, betrachtet man das Beispiel in Bild 5. Um ein Überladen und eine Entladung der Batteriezellen zu verhindern, wird die Batterie zwischen 10 und 90 Prozent ihrer vollen Kapazität gehalten. In einer 85-kWh-Batterie sind daher nur 67,4 kWh für das normale Fahren verfügbar. Gibt es einen Messfehler von 5 Prozent, müssen die Zellen zwischen 15 und 85 Prozent gehalten werden, um einen weiteren sicheren Betrieb der Batterie zu garantieren.

Damit wird die gesamte verfügbare Kapazität von 80 auf 70 Prozent reduziert. Wird die Messgenauigkeit um 1 Prozent erhöht (bei LiFePO4-Batterien ergibt ein Messfehler von 1 mV einen Fehler von 1 Prozent der SOC), kann die Batterie nun zwischen 11 und 89 Prozent betrieben werden, was eine Verbesserung um 8 Prozent bedeutet. Mit der gleichen Batterie und einem genaueren BMS kann man also längere Strecken zurücklegen. Um die gleiche Distanz zu überbrücken, kann man andererseits kleinere Batterien einsetzen, was Kosten und Gewicht reduziert.

Schaltungsentwickler beziehen sich auf die Datenblatt-Spezifikationen, um die Genauigkeit einer Schaltung zur Zellenmessung zu bestimmen. Allerdings dominieren oft Effekte in der realen Umgebung den Messfehler. Faktoren, die die Messgenauigkeit beeinflussen, sind Anfangstoleranz, Temperaturdrift, Langzeitdrift, Feuchtigkeit, mechanischer Stress der Leiterplatte und Rauschunterdrückung.