Automotive Electronics

Batteriemanagementsystem für das neue 48-V-Automobil-Bordnetz

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Die Herausforderung für Automobilelektronik-Entwickler besteht darin, ein Batteriemanagementsystem zu entwickeln, das Betriebssicherheit und lange Batterielebensdauer gewährleistet, die Nieder- und Hochspannungsdomänen voneinander separiert und dabei ohne ein komplexes Schaltungsdesign mit zahlreichen Bauteilen auskommt. Da die Entwicklung von 48-V-Bordnetzen noch in den Kinderschuhen steckt, gibt es bis jetzt noch keine Standardarchitektur und kein Standardrezept, wie man diese Ziele erreicht.

Bild 1: Ein aus wenigen Bauteilen bestehendes Batteriemanagementsystem, das ein hochgenaues Ausgleichen der Zellspannungen ermöglicht. Die ICs AS8510 und AS8601 können auch durch ein einziges AS8615 ersetzt werden.
Bild 1: Ein aus wenigen Bauteilen bestehendes Batteriemanagementsystem, das ein hochgenaues Ausgleichen der Zellspannungen ermöglicht. Die ICs AS8510 und AS8601 können auch durch ein einziges AS8615 ersetzt werden.
(Bild: ams)
Bild 1 zeigt einen hochintegrierten Lösungsansatz für ein 48-V-Batteriemanagementsystem. Das System ist einfach zu implementieren, ermöglicht aber dennoch hochgenaue Zellenspannungs- und -strommessungen. Es unterstützt außerdem ein präzises Balancing der Ladungszustände aller Zellen, maximiert so die Energiespeicherkapazität und reduziert die Anzahl der Lade-/Entladezyklen auf ein Minimum.

Die Anforderungen an ein 48-V-Batteriemanagementsystem

Das in Bild 1 gezeigte System erfüllt die vier Hauptfunktionen eines 48-V-Batteriemanagementsystems:

  • Messung der Akku-Gesamtspannung, der Zellenspannungen und des Stroms. Diese Daten werden dazu genutzt, den Akku in ihrem sicheren Arbeitsbereich zu halten.
  • Ausgleich der Zellspannungen.
  • Separation der 12-V- und 48-V-Domänen
  • Eigensichere Abtrennung der 48-V-Domäne.

Die erstgenannte Funktion ist eine der Grundanforderung an ein BMS. Bei Autos mit Start-/Stopp-Automatik und 12-V-Bordnetz muss dafür gesorgt werden, dass der Ladezustand (SOC, State of Charge) des Akkus nicht unter 50% absinkt. Nur so ist gewährleistet, dass stets genügend Energie für den Anlasser verfügbar ist.

Dieses Ziel – Ladezustand mindestens 50% – ist gar nicht so leicht zu erreichen, wie es vielleicht den Anschein hat. Lithium-Ionen-Akkus (meist LiFePO4-Typen) haben einen sehr flachen Entladespannungsverlauf (Bild 2).

Bild 2: Die Spannung einer Lithium-Ionen-Zelle fällt beim Entladen wesentlich langsamer ab als die einer Blei-Säure-Zelle.
Bild 2: Die Spannung einer Lithium-Ionen-Zelle fällt beim Entladen wesentlich langsamer ab als die einer Blei-Säure-Zelle.
(Bild: ams)
Das bedeutet, dass die Ausgangsspannung während des Entladevorgangs lange Zeit nur sehr langsam abnimmt und erst, wenn der SOC sich 0% nähert, abrupt abzufallen beginnt.

Dadurch sind Spannungsmessungen allein zur Bestimmung des SOC ungeeignet. Der Ladezustand eines Lithium-Ionen-Akkus lässt sich am besten bestimmen, indem man die Leerlaufspannung des Akkus misst, um einen Referenzpunkt zu haben, und dann kontinuierlich die Ladungsmenge (Stromstärke mal Zeit) misst, die dem Akku entnommen wird. Dieses Verfahren, das auch als „Coulomb Counting“ bezeichnet wird, erfordert eine sehr hohe Genauigkeit im Spannungsmesskanal und einen offsetfreien Strommesspfad. Die Batteriesensor-Schnittstelle im ams AS8510 (Bild 1) erfüllt beide Anforderungen.

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