Auf sicherer Fahrt mit Batterie-Managementsystemen

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SAB Bröckskes GmbH & Co KG

ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH

Sensor-Technik Wiedemann GmbH (STW)

Aufgaben der Batterie-Management-Systeme

Der gemeinsame Nenner der Forderungen ist die Überwachung aller Zellspannungen, einer Vielzahl von Temperaturen innerhalb des Speichersystems, sowie des Stroms, der als Last- oder Ladestrom die Batteriezellen beansprucht. Sobald eine der Messgrößen einen der voreingestellten Grenzwerte verletzt, muss das BMS zuverlässig den „sicheren Zustand“ einnehmen - darunter ist im Allgemeinen das Abschalten der Batterie zu verstehen. Neben diesen elementaren Sicherheitsfunktionen muss das System in einer kommerziellen Implementierung noch eine Vielzahl weiterer Funktionen bereitstellen und diese so umsetzen, dass die sicherheits-gerichteten Funktionen niemals beeinträchtigt sind:

• So fungiert das BMS als Gateway zum Energiespeicher, es bildet in vielen Fällen nicht nur die Steuerungs- und Überwachungsfunktionen ab, sondern beinhaltet auch die Trennschalter (Schütze) und den Hochvoltanschluss selbst.

• Die Batterien werden üblicherweise an elektronischen Invertern betrieben, die mit großen Zwischenkreiskondensatoren ausgestattet sind. Ein hartes Einschalten einer Batterie an solch einer Kapazität würde einem Kurzschluss gleichkommen. Das System ist davor durch eine kontrollierte Vorladung zu schützen, die von einer speziellen Vorladeeinrichtung des BMS ausgeführt wird.

• Batteriezellen neigen im Laufe ihres Lebens dazu, unterschiedlich zu altern, dabei verringert sich ihre Kapazität und sie entwickeln unterschiedliche Grade der Selbstentladung. Werden die Zellen immer mit identischem Strom geladen und entladen, würde die verfügbare Kapazität einer Reihenschaltung solcher Zellen im Laufe der Lebensdauer absinken. Ein individuelles Wiederherstellen eines identischen Ladezustands (Balancing, Equalizing oder Symmetrierung genannt) ist eine wesentliche, wenn auch nicht sicherheitsgerichtete Funktion eines jeden BMS.

• Mit 350 bis 800 V liegt die Nennspannung eines modernen Traktionsnetzes in einem gefährlichen Bereich und viele konstruktive Schutzmaßnahmen, aber auch eine elektronische Überwachung werden gebraucht. Der unbedingt erforderliche elektronische Isolationswächter ist in vielen Fällen ebenfalls zum BMS zu rechnen.

• Zudem hat sich ein BMS wie jedes andere Steuergerät in einem Fahrzeug zu verhalten: es soll CAN-Schnittstellen und Diagnosemöglichkeiten bereitstellen, unterschiedliche Aufwach-Mechanismen unterstützen, elektrische Verbindungen über Interlock absichern und Kundenprogrammierung und Konfiguration ermöglichen.

Häufig wünscht ein Batterieentwickler, die Zustandsmodellierung seines Energiespeichers in der Hand zu behalten, wenn auch der Rest des BMS von einem Zulieferer entwickelt wird. Das Zustandsmodell errechnet aus den vielfältigen Mess- und Betriebsgrößen den aktuellen Lade- und Alterungszustand der Batteriezellen und sagt daraus die aktuelle Leistungsfähigkeit und die zu erwartende Restlebensdauer des Gesamtsystems voraus. Die Entwicklung dieser komplexen Software braucht auch eine angemessene Entwicklungsumgebung. Die heute, gerade im Automobilbereich gängigen Entwicklungswerkzeuge, Methoden und Protokolle müssen also unterstützt werden.

Ein Batterie-Management-System ist kein Standard

Die Erfahrung zeigt, dass die Implementierungen industrieller Batterie-Management-Systeme derart große Unterschiede aufweisen, dass ein Standardsystem im Serieneinsatz kaum bestehen kann. Vielmehr ist eine Standardisierung nur auf der Ebene einzelner Subkomponenten und von wenigen zumeist sicherheitsgerichteten Softwareanteilen erkennbar. Die Sensor-Technik Wiedemann GmbH macht sich daher zur Aufgabe, die wesentlichen Komponenten als wiederverwendbare Entwurfsmuster von Schaltplänen, Programmcodes und Dokumenten zu entwickeln und individuelle BMS-Implementierung daraus abzuleiten.

Das Batterie-Management-System im Einsatz

Bis heute kamen die Systeme von STW in unterschiedlichsten Anwendungen zum Einsatz. Unter den aktuellen Applikationen auf der Straße, der Schiene und dem Wasser, ist das vom Bundeswirtschaftsministerium geförderte Verbundprojekt Liana+, bei dem STW zusammen mit den Industriepartnern MTU und Akasol einen Speicher für den Dieselelektrischen Hybridantrieb eines Triebwagens entwickelt hat. Auch für den Elektrosportwagen AMG eSLS und den Antriebsstrang, den Zebotec für Elektroboote entwickelt hat, hat STW das BMS beigesteuert.

Mehrere Teams der elektrischen Formula Student setzen auf ein BMS von STW. Im Jahr 2013 traten gar vier Teams damit beim Wettbewerb auf dem Hockenheimring an: KA-RaceIng, DHBW Engineering Stuttgart, Schanzer Racing und StarkStrom Augsburg. (mz)

* *Dipl.-Ing. Ulrich Huber ist Projektmanager bei der Sensor-Technik Wiedemann GmbH.

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