BMS

Die Schlüsselkomponente von E-Fahrzeugen: Das Batterie-Management-System

14. Juni 2020 | Featured Article

Batterie-Management-Systeme (BMS) werden für das präzise Monitoring und Steuern der wichtigsten Komponente aller E-Fahrzeuge, der Lithium-Ionen-Batterie, benötigt. Seit 2006 entwickelt FEV Batterie-Management-Systeme kontinuierlich weiter und ist aufgrund der erfahrenen Mitarbeiter ein gefragter Partner bei der Hardware- und Software-Entwicklung für BMS. Das angebotene Portfolio von FEV reicht von der Entwicklung einzelner komplexer Softwarefunktionen, wie dem State-of-Health (SoH), über die Bereitstellung einer BMS-Entwicklungsumgebung für Forschungszwecke bis hin zur Turn-Key-Entwicklung einer kompletten, kundenspezifischen BMS-Lösung inklusive eines dazu erforderlichen, funktionalen Sicherheitskonzepts. Hierbei kann auf die serienreife FEV BMS-Software sowie die erprobte FEV BMS-Hardware zurückgegriffen werden. Das Besondere hieran ist, dass diese sowohl als Black-Box- als auch White-Box-Lösung zur Verfügung gestellt werden können.

Die Leistungsfähigkeit von Batterien wird neben der Auswahl passender Batteriezellen auch von der Qualität der Steuerung beeinflusst. Für das Batterie-Management-System, welches eines der Kernsysteme bei der Batterieentwicklung ist, hat FEV bereits 2006 mit der Entwicklung eigener BMS-Steuergeräte begonnen und besitzt nun ein modulares BMS-System in der vierten Generation, welches je nach Projektanforderungen flexibel und schnell eingesetzt und unterschiedlich kombiniert werden kann. Dies umfasst die Batterie-Management-Unit (BMU), verschiedene Cell-Monitoring-Units (CMU) für 12, 15 oder 18 Batteriezellen sowie die Isolation-Monitoring-Unit (IMU). Die BMU bildet dabei die zentrale Einheit, welche die CMUs, die dezentralen Messeinheiten, steuert.

Durch die Entwicklungs- und Absicherungstätigkeit in zahlreichen Projekten mit unterschiedlichsten Anforderungen und Batteriearchitekturen verfügen die Hardwarekomponenten über ein B-Sample Reifegrad und können neben dem Einsatz in Prototypen auch als White Box für die Serienentwicklung erworben werden. Während der Weiterentwicklung ist neben der technischen Reife genauso die Verfügbarkeit der verbauten Komponenten im Fokus, wodurch auch dem Thema des Obsoleszenz-Management Rechnung getragen wird.

Die fünfte Generation der Hardware befindet sich derzeit in einer fortgeschrittenen Entwicklungsphase. Diese eignet sich für den Einbau mit Batterie-Systemen mit 48 V bis zu 800 V. Batterien mit einem oder mehreren Strängen sowie schaltbare 400 V / 800 V Batterien können hiermit gesteuert und überwacht werden. Ein weiterer Vorteil der fünften Generation sind vier CAN Kommunikationskanäle sowie die Unterstützung von CAN-FD, Wake-Up über CAN und Partial Networking. Neben CAN hat die BMU zwei LIN-Kanäle sowie zahlreiche allgemeine Ein- und Ausgänge, um den unterschiedlichen Kundenanforderungen gerecht zu werden. Eine maßgeschneiderte Entwicklung nach Kundenanforderung für den Serieneinsatz ist ebenso Bestandteil des Portfolios.


Eine einzelne CMU von FEV überwacht die Temperatur und Spannung von maximal 18 Batteriezellen. Aufgrund der selbst entwickelten Hardware und dem einfachen, modularen Design kann diese kurzfristig für den Entwicklungsprozess verschiedenster Batteriekonfigurationen mit geringem Aufwand angepasst werden. Bei der Entwicklung wurde auch das Thema „Kostenoptimierung“ betrachtet. Hierbei wurde eine Einsparung von Bauteilen wie zum Beispiel Steckern aber auch die Reduktion des Test- und Fertigungsaufwands verfolgt.

Für die Entwicklungsphase hat FEV mit dem Campus Controller eine frei programmierbare Steuereinheit entwickelt, die verschiedene Funktionen des BMS oder anderer Steuergeräte übernehmen kann, u. a.:

  • Bussimulation
  • Manipulation von Sensorsignalen
  • CAN-Gateway
  • Lüfterdrehzahlregelung

In Kombination mit dem FEV Projekt „VISION“, einer Bluetooth-basierten Visualisierungslösung, ist das System ein leistungsfähiges Werkzeug für verschiedenste Entwicklungszwecke.

In diesem Projekt widmet sich FEV dem Thema Mensch-Maschine-Interface für Prototypenfahrzeuge. „VISION“ besteht zum einen aus der echtzeitfähigen CAMPUS-Hardware, die in diesem Zusammenhang CAN-Gatewayfunktionen übernimmt, und zum anderen aus einem Tablet mit entsprechender App. Die CAMPUS-Hardware übernimmt die Rolle des Cyber-Security-Gateways und verbindet das CAN-Netzwerk der Batterie oder des Fahrzeugs über eine Bluetooth-Schnittstelle mit dem Tablet. Hierbei wird sichergestellt, dass nur die relevanten Botschaften gelesen bzw. gesendet werden. Die Datenverbindung ist bidirektional realisiert, damit zum einen die relevanten Systeminformationen wie beispielspeise Ladezustand der Batterie, Leistungsbedarf sowie Drehzahlen des Motors auf dem Tablet angezeigt werden können und zum anderen auch Befehle von verschiedenen Eingabeinstrumenten (z. B. Knöpfen oder Slidern) an die Fahrzeugsteuergeräte gesendet werden können. Durch die kabellose Anbindung kann sich dieses zu Präsentationszwecken auch außerhalb des Fahrzeugs befinden oder an die Interessenten überreicht werden, um technische Daten während der Probefahrten sehen zu können.

Über die Internetverbindung der Tablet-Hardware ist es außerdem möglich, Informationen mit Servern im Internet auszutauschen und so beispielsweise die gemessenen Daten zu protokollieren.

FEV Vision: Eine Bluetooth-basierte Visualisierungliste

Die Anwendungssoftware: entscheidend für die Performance des Batteriespeichers


Die Software eines Batterie-Management-Systems ist von entscheidender Bedeutung für die Performance des Batteriespeichers über die gesamte Lebensdauer und hat einen direkten Einfluss auf zentrale Eigenschaften des Fahrzeugs – beispielsweise auf die Reichweite bei reinelektrischen Fahrmodi (PHEV, BEV). Darüber hinaus übernimmt das BMS häufig Funktionen wie die Ladezeitprognose oder die Berechnung der verfügbaren Leistung, die direkt vom Kunden wahrgenommen werden und daher das Fahrzeug-Erlebnis beeinflussen. Eine präzise Berechnung von Kenngrößen, wie z. B. State-of-Charge (SoC) und auch State-of-Health (SoH), ist die Basis für eine optimale Ausnutzung des Speichersystems, jedoch gleichzeitig sehr herausfordernd, da es sich um Werte handelt, die nicht direkt gemessen werden können. Weiterhin ist die Software wichtiger Bestandteil der Sicherheitsmechanismen, die die Sicherheit des Batteriesystems im Betrieb garantieren.

Die FEV BMS-Software wurde seit 2006 stetig weiterentwickelt und ist dank einer modularen Architektur mit schlanken, AUTOSAR-kompatiblen Interfaces flexibel und mit wenig Aufwand auf verschiedensten BMS-Systemen einsetzbar.

BMS Software Architektur

So kommt die Software bereits für unterschiedlichste Batteriesysteme zum Einsatz – von kleinen 12 V- und 48 V-Systemen bis hin zu Hochvolt-Batterien mit flexiblen Verschaltungsmöglichkeiten. FEV greift hier auf eine breite Erfahrung zurück, da in vielen Projekten die individuellen Anforderungen des jeweiligen Kunden erfüllt werden müssen. Diese ergeben sich beispielsweise aus Unterschieden im E/E-Layout bzw. der Architektur des Batteriespeichers oder auch der funktionalen Integration in das Fahrzeug. Grundsätzlich ist die Software in drei Bestandteile aufgeteilt, diese sind die Applikations-, Safety- und die Basissoftware.

Die FEV BMS-Applikationssoftware wird modellbasiert entwickelt und enthält Features wie beispielsweise Leistungs-/Stromfreigabe, Laderegelung, SOC/SOH Berechnung, Balancing, Schützsteuerung und Batteriediagnosen. Sie kommt sowohl auf der FEV BMS-Hardware zum Einsatz als auch auf Steuergeräten von Zulieferern der Kunden. Die Portierung der Applikationssoftware auf andere Plattformen wurde bereits in mehreren (Serien-)Projekten durchgeführt und das Interface dabei immer weiter optimiert, um den Anpassungsaufwand so gering wie möglich zu halten. Dies gilt auch für die Schnittstellen zum Fahrzeug. Alle relevanten Größen lassen sich parametrieren bzw. kalibrieren, dies ist ein weiterer entscheidender Faktor für die Flexibilität der Software. Dem Thema „Verifikation und Validierung“ der Software kommt dabei besonderes Augenmerk zuteil. Hierbei wird auf die Testmethoden und -tools des FEV Embedded Systems Test Center (FEST) sowie einem HIL-Testsystem für Batterie-Management-Systeme zurückgegriffen, welches bis zu 192 Einzelzellen emulieren kann.

Sicherheitszyklus von FEV nach ISO26262

Die FEV BMS-Basissoftware stellt eine Entwicklung für FEVs eigene BMS-Hardware dar. Sie realisiert die Anbindung an die Hardware-Komponenten der BMU und CMUs und stellt der Applikationssoftware neben den Messwerten und I/Os verschiedene Services bereit, beispielsweise das Speichern von Werten im „non-volatile memory“. Neben der Entwicklung der BMS-Software unterstützt FEV auch OEMs und Zulieferer bei der Entwicklung ihrer BMS Applikations- und/oder Basissoftware.

Gesamtlebenszyklus Funktionale Sicherheit (FuSi)


Die Entwicklung des funktionalen Sicherheitskonzepts kann entweder für ein spezifisches Fahrzeug oder auch fahrzeugunabhängig als alleinstehendes Produkt („components-off-the-shelf“) geschehen. Erfolgt die Entwicklung für ein bekanntes Fahrzeug, gliedert sich die Entwicklung des Batteriesystems direkt in den FuSi-Lebenszyklus des Gesamtfahrzeugs ein. Dies ist normalerweise bei FEV Entwicklungen der Fall. Erfolgt die Entwicklung hingegen fahrzeugunabhängig („safety element out of context“), wird ein Teil des FuSi-Gesamtlebenszyklus für die Batterie befolgt. Die Integration in den Gesamtfahrzeuglebenszyklus erfolgt dann zu einem späteren Zeitpunkt durch den Fahrzeughersteller. Die Annahmen müssen auf Gültigkeit überprüft werden und notwendige Änderungen über das Änderungsmanagement abgewickelt werden.

„DIE FEV BMS-APPLIKATIONSSOFTWARE WIRD MODELLBASIERT ENTWICKELT“

Betrachtete Aspekte
Die funktionale Sicherheit befasst sich mit Risiken, die durch mögliche Fehlfunktionen von E/E-Systemen durch systematische Software- oder zufällige Hardwarefehler ausgelöst werden. Um das Batteriesystem nach heutigem Standard ausreichend sicher zu entwickeln, folgt FEV den Entwicklungsprinzipien der Norm ISO26262. Bestimmte Gefährdungen, wie beispielsweise durch chemische Gefahren oder durch elektrischen Schlag, werden dabei nur dann als Teil der funktionalen Sicherheit betrachtet, wenn die Gefahr direkt durch die E/E-Funktion verursacht wird. Das bedeutet, übertragen auf das Batteriesystem, dass die Vermeidung von elektrischem Schlag in erster Linie durch die HV-Sicherheit abgedeckt wird. HV-Isolierungen und Berührungsschütze fallen daher nicht in den Bereich der funktionalen Sicherheit. Dennoch können auch E/E-Funktionen der HV-Sicherheit dienen und trotzdem in den Bereich der funktionalen Sicherheit fallen. Dies ist der Fall bei der Abschaltung des HV-Systems bei einem Unfall, da hier die aufgrund der HV-Sicherheit getroffenen Maßnahmen wie Isolierung beschädigt werden können und daher nicht mehr als ausreichend betrachtet werden.

Konzeptphase
In der sogenannten Konzeptphase werden Risiken bewertet, die durch Fehlfunktionen der implementierten Funktionen des Systems entstehen können. Das Resultat dieser Gefahrenanalyse und Risikobewertung (GuR) sind die Sicherheitsziele für das System. Der Umfang der notwendigen Risikoverminderung wird durch das ASIL bestimmt, das mit den Buchstaben A bis D klassifiziert wird.
Ein typisches Beispiel für ein Sicherheitsziel eines Batteriesystems ist „Das System soll ein thermisches Durchgehen der Batterie vermeiden“ (typischerweise bei FEV mit ASIL C bis ASIL D bewertet). Diese Sicherheitsziele sind Anforderungen, die auf der obersten Ebene liegen. Ausgehend von diesen Sicherheitszielen wird ein funktionales Sicherheitskonzept entwickelt, das durch funktionale Sicherheitsanforderungen beschrieben wird. Teil des Sicherheitskonzepts sind neben der Detektion auch die Notfallmaßnahmen, die eingeleitet werden. Die Erstellung des FSK wird häufig bereits mit Fehlerbaumanalysen unterstützt.

FEV Ansatz zur Risikobewertung

Produktentwicklungsphase
Im Anschluss an die Konzeptphase folgt die Systementwicklungsphase. In dieser Phase werden die funktionalen Anforderungen in technische Anforderungen überführt. Parallel zu diesem Schritt wird die technische Systemarchitektur entwickelt. In dieser Phase, sind in Abhängigkeit des ASIL, der Sicherheitsziele, Fehlerbaumanalysen und FMEA durch den Standard ISO26262 vorgeschrieben. Von hieraus wird dann in die Phasen HW- und SW-Entwicklung verzweigt und die Sicherheitsanforderungen werden in diese Entwicklungsphasen eingespeist.

FEV Test Bench BMS (T-BMS) für Batterie- und Modulprüfstände


Das Batterie-Management-System von FEV ist auch für andere Anwendungen, wie etwa dem Einsatz am Prüfstand, geeignet. Für diesen hat FEV ein universell einsatzbares Prüfstands-BMS (T-BMS) für Batteriemodule entwickelt, eine Erweiterung für die Untersuchung kompletter Batterien ist ebenso möglich.

Das System basiert auf einer FEV BMU und einer oder mehrerer FEV CMU(s) und dient der Erfassung von Zellparametern und deren Überwachung sowie der Berechnung von weiteren Kenngrößen wie z. B. State-of-Charge (SoC). Hierbei können kundenspezifische Funktionen zur Berechnung der notwendigen Parameter auf dem T-BMS implementiert werden. Sämtliche erfasste Parameter können an den Prüfstand übertragen werden, um diese aufzuzeichnen, auszuwerten und für den Testablauf zu nutzen. Das T-BMS ist selbstverständlich mit den FEV Batterieprüfständen sowie FEV MORPHEE nutzbar, womit eine Komplettlösung (siehe Seite 30) zum Testen von Batteriemodulen angeboten werden kann. Aufgrund des einfach anzupassenden CAN-Interface kann das T-BMS jedoch auch auf anderen Prüfständen genutzt werden.

Über eine graphische Benutzeroberfläche ist es möglich alle wesentlichen Parameter des System zu kalibrieren, wie zum Beispiel die Anzahl der verbundenen Zellen. Hierdurch ist eine einfache Anpassung auf verschiedene Testanforderungen realisierbar.

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