Angesichts des Klimawandels konzentrieren sich Autohersteller darauf, Batterien für Elektrofahrzeuge mit neuen chemischen Zusammensetzungen zu entwickeln. Im Zuge dieser Entwicklungen werden Batteriamanagementsysteme (BMS) mit moderner Halbleitertechnik immer wichtiger.

09 Feb. 2022
 

Mit unseren Innovationen im Bereich Batteriemanagementsysteme geben wir Autoherstellern die Möglichkeit BMS-Architekturen für neue und zukunftsweisende Batterien verschiedener chemischer Zusammensetzungen zu entwickeln und so Elektrofahrzeuge sicherer und erschwinglicher zu machen.

Die Verbesserung der Batterien von E-Fahrzeugen ist ein Schlüsselthema, gerade weil sich Elektrofahrzeuge immer wachsender Beliebtheit erfreuen. Die meisten Menschen wünschen sich vor allem mehr Reichweite, Sicherheit, bessere Leistung, Zuverlässigkeit und dass die Kosten niedrig gehalten werden. Im Zuge dieser Entwicklungen gewinnen moderne Batteriemanagementsysteme (BMS) immer mehr an Bedeutung. Den Kern dieser Systeme bilden Halbleiter.

„Halbleiter-Technologie spielt bei Elektrofahrzeugen eine viel größere Rolle als bei Verbrennern,” erklärt Sam Wong, Leiter eines unserer Teams für die Entwicklung von Produkten zur Batterieüberwachung. „Unsere Chips bringen viele Vorteile und kosten dabei nur einen Bruchteil eines Akku-Packs.”

Einer aktuellen Studie BloombergNEF Bericht zufolge, machen Elektrofahrzeuge einen Anteil von weniger als 5% des Passagierfahrzeugmarktes weltweit aus. Aber ihr Marktanteil wächst rasant, auch weil die meisten großen Namen in der Autoherstellerbranche angekündigt haben, in den nächsten fünf bis zehn Jahren auf Elektrofahrzeuge umzusteigen, um ihren Beitrag zu einer umweltgerechteren, nachhaltigeren Zukunft zu leisten. Für Mainstream-Verbraucher sind Fortschritte in der Batterietechnik von großer Bedeutung bei ihrer Kaufentscheidung. TI ist ein Wegbereiter, wenn es um Innnovationen im Bereich der Automobiltechnik geht; so entwickeln wir immer neue Technologien, mit deren Hilfe Ingenieure mit Batterien unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung und unterschiedlicher Konfigurationen arbeiten können. Diese Innovationen sorgen bereits jetzt für Verbesserungen hinsichtlich dem Kaufpreis, der Leistung und der Zuverlässigkeit von EV-PKWs – sie werden sowohl für traditionelle als auch neuartige zukunftsweisender Batterietechnik eingesetzt.

Mehr Reichweite mit Millivolts

Neue Batteriechemien als große Chance für Innovationen. Die meisten Elektrofahrzeuge werden von Batterien angetrieben, die aus Kobalt bestehen – einem äußerst knappen seltenem Erdelement. Doch in jüngster Zeit steigen viele EV-Hersteller auf Kobalt-freie Batteriealternativen um. Ein Material, das gerade als Ersatzstoff gehandelt wird ist Lithium-Eisenphosphat (LFP). Dieser Rohstoff zeichnet sich durch große Bestände, nachhaltigere Gewinnung und einfachere Handhabung in der Verarbeitung aus, was ihn zu einer kostengünstigeren und somit effizienteren Alternative macht.

Auch wenn LPF aufgrund des niedrigen Eisenpreises und der großen Eisenvorkommen die bessere und nachhaltigere Wahl ist, stehen diesen Vorteilen auch Nachteile gegenüber. Der größte Nachteil liegt in der Schwierigkeit der Berechnung der Batterieladung: In Elektrofahrzeugen wird zur Berechnung der verbleibenden Kapazität – für die Insassen des PKWs die verbleibende Reichweite – der Spannungsabfall der Batterie gemessen. Und hier zeigt sich der Nachteil von LPF-Batterien gegenüber Kobalt-Batterien: Während in kobalt-basierten Batterien die Spannung bei Entladung gleichmäßig abnimmt, ist der Spannungsabfall in Batterien aus Lithium-Eisenphosphat so gering, dass er auch bei fast vollständiger Entladung fast nicht gemessen wird. Dies führt dazu, dass es sehr schwierig ist den Ladezustand der Batterie vorherzusagen.

„Aufgrund der sehr flachen Entladungskurve von LPF-Batterien benötigen wir eine so genaue Spannungsmessung, dass wir uns damit am Limit dessen was mit moderner Halbleitertechnik möglich ist, befinden," sagt Mark Ng, einer unserer BMS-System-Manager.

Traditionelle BMS-Geräte schaffen eine Batteriespannungsmessung bis zu einer Genauigkeit von ungefähr 5 Millivolt, aber für LFP-Batterien entspricht dies einer Ungenauigkeit von ungefähr 25 Prozent bei der Berechnung der Reichweite. Autohersteller tendieren generell dazu bei Angaben zur Reichweite auf Nummer sicher zu gehen und eher zu untertreiben; auch um zu verhindern, dass Fahrer mitten auf der Autobahn mit einer leeren Batterie stehenbleiben, werden im Fahrzeug oft verbleibende Reichweiten angezeigt, die um bis zu 25 % geringer sind, als was eigentlich verfügbar ist.

Hier bietet unsere innovative Technologie eine Lösung. Durch den Einsatz unserer hochgenauen Batterieüberwachungssysteme, können Autohersteller die Reichweite ihrer Fahrzeuge genauer bestimmen.

„Anstatt anzuzeigen, dass noch 200 Meilen gefahren werden können bevor aufgeladen werden muss, aber eigentlich noch genug Batterieladung für 250 Meilen verfügbar ist, kann das Fahrzeug mit unserem Chip anzeigen, dass noch 230 Meilen verbleiben,” sagt Mark. „Das BMS vergrößert also praktisch Ihre Reichweite um 30 Meilen, mit der gleichen Batterieladung und den gleichen Batterien.”

Diese kleine Erhöhung der Reichweite kann schon ausreichen, um Herstellern das nötige Vertrauen in die LPF-Batterietechnologie zu geben, sodass sie auf diese chemische Zusammensetzung umsteigen und für mehr Nachhaltigkeit und Erschwinglichkeit für Elektrofahrzeuge sorgen.

Gratwanderung

Zusätzlich zur Vergrößerung der Reichweite ist eine genaue Messung der Batteriespannung aber auch essentiell für die Sicherheit und Haltbarkeit jeder einzelnen der fast 200 Zellen eines EV-Akkupacks. Wenn sich auch nur eine Zelle über einen längeren Zeitraum unentdeckt schneller als die anderen Zellen entlädt, kann es zu Schäden an der gesamten Batterie kommen. Durch die schnelle Entladung kann eine Zelle permanent geschädigt werden und die ganze Gruppe der umliegenden Zellen unnutzbar machen. Es kann aber auch sein, dass eine einzelne Zelle sich zu schnell auflädt und schneller als die anderen Zellen ihre Ladekapazität erreicht. Dadurch steigt das Risiko einer „Überladung” der Zelle, die zu Überhitzung mit Folgeschäden für den gesamten Akku-Pack führen kann.

Dank ihrer Genauigkeit, können unsere Batterieüberwacher schnell ausmachen, ob eine Zelle Probleme bei der Ent- oder Aufladung aufweist und diese Zelle vom Rest des Akkupacks trennen. Durch die intelligente Ladesteuerung kann so eine Überladung oder zu schnelle Entladung und Beschädigung des Akkus ausgeschlossen werden. Der Akkupack bleibt während des Fahrens und Ladens immer gut ausbalanciert. Die Bausteine überwachen darüber hinaus die Temperatur der Batterie, um bei einem Temperaturanstieg, der auf Überhitzung oder andere Probleme hindeutet, schnell eingreifen zu können.

„Das BMS bietet ein ausgeklügeltes Überwachungsnetzwerk zur Messung der Spannung, des Stroms und der Temperatur jeder einzelne Zelle,” erklärt Sam. „So kann eine Batterie vom System getrennt werden oder der Auf- und Entladestrom angepasst werden.”

Das BMS bietet durch den Einsatz von zwei Sensoren, die unabhängig voneinander agieren mehr Zuverlässigkeit bei der Messung der Spannung und meldet ungleiche Messungen an das System.

Selbst das Abtrennen der Batterie vom System bringt seine eigenen Herausforderungen und Lösungen mit sich. Höhere Batteriespannungsstacks, der Wunsch nach Batterien, die sich schneller Aufladen und der Einsatz von immer stärkeren Motoren – all diese Aspekte müssen bei der Entwicklung dieser Abtrenn-Mechanismen in Betracht gezogen werden.

Flexibilität für mehr Innovation

Im Zuge der Einführung von Batterien mit neuen chemischen Zusammensetzungen, stärkeren Akkupacks und verschiedenen Konfigurationen einzelner Zellen, implementieren Autohersteller Produktlinien für Elektrofahrzeuge, die verschiedene Möglichkeiten miteinanderkombinieren. Unser Portfolio bietet eine Auswahl aus mehreren Optionen in einem Pack, mit kompatiblen Pins und der Möglichkeit bereits bestehende Software wiederverwenden zu können. Eine der größten Stärken unserer BMS-Produkte ist, dass sie mit fast jeder Art von Batterichemiezusammensetzung oder Konfiguration kompatibel sind und somit Autoherstellern Forschungs- und Entwicklungskosten, sowie Zeit und Kosten für die Entwicklung neuer Software ersparen.

„Wenn Sie als Autohersteller mit verschiedenen chemischen Zusammensetzungen und Konfigurationen arbeiten müssen, ist es extrem hilfreich verschiedene Batterieüberwachungsbausteine aus derselben Produktfamilie zur Auswahl zu haben ”, sagt Mark. „Durch diese Möglichkeit über Plattformen hinweg zu skalieren, sinken die Kosten für Elektrofahrzeuge für Privatpersonen und Autos können schneller auf den Markt gebracht werden.”

Weitere BMS-Innovationen in Planung. Unser Unternehmen erweitert die Grenzen der technischen Machbarkeit im Bereich Spannungsgenauigkeit und schafft die Integration zusätzlicher Steuerfunktionen in jeden einzelnen Chip, sodass Autohersteller das wahre Potenzial des Möglichen ausschöpfen können. Außerdem forschen wir bei TI zur kontinuierliche Weiterentwicklung unserer BMS-Lösungen und sorgen so dafür, dass unsere BMS-Lösungen auch weiterhin die modernsten Batteriearten unterstützen können. „Es gibt bestimmt noch hundert weitere Batteriechemien, an denen gerade in der Branche geforscht wird,” sagt Sam. „Wir wollen sicherstellen, dass unsere BMS-Produkte die größtmögliche Flexibilität bieten können, um mit diesen neuen Systemen zusammenarbeiten zu können.”

Aus Leidenschaft für eine bessere Welt

Die Unterstützung von Autoherstellern bei der Bewältigung von Fahrzeugsicherheit ist ein Beispiel dafür, wie TI-Innovatoren ihre Leidenschaft leben, eine bessere Welt zu schaffen, indem sie Elektronik durch Halbleiter erschwinglicher machen. Mit jeder Generation von Innovation wird unsere Technologie effizienter, zuverlässiger und erschwinglicher. Das bedeutet technischer Fortschritt für uns. Dabei können wir auf unsere jahrzehntelange Erfahrung zurückgreifen.