Fehlerhaftes Batteriemanagement-System führt zu 900 Millionen Dollar Rückrufaktion für EV-Batterien

Es ist aufschlussreich, dass ein fehlerhaftes Batteriemanagementsystem (BMS) zumindest teilweise die Ursache für den jüngsten Rückruf von 82.000 Elektrofahrzeugen (EVs) des Modells Kona durch Hyundai war, um Lithium-Ionen(Li-Ion)-Batteriepacks auszutauschen, die ein Brandrisiko darstellen (Abbildung 1). Mit Kosten von fast einer Milliarde Dollar handelt es sich um eine der größten Rückrufaktionen in der Geschichte der Automobilindustrie.

Abbildung 1: Hyundai Motor Co. tauscht die Batterien in etwa 82.000 Kona EVs und zwei weiteren weltweit verkauften EVs aufgrund möglicher Brandrisiken aus. (Bildquelle: Hyundai Motor Co.)

Wie erwähnt, ging es nicht nur um die Batterien. „Die Labortests des staatlichen Korea Automobile Testing & Research Institute (KATRI) haben gezeigt, dass weder der Separator der Batterie noch falsch ausgerichtete Batteriezellen den Brand in den Fahrzeugen verursacht haben. Die Ursache war vielmehr die inkorrekte Verwendung von Hyundais Batteriemanagementsystem im Schnellladesystem“, so ein Bericht des Korea Herald.

Der Bericht fügte hinzu: „Das [Ministerium für Land, Infrastruktur und Verkehr] stellte fest, dass einige fehlerhafte Batteriezellen, die in der LG-Fabrik in Nanjing von Juli 2017 bis 2019 hergestellt wurden, ein potenzielles Brandrisiko bergen“, und dass in einem früheren Rückruf „Hyundai das BMS aktualisiert hat, um die maximale Laderate auf 90 Prozent zu begrenzen“, aber der Rückruf wurde ausgelöst, als ein Fahrzeug, das das Software-Update erhalten hatte, Feuer fing.

Li-Ionen-Batterien werden, zusätzlich zu Elektrofahrzeugen, in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter mobile Roboter, Elektrofahrräder (E-Bikes), Drohnen, Elektrowerkzeuge, tragbare medizinische Geräte und vieles mehr. Der Rückruf von Hyundai zeigt, wie wichtig neben der Verwendung von hochwertigen Li-Ionen-Batterien auch ein effektives BMS-Design ist.

Glücklicherweise stehen den Entwicklern mehrere Möglichkeiten für die Entwicklung von BMS-Systemen zur Verfügung, darunter Evaluierungsboards und Referenzdesigns, um den Entwicklungsprozess zu beschleunigen. Werfen wir einen Blick auf verschiedene BMS-Lösungen, die für EVs und große mobile Roboter von Texas Instruments, für E-Bikes und kleinere mobile Roboter von Maxim Integrated und für Drohnen, Rover, Elektrowerkzeuge und tragbare medizinische Geräte von NXP Semiconductors erhältlich sind.

BMS für bis zu 560 Zellen

Der QEC-Q100-qualifizierte und ASIL-D-konforme BQ79616-Q1 von Texas Instruments ermöglicht einen autonomen Zellenausgleich und interne Temperaturüberwachung. Im Falle einer Übertemperaturbedingung unterstützt es das automatische Anhalten und Wiederaufnehmen des Abgleichs. Der BQ79616-Q1 bietet hochgenaue Zellspannungsmessungen in weniger als 200 Mikrosekunden (μs) für sechs bis sechzehn Zellen.

Um die Entwicklung von BMS-Anwendungen zu beschleunigen, bietet Texas Instruments das Evaluierungsboard BQ79616EVM-021 an (Abbildung 2). Bis zu 35 der BQ79616-Q1-Komponenten können angeschlossen werden, um Li-Ionen-Akkupacks für EVs mit bis zu 560 Zellen zu unterstützen.

Abbildung 2: Jeder BQ79616EVM kann bis zu 16 Li-Ionen-Zellen verwalten, und 35 BQ79616EVM-Module können verbunden werden. (Bildquelle: Texas Instruments)

E-Bikes und kleinere mobile Roboter

Für Entwickler von E-Bikes, kleineren mobilen Robotern und Elektrowerkzeugen bietet Maxim Integrated den DS2788E+ zur Überwachung von Strom, Spannung, Entladungsrate und Temperatur (Abbildung 3). Er schätzt auch die verfügbare Kapazität für Li-Ionen- und Li-Polymer-Batterien. Ein integrierter EEPROM speichert die Zelleneigenschaften und Anwendungsparameter. Die Kapazitätsabschätzung wird als Prozentsatz der Vollladung in Milliamperestunden (mAh) angegeben. Der DS2788E+ enthält LED-Anzeigetreiber, um die Anzeige des Ladezustands zu vereinfachen. Als Starthilfe für Designs bietet Maxim das DS2788-Evaluierungsboard DS2788EVKIT+ für Ladezustandserfassung und Energiemanagement an.

Abbildung 3: Der DS2788 enthält LED-Anzeigetreiber, um die Anzeige des Ladezustands von Li-Akkupacks zu vereinfachen. (Bildquelle: Maxim Integrated)

BMS für 3 bis 6 Zellen

Für Entwickler von Drohnen, Rovern, Scootern, Elektrowerkzeugen und tragbaren medizinischen Geräten, die 3 bis 6 Zellen verwenden, bietet NXP das BMS-Referenzdesign RDDRONE-BMS772 (Abbildung 4) an, das auf dem MC33772B basiert, einem 6-Kanal-Li-Ionen-Batteriezellen-Controller. Der Controller führt eine Analog/Digital-Wandlung der differenziellen Zellspannungen und -ströme durch, um die Coulomb-Zählung der Batterieladung und die Messung der Batterietemperatur zu ermöglichen. Beim Einsatz in Drohnen kann das Referenzdesign über UAVCAN und/oder einen SMBus mit einer FMU (Flight Management Unit) kommunizieren.

Abbildung 4: Das Referenzdesign RDDRONE-BMS772 kann über UAVCAN und/oder einen SMBus mit einer FMU kommunizieren. (Bildquelle: NXP)

Das Referenzdesign RDDRONE-BMS772 zeichnet sich durch folgende Eigenschaften aus:

• Unterstützung für 3- bis 6-Zellen-Batteriestapel mit Spannungen von 6,0 bis 26 Volt
• Genauigkeit von ±5,0 Millivolt (mV) bei der Messung von Stapel- und Zellspannungen
• Aktiver Zellenausgleich während des Ladens des Stapels
• Unterstützt Batterie-Authentifizierung
• Unterstützung für CAN-, I2C- und NFC-Kommunikation
• Enthält einen Tiefschlafmodus mit geringem Leckstrom (für Lagerung und Transport)

Fazit

Wenn Batterien in massiven EV-Rückrufaktionen erwähnt werden, gehen viele schnell davon aus, dass es aufgrund der Chemikalien und Strukturen, die bei ihrer Herstellung beteiligt sind, die Batterie gewesen sein muss. Aber wie dieser spezielle Fall zeigt, ist das zu simpel. Die Bedeutung der synergetischen Beziehung zwischen der Batterie und dem BMS kann nicht hoch genug eingeschätzt werden. Zusätzlich zu qualitativ hochwertigen Li-Ionen-Batterien müssen Entwickler bei der Wahl ihres BMS-Designs sehr sorgfältig vorgehen und die verfügbaren Evaluierungsboards und Referenzdesigns nutzen, um diese Entscheidungen zu testen und zu verifizieren.