Sicherheit Performance Lebensdauer Zuverlässigkeit

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1 Die Elektromobilität gewinnt dank der zunehmenden Anzahl alltagstauglicher Fahrzeuge etablierter Großserienhersteller und der dadurch gesteigerten Akzeptanz der Kunden weiter an Bedeutung. Mittlerweile können Interessenten bereits aus einerumfangreichen Auswahl verschiedenster Modelle von Hybrid bis rein elektrisch wählen. Diese Auswahl wird sich in den kommenden Jahren deutlich erweitern um zusätzliche Fahrzeugtypen, Fahrzeugklassen und Anwendungsfälle abdecken zu können. Die Entwicklungsschwerpunkte liegen in diesem Segment der Elektromobilität neben weiteren Kernkomponenten wie dem Umrichter (Inverter) und dem Elektromotor hauptsächlich auf effizienten und zuverlässigen Hochvoltenergiespeichern, welche oft maßgebend für Reichweite, Leistung und Kosten sind. Die AVL Gruppe hat bereits 2008 mit der Entwicklung eines serientauglichen Batteriepacks begonnen und parallel dazu auch umfangreiche Hochvolt-Testanlagen errichtet sowie Simulatoren zur Marktreife gebracht. Die AVL Software &Functions GmbH war hierbei federführend für die Software- und Funktionsentwicklung der Hochvoltspeicher verantwortlich. Das im Jahr 2008 in Regensburg gegründete Tochterunternehmen der AVL Gruppe bietet ein breitgefächertes Portfolio umfangreicher Soft- und Hardwareentwicklung sowie Test- und Applikationsdienstleistungen im automobilen Umfeld, als auch in weiteren Bereichen wie Marine, Offroad und stationären Anlagen an. Ein weiterer starker Partner insbesondere für EMV Thematiken im Umfeld der Elektromobilität ist die, ebenfalls in Regensburg ansässige, AVL Trimerics GmbH. Das AVL Batterie Management System (BMS) ist mittlerweile in mehreren Kundenprojekten, sowie im eigens aufgebauten 800V Elektrofahrzeug(Coup-e 800), im Einsatz. Die Notwendigkeit einer BMS Einheit entstand insbesondere während deseinzugs der Hochvoltspeicher in den automobilen Bereichund den dadurch wachsenden Anspruch an: Sicherheit: Entsprechend systemspezifischer ASIL (Automotive SafetyIntegrity Level) Einstufung müssen passende Hard- und Softwarelösungen zur Vermeidung vorhersehbarer Fehlermechanismen integriert werden. Performance: Hochgenaue Zellspannungsmessungen und vorrausschauende Zellzustandsbestimmungen ermöglichen eineeffiziente Ausnutzung der verfügbaren Leistung auch in Grenzbereichen. Lebensdauer: Kontinuierliche Überwachung der Zelltemperaturen und Ladezustände ermöglichen zuverlässige Algorithmen zur Alterungsprädiktion und Lebensdauererhaltung. Zuverlässigkeit: Zahlreiche Diagnosestrategien und Rückfallkonzepte ermöglichen die Aufrechterhaltung eines eingeschränkten Betriebszustandes bei teilweisem oder vollständigem Versagen spezifischer Komponenten.

2 Bild 1: HV-Batterie des AVL Coup-e 800 mit AVL BMS Der Aufbau verschiedener Batterie-Packs ist dabei von den Grundkomponenten her weitestgehend identisch. Eine definierte Anzahl Zellen, in der Regel 8 bis 16, werden in Reihe geschaltet und zu Modulen zusammengefasst. Optional können Zellen auch zusätzlich parallel geschaltet werden um die Strombelastbarkeit und/oder die Kapazität unabhängig von der Packspannung zu erhöhen. Module haben hierbei, abhängigder gewählten Zellchemie und anzahl, eine durchschnittliche Nennspannung von45v. Mehrere Module werden anschließend wiederum zu einem Pack zusammengefasst und in Reihe geschaltet, so dass die letztendliche Spannungslage, abhängig von der Anzahl Zellen und Module, praktisch frei gewählt werden kann. Für voll-elektrische Fahrzeuge, also bei Verwendung eines Antriebstrangs welcher ausschließlich durch elektrische Energie gespeist wird, ist derzeit eine Nennspannung von ca.350v am weitesten verbreitet. Diese könnte in Zukunft jedoch durch neue 800V Technologien angehoben werden, sofern die dadurch entstehenden Vorteile nutzbar sind. Je nach Spanungslage können weitere Komponenten wie Schütze und Sicherungen nötig sein. Die Struktur des Batterie Management Systems kann grob in drei verschiedene Topologien unterteilt werden: Zentralisiert: Es existiert nur ein Steuergerät (BCU BatteryControl Unit), welches Spannungsund Temperaturmessungen durchführt, sowie weitere Komponenten wie Lüfter ansteuern kann. Eine physikalische Verbindung zu allen Zellen ist aufgrund der Zellspannungsmessungen nötig. De-Zentralisiert: Ein zentrales Steuergerät (BCU) empfängt, unter Verwendung eines beliebigen Kommunikationsprotokolls wie CAN oder FlexRay, alle nötigen Zell-/Moduldaten von weiteren

3 Steuergeräten (MCU Module Control Unit). Diese können modulnah platziert und sehr simpel ausgeführt werden, da keinerlei komplexe Algorithmen oder Ansteuerungen darauf notwendig sind. Master/Slave: Das System besteht lediglich aus Modul-Steuergeräten (MCU). Eines hiervon ist als Master definiert und übernimmt die übergeordnete Steuerung und die Kommunikation nach außen. Die AVL hat sich früh für die de-zentralisierte Topologie entschieden, da hiermit durch Variation der Modulanzahl verschiedene Packtypen und Spannungslagen einfach und flexibel realisierbar sind ohne dabei Softwareanpassung vornehmen zu müssen. Bild 2: Typischer Aufbau eines de-zentralen Hochvoltenergiespeichers Die Soft- und Hardwarearchitektur ist gezielt auf eine generische Entwicklungsplattform ausgelegt, die in verschiedenen Kunden- und Forschungsprojekten, vom reinen Prototyp bis zur Serie, effizient und flexibel eingesetzt werden kann. Die Hardware ist in der Lage neben grundlegenden Batteriekomponenten auch weitere Bauteile wie z. B. Kühlmittelpumpen, Ventile oder Ladebuchsen anzusteuern. Die Software ist gemäß AUTOSAR (Automotive Open System Architecture) Struktur in funktionale Gruppen unterteilt und gemäß Kundenwunsch oder Einsatzart modular erweiter- oder reduzierbar.

4 Das AVL BMS kann von Kunden als reine Hardware-Plattform mit eigener Software bis hin zum vorkonfigurierten und getesteten System für den Serieneinsatz genutzt werden. Durch die Verwendungaktueller Software-FreischnittTechnologie ist das System zudem für den Einsatz als Rapid Prototyping Einheit geeignet. Kundenspezifische Funktionen lassen sich hiermit (sowohl code- als auch modellbasiert)einfach und effizient integrieren, testen und auf Wunsch mit AVL Funktionen vergleichen. Dank der integrierten Bypass-Funktionalität können die somit entwickelten Funktionen auch direkt im Batterie-System verwendet werden. Der AVL BMS Funktionsumfang umfasst dabei neben der Basic Software zahlreiche Module um alle nötigen Bereiche im System abzudecken. Eine kleine Übersicht einiger Funktionsmodule: Battery Communication: Interne sowie externe CAN Kommunikation und Überwachung. ContactorControl: Steuerung der Hochvolt-Schütze und der Vorladestrategie. Core Functions: Prädiktionsalgorithmen zur Bestimmung des Ladungszustands, der Zellalterung und der abrufbaren Leistung. BatteryProtection: Zusammenfassung zahlreicher generischer Diagnosefunktionen zur kontinuierlichen Überwachung des Systems und angeschlossener Komponenten. Charge Control: Überwachung der Ladestrategie und Ansteuerung externer Ladegeräte. Thermal Control: Regelung und Überwachung des jeweiligen Kühlkonzepts (Luft, Wasser, etc). ElectricalHazardProtection: Auswertung der Isolationsmessung und Überwachung des Interlock Signals. Neben diesen Funktionsgruppen für den eigentlichen Betrieb des Systems (Ebene 1) sind weitere, übergeordnete Sicherheitsfunktionen (Ebene 2 / 3) integriert um mögliche Gefahren durch Soft- und Hardwarefehler weiter zu minimieren. Die Entwicklung der sicherheitsrelevanten Funktionen ist dabei eng an die Sicherheitsanforderungen aus der, im Automotive-Bereich anerkannten, ISO26262 Richtlinie geknüpft. Der generelle Entwicklungsablauf an sich ist zudem durch konzernweit vorgeschriebene und durch unabhängige Institutionen regelmäßig überprüfte Prozesse gemäß Automotive Standards abgesichert. Hierzu zählt selbstverständlich auch die Nutzung eines Lifecycle Management Tools um eine langfristig gesicherte Historie der einzelnen Entwicklungsstadien zu garantieren. Trotz der klaren Ausrichtung auf den automobilen Bereich sieht AVL auch andere potentielle Einsatzgebiete moderner Batterie Management Systeme. So verlangt beispielsweise die zunehmende Nutzung erneuerbarer Energien auch nach modernen, effizienten und vor allem sicheren Möglichkeiten, Überproduktionen im lokalen Umfeld temporär zu speichern und bei Bedarf abzurufen. Auch gibt es große Potentiale im Offroad Bereich, insbesondere dort, wo elektrische Antriebe aufgrund der Umgebungsbedingungen klare Vorteile bieten. Ein sehr gutes Beispiel hierfür wäre der zunehmende Einsatz elektrischer Fahrzeuge im Untertagebau, wo hohes Drehmoment, problemlose Versorgung zusätzlicher elektrischer Nebenaggregate und vor allem die Vermeidung von Abgasen sehr geschätzt wird. Um die Technologie der Batterie Management Systeme weiter voran zu treiben, investiert AVL in die derzeitige Entwicklung neuartiger Modulcontroller und bereitetsomit die nächste BMS Generation vor.

5 Während im bisherigen System noch der Einsatz von Mikroprozessoren auf den MCUs nötig war, kommt die neue Generation gänzlich ohne diese aus. Individueller Code und Algorithmen sind somit nur noch auf der BCU zu finden, welches das System insgesamt deutlich vereinfacht und die Modulcontroller hinsichtlich Größe, Effektivität und Kosten drastisch verbessert. Durch Verwendung isolierter Kommunikationsleitungen und der Spannungsversorgung direkt aus den Zellen werden die sonst nötigen Isolationsmaßnahmen auf den MCUs erheblich reduziert. Die neue BMS Generation der AVL Gruppe reagiert somit auf die steigende Nachfrage kostengünstiger und flexibler Lösungen des wachsenden Segments der Elektromobilität und ermöglicht die effiziente Entwicklung wettbewerbsfähiger und alltagstauglicher Serienfahrzeuge sowie Prototypen und deckt gleichzeitig den Bedarf aus anderen Feldern (z.b. Stationärspeicher für regenerative Energien) mit ab.