Automotive Electronics Batteriemanagementsystem für das neue 48-V-Automobil-Bordnetz

Autor / Redakteur: Gernot Hehn * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Wenn ein 12-V- und ein 48-V-Bordnetz gemeinsam die Stromversorgung im Auto übernehmen sollen, sind zur Energieverteilung geeignete Power-Mangement-Systeme gefragt

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Ein autonomer passiver Balancer für drei bis sieben Lithiumzellen auf der Basis des ICs AS8506 IC.
Ein autonomer passiver Balancer für drei bis sieben Lithiumzellen auf der Basis des ICs AS8506 IC.
(Bild: ams)

Die Bordnetze aktueller PKWs werden von einer 12-V-Batterie mit zugehörigem Batteriemanagementsystem (BMS) gespeist. Solche 12-V-Bordnetze geraten jedoch immer öfter an die Grenzen ihrer Leistungsfähigkeit. Dafür sind insbesondere zwei Entwicklungen verantwortlich:

- Die Europäische Union hat die Grenzwerte für den CO2-Ausstoß von PKWs und leichten Nutzfahrzeugen verschärft. Ab dem Jahr 2020 gilt ein Emissionsgrenzwert von 95 g CO2/km über die gesamte Fahrzeugflotte eines Herstellers hinweg. Dieses Ziel ist nur durch den vermehrten Einsatz von Elektroantrieben – zumindest bei einem Teil der Flotte – erreichbar.

- Die Verbraucher wünschen sich immer mehr Komfortfunktionen im Auto wie Klimaanlagen, hochentwickelte Sicherheitssysteme (Antiblockiersysteme, Antischlupfregelung usw.), Navigationssysteme, Car-Entertainment, beheizte Sitze etc.

Diese beiden Faktoren treiben den elektrischen Leistungsbedarf von Autos auf Werte von über 3 kW – das ist etwa das Maximum dessen, was ein herkömmliches 12-V-Bordnetz hergibt. Das Ergebnis: Die Batterie geht schnell kaputt, und der Autobesitzer ist verärgert. Jetzt wurden zwei drastische Änderungen am Automobil-Bordnetz vorgeschlagen, die dieses Problem beheben sollen. Erstens beabsichtigen einige Autohersteller die Einführung eines 48-V-Bordnetzes. Ein solches Hochspannungsbordnetz ermöglicht es, bei gleichbleibenden oder sogar geringeren Kabeldurchmessern höhere Lasten (bis 10 kW) zu speisen. Zweitens soll die altehrwürdige Blei-Säure-Batterie durch einen Lithium-Ionen-Akku (vorzugsweise LiFePO4 oder LiTi2O3) abgelöst werden, die eine größere Anzahl von Lade-/Entladezyklen erlauben und dadurch länger leben.

Das 48-V-Bordnetz ermöglicht neue Anwendungen im Auto

Dies wird die Einführung völlig neuer Anwendungen im Automobil ermöglichen – zusätzlich zu denen, die heute das 12-V-Bordnetz an seine Grenzen bringen. Hier einige Beispiele:

  • Elektrischer Turbo zur Unterstützung des Verbrennungsmotors,
  • Mild-Hybrid-Lösungen mit Bremsenergie-Rückgewinnung, die in einer Domäne mit berührungssicherer Spannung arbeiten,
  • riemenlose Verbrennungsmotoren.

Dieses neue System erfordert jedoch drastische Änderungen an der elektrischen Topologie eines Automobils. Die neuen 48-V-Systeme werden „Seite an Seite“ mit dem herkömmlichen 12-V-System arbeiten; das 48-V-Bordnetz wird nur diejenigen Funktionen versorgen, die die erhöhte Leistung benötigen – die übrigen Funktionen werden auch weiterhin vom 12-V-Netz gespeist. Ein DC/DC-Wandler wird die Energie zwischen den beiden Spannungsdomänen verteilen.

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Das neue 48-Volt-Bordnetz

Die fünf deutschen Autobauer Audi, BMW, Daimler, Porsche und Volkswagen haben gemeinsam eine erste Spezifikation einer zusätzlichen Spannungsebene von 48 V im automobilen Bordnetz erarbeitet: die LV148. Darin werden die Anforderung an die entsprechenden Komponenten, Leitungssatz sowie deren Prüfbedingungen festgelegt.

Laut LV148 soll das 48-V-Bordnetz durch einen DC/DC-Wandler elektrisch vom bestehenden 12-V-Bordnetz getrennt sein. Die Anforderungen an die Spannungsversorgung in Sachen Stabilität sowie die Bewertung gegen Kurzschluss oder Load Dump sind ebenfalls in LV148 definiert. Vier Varianten von Mehrspannungsbordnetzen sind umsetzbar: 12 V, 12 V/HV, 12 V/48 V, 12 V/48 V/HV.

Ziel der OEMs ist ein definiertes Baukasten-System für Mehrspannungs-Bordnetze und eine Skalierung über Baureihen und Derivate hinweg. Im Bereich der Industrialisierung ist die weltweite Prozesssicherheit und die Automatisierung sowie die Prüftechnikentwicklung das erklärte Ziel.

(Quelle: Bayern Innovativ)

Das neue 48-V-System könnte auch Änderungen an Kommunikationssystemen wie dem weit verbreiteten CAN-(Controller Area Network)Bus erforderlich machen. Und nicht zuletzt benötigen die neuen, für höhere Leistungen ausgelegten Lithium-Ionen-Akkus ein wesentlich ausgeklügelteres Batteriemanagement- und Diagnosesystem als eine simple Blei-Säure-Batterie.

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.

Zur Messung der Akku-Gesamtspannung wird der AS8510, der die erforderliche Signalaufbereitungs-Hardware und zwei 16-bit-ADCs enthält, mit Abschwächern AS880x kombiniert, die sich durch eine sehr hohe Teilergenauigkeit von 0,2% auszeichnen – eine solche Genauigkeit ist mit Spannungsteilern aus diskreten Widerständen nur schwer erreichbar.

Die gleiche Sensorschnittstelle ist, in Verbindung mit einem 100-μΩ-Manganin-Shuntwiderstand von Isabellenhuette, auch fürs „Coulomb Counting“ zuständig. Die Charakteristiken des AS8510 sind auf diesen speziellen Shunt-Widerstand abgestimmt. Das Ergebnis ist eine Systemgenauigkeit von besser als 0,5% über den gesamten Automotive-Temperaturbereich, wobei das System über den gesamten Messbereich offsetfrei arbeitet.

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Die fünf deutschen Autobauer Audi, BMW, Daimler, Porsche und Volkswagen haben gemeinsam eine erste Spezifikation einer zusätzlichen Spannungsebene von 48 V im automobilen Bordnetz erarbeitet: die LV148. Darin werden die Anforderung an die entsprechenden Komponenten, Leitungssatz sowie deren Prüfbedingungen festgelegt.

Laut LV148 soll das 48-V-Bordnetz durch einen DC/DC-Wandler elektrisch vom bestehenden 12-V-Bordnetz getrennt sein. Die Anforderungen an die Spannungsversorgung in Sachen Stabilität sowie die Bewertung gegen Kurzschluss oder Load Dump sind ebenfalls in LV148 definiert. Vier Varianten von Mehrspannungsbordnetzen sind umsetzbar: 12 V, 12 V/HV, 12 V/48 V, 12 V/48 V/HV.

Ziel der OEMs ist ein definiertes Baukasten-System für Mehrspannungs-Bordnetze und eine Skalierung über Baureihen und Derivate hinweg. Im Bereich der Industrialisierung ist die weltweite Prozesssicherheit und die Automatisierung sowie die Prüftechnikentwicklung das erklärte Ziel.

(Quelle: Bayern Innovativ)

Höhere Akkukapazität und längere Lebensdauer

Das in Bild 1 gezeigte Systemdesign leistet auch das bei Lithium-Ionen-Akkus unverzichtbare Balancieren der Zellen. Lithium-Ionen-Akkus bestehen, genau wie Blei-Säure-Batterien, aus mehreren Einzelzellen. Wegen unvermeidlicher Exemplarstreuungen erreichen einige Zellen den Zustand der Vollladung eher als andere Zellen – sofern nicht besondere Maßnahmen ergriffen werden.

Deshalb hat das Batteriemanagementsystem die Aufgabe, dafür zu sorgen, dass alle Zellen stets den gleichen Ladezustand aufweisen. Je näher das BMS diesem Ziel kommt, desto größer ist die effektive Akkukapazität und desto länger die Akkulebensdauer.

Die Zellen einer Blei-Säure-Batterie sind relativ unempfindlich gegen Überladung. Diese Eigenschaft kann für ein rudimentäres balancieren der Zellen genutzt werden: Man nimmt es einfach hin, dass bereits voll geladene Zellen überladen werden und die überschüssige Energie in Form von Wärme abgeben, während die übrigen Zellen weiter geladen werden.

Auf Lithium-Ionen-Akkus ist diese „Holzhammermethode“ jedoch nicht anwendbar, da diese – im Gegensatz zu Blei-Säure-Batterien – extrem empfindlich auf Überladung reagieren. Deshalb muss man bei Lithium-Ionen-Akkus dafür sorgen, dass die Ladung während des Lade-/Entladezyklus stets gleichmäßig zwischen den Zellen verteilt ist. Auch Consumerprodukte, die durch Lithium-Ionen-Akkus gespeist werden, erfordern ein solches Zell-Balancing. Im Automobil ist diese Aufgabe jedoch wegen der hohen Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) wesentlich schwieriger zu bewerkstelligen.

Das neue IC AS8506 von ams enthält synchronisierte, offsetfreie Komparatoren, die lokal über das Zell-Balancing entscheiden (Bild 3).

Ein autonomer passiver Balancer für drei bis sieben Lithiumzellen auf der Basis des ICs AS8506 IC.
Ein autonomer passiver Balancer für drei bis sieben Lithiumzellen auf der Basis des ICs AS8506 IC.
(Bild: ams)
Im Gegensatz zu herkömmlichen Lösungen kommt dieses System ohne einen Mikrocontroller aus.

Daraus ergeben sich zwei wesentliche Vorteile:

  • Das System ist einfacher zu implementieren, da keine Anwendungssoftware für einen Mikrocontroller geschrieben werden muss. Es ist kein schneller digitaler Signalpfad zu einem Mikrocontroller erforderlich, der in EMV-sensiblen Umgebungen Probleme verursachen könnte.
  • Das System ist genauer, weil die Zellenüberwachung keine A/D-Wandlung erfordert; dadurch entfällt eine mögliche Fehlerquelle.

Die 48-V- und die 12-V-Domänen bleiben separat

Die Separation zwischen den beiden Spannungsdomänen 12 und 48 V erfolgt mithilfe von hochohmigen Spannungsteilern. Im Falle eines Fehlers wird eine etwaige Überspannung durch eine 3,9-V-Zenerdiode mit vorgeschaltetem Serienwiderstand begrenzt, bevor sie Bauteile beschädigen oder auf den CAN-Bus gelangen kann. Auf diese Weise werden die beiden Spannungsdomänen separat gehalten, ohne dass hierfür teure Isolationsbauteile wie Optokoppler oder Übertrager notwendig wären.

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Das neue 48-Volt-Bordnetz

Die fünf deutschen Autobauer Audi, BMW, Daimler, Porsche und Volkswagen haben gemeinsam eine erste Spezifikation einer zusätzlichen Spannungsebene von 48 V im automobilen Bordnetz erarbeitet: die LV148. Darin werden die Anforderung an die entsprechenden Komponenten, Leitungssatz sowie deren Prüfbedingungen festgelegt.

Laut LV148 soll das 48-V-Bordnetz durch einen DC/DC-Wandler elektrisch vom bestehenden 12-V-Bordnetz getrennt sein. Die Anforderungen an die Spannungsversorgung in Sachen Stabilität sowie die Bewertung gegen Kurzschluss oder Load Dump sind ebenfalls in LV148 definiert. Vier Varianten von Mehrspannungsbordnetzen sind umsetzbar: 12 V, 12 V/HV, 12 V/48 V, 12 V/48 V/HV.

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(Quelle: Bayern Innovativ)

Bei einem Unfall oder wenn die Akkus die Grenze ihrer Belastbarkeit erreicht, ist es ratsam, die Akkus komplett von der 48-V-Schiene zu trennen. Dies sollte auch dann geschehen, wenn das Fahrzeug längere Zeit nicht benutzt wird. Diese Trennung übernimmt ein Hochlastrelais im positiven Spannungspfad.

Der System Basis Chip (SBC) AS8601 versorgt das gesamte Batteriemanagementsystem mit einer geregelten Betriebsspannung und enthält außerdem einen CAN-Transceiver.

Das 48-V-Bordnetz steht kurz vor dem Durchbruch

Das neue 48-V-Stromversorgungssystem ist eine der letzten noch verbliebenen Möglichkeiten, den Kraftstoffverbrauch von Verbrennungsmotor-Fahrzeugen deutlich zu reduzieren. Es versetzt Automobilhersteller außerdem in die Lage, ihren Neuwagenkunden länger haltbare Akkus anzubieten.

Bis jetzt haben die Kosten der Implementierung und des notwendigen Redesigns der Bordnetz-Topologie die Automobilhersteller noch von der Umstellung auf 48 V abgehalten. Doch angesichts schnell sinkender Preise für Lithium-Ionen-Akkus und des starken Drucks auf die Automobilhersteller, die CO2-Emissionen ihrer Flotten zu reduzieren, steht das 48-V-Bordnetz kurz vor dem Durchbruch. ams stellt eine bewährte Architektur bereit, die unter Verwendung kommerzieller ICs implementiert werden kann und es Automobilherstellern ermöglicht, neue Produkte schnellstmöglich auf den Markt zu bringen und eine hochgenaue Batterieladezustandsüberwachung mit effizientem Zell-Balancing zu realisieren.

* Gernot Hehn ist Applikationsingenieur bei der ams AG.

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