Batterieumgebungen in Elektrofahrzeugen Batteriemanagementsysteme auf UWB-Basis: Drahtlostechnologie neu gedacht

Batteriemanagementsysteme sind wichtige Komponenten in modernen Elektrofahrzeugen, denn sie dienen als Schaltzentrale für den Batteriebetrieb. Durch kontinuierliche Überwachung und Regelung der Batterie gewährleisten sie ihr sicheres und effizientes Funktionieren. Drahtlose BMS-Lösungen auf UWB-Basis können dabei helfen, die Komplexität von Konstruktions- und Fertigungsprozessen zu verringern und gleichzeitig die Zuverlässigkeit zu erhöhen.

Angesichts der Bedeutung von Batteriemanagemen-Lösungen (BMW) für die schnell wachsende Elektroautoindustrie beschleunigt sich hier das Innovationstempo. Kabelgebundene Systeme werden zunehmend durch drahtlose BMS-Technologien ersetzt, die die Produktion von Stromern effizienter gestalten und deren Leistungsfähigkeit verbessern. Hierbei nehmen BMS-Lösungen, die auf Ultrabreitband-Technologie (UWB) basieren, eine Vorreiterrolle ein: Sie bieten im Vergleich zu kabelgebundenen Lösungen und anderen drahtlosen Technologien deutliche Vorteile.

In herausfordernden Batterieumgebungen kommunizieren

Die zentrale Aufgabe eines Batteriemanagementsystems ist es, mit der Batterie zu kommunizieren und sie zu steuern, um ihren ordnungsgemäßen Betrieb zu gewährleisten. Dazu sorgt das BMS für einen zuverlässigen Datenaustausch, damit ein spezialisierter Prozessor die Batterie präzise regeln kann. Im Mittelpunkt stehen dabei betriebsrelevante Informationen wie Temperatur, Stromstärke und Spannung. Diese sind entscheidend, um einen sicheren und effizienten Betrieb der Batterie und damit des gesamten Fahrzeugs zu garantieren.

Ein modulares, Kabel-basierendes Batterie-Design, bei dem das Batteriepack in mehrere Batteriemodule unterteilt wird, hat sich heute als Industriestandard etabliert. Zwar ermöglichen diese Ansätze Skalierbarkeit und Wiederverwendbarkeit, doch sie gehen mit einer geringeren Energiedichte einher als kabelgebundene Systeme.

Denn bisher mussten die Hersteller die Batteriemodule und wichtige BMS-Komponenten, wie den Prozessor und einen schützenden Battery Junction Box IC, über Kabel verbinden. Aufgrund des begrenzten Platzes in den Batteriepacks sind solche Kabel-basierenden Netzwerke aber sehr komplex. Denn sie verwenden empfindliche Drähte und beruhen auf hochspezialisierten manuellen Fertigungsschritten. Das ist teuer, schwer zu automatisieren und anfällig für Produktionsfehler. Außerdem können die empfindlichen Drähte mit der Zeit verschleißen.

Drahtlose BMS-Technologien neu denken

Es liegt auf der Hand, dass drahtlose Technologien BMS-Lösungen resistenter machen, ihre Herstellung vereinfachen und die Energiedichte in Batteriepacks erhöhen. Auf dem Weg zum drahtlosen BMS sind jedoch einige Herausforderungen zu bewältigen.

Eine drahtlose BMS-Technologie muss auch in der schwierigen Umgebung von Batteriepacks funktionieren. Batteriepacks stellen eine besondere Herausforderung dar, weil sie von mehreren Metallgehäusen umgeben sind. Jede dieser Metalloberflächen kann Reflexionen erzeugen, wodurch eine Umgebung mit selektivem Hochfrequenz-Fading entsteht. Das bedeutet, dass die reflektierten Funksignale sich gegenseitig stören oder auslöschen können.

Hinzu kommen Störsignale aus der Fahrzeugumgebung und andere Umweltbedingungen. Eine BMS-Funktechnologie muss daher äußerst widerstandsfähig und robust sein. Hier kommt die UWB-Technologie ins Spiel.

UWB kodiert Datenbits in schmale Impulse, wodurch ein Signal mit einer sehr großen Bandbreite des Frequenzspektrums entsteht. Das bedeutet, dass kleine Störungen im Band durch Reflexionen keinen Einfluss auf die Gesamtqualität des Signals haben. Die Messungen werden dann auf die Trägerfrequenz hochkonvertiert, zum Beispiel auf 8 GHz für UWB-Kanal 9.

Die Robustheit der UWB-Signale ermöglicht singuläre Übertragungsanfragen und Übertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 7,8 Mbit/s. Damit unterscheidet sich UWB von schmalbandigen Alternativen wie Bluetooth Low Energy, das im 2,4 GHz ISM-Band arbeitet. Diese Signale sind besonders anfällig für Reflexionen und Interferenzen, was sie für den Einsatz in Batteriepack-Umgebungen ungeeignet macht.

UWB-Signale weiter optimieren

Neben dem Einsatz der UWB-Technologie selbst hat NXP seine drahtlosen BMS-Lösungen weiter verbessert. Die beiden NXP-Module BMA6060 und BMA6061 verwenden eine optimierte Datenpaket-Struktur, um die Leistung und die Timeslot-Planung zu optimieren. Dadurch hat jedes Modul einen festen Timeslot für den Empfang oder die Übertragung eines Signals. Das wiederum führt zu einer hohen Planbarkeit des Timings, sodass weder Frequenzsprünge nötig sind noch das Risiko von Datenkollisionen entsteht.

Bei den UWB-BMS-Lösungen von NXP weiß deshalb jede Empfangseinheit genau, wann ein Datenpaket eintreffen wird. Deshalb kann sie für eine höhere Effizienz bei Bedarf in den Energiesparmodus wechseln. Im Gegensatz zu Schmalbandsystemen bedeutet das auch, dass UWB-BMS keine aufwendige Kanalzuweisung oder Software-basierende Signalentstörung benötigt.

Die NXP-Lösung überzeugt nicht nur durch effiziente Datenübertragung und geringen Energieverbrauch, sondern verbessert zugleich auch den Schutz und die Integrität sensibler Daten. Dafür sorgt eine integrierte Hardware Security Engine (HSE), die Nachrichten mit dem Advanced Encryption Standard 128 verschlüsselt und so vor Abhören und Manipulation schützt.

Zukunft der Drahtlos-Kommunikation in Elektroautos

Batteriepacks sind und bleiben eine besonders schwierige Umgebung für die drahtlose Kommunikation. Weil jedoch höhere Energiedichten ein wichtiges Branchenziel darstellen und gleichzeitig die Batterien aus Platzgründen modular bleiben müssen, wird der Bedarf an neuen Drahtlos-Technologien weiter steigen.

Mit UWB-BMS-Lösungen können Hersteller von Elektrofahrzeugen komplexe und eher unzuverlässige kabelgebundene Lösungen vermeiden. Die UWB-Technologie ermöglicht effizientere Designprozesse und leistungsfähigere Batteriesysteme mit höherer Energiedichte. Für die Hersteller ist das ein bedeutender Schritt bei der Weiterentwicklung von Elektrofahrzeugen. Denn UWB-BMS-Lösungen senken die Produktionskosten und fördern Innovationen auf dem hart umkämpften Elektroautomarkt. (se)

Elektromobilität

MathWorks und NXP: Model-Based Design Toolbox für Batteriemanagementsysteme

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Drahtloses Batteriemanagement aus Südkorea

* Katia Giovanella ist Produktmarketingmanagerin BMS bei NXP.

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