Mit der neuen Lösung für das kabellose Batteriemanagement können E-Auto-Hersteller die Komplexität ihrer Designs und auch das Fahrzeuggewicht verringern.

Bild: Texas Instruments

Functional-Safety-Konzept Erste Wireless-BMS-Lösung mit ASIL-D-Zertifikat

08.01.2021

Mit einer Neuentwicklung für das Wireless-Batteriemanagement sollen Fahrzeugentwickler künftig auf teure und wartungsanfällige Kabel verzichten können. Das spart nicht nur Gewicht und steigert die Reichweite von E-Autos, sondern verhilft auch zu einem frühen Produktionsstart. Der TÜV Süd hat dem Konzept ASIL-D-Konformität bescheinigt.

Texas Instruments hat kürzlich eine Weiterentwicklung auf dem Gebiet der Batteriemanagement-Systeme (BMS) für Elektrofahrzeuge vorgestellt. Dabei soll es sich um die branchenweit leistungsfähigste Lösung für drahtlose BMS-Anwendungen handeln, die über ein erstes unabhängig bewertetes Functional-Safety-Konzept verfügt.

Die Lösung soll es Automobilherstellern ermöglichen, die Komplexität ihrer Designs zu verringern, die Zuverlässigkeit zu steigern und das Fahrzeuggewicht zu reduzieren, um die Reichweite von E-Fahrzeugen zu verlängern. Designs lassen sich dabei für verschiedene Fahrzeugmodelle skalieren, wodurch Hersteller schneller in die Produktion gehen können.

Bestandteile der Lösung

Das Wireless-BMS-System beinhaltet ein Evaluierungsmodul für den mit 2,4 GHz getakteten SimpleLink-Wireless-Mikrocontroller CC2662R-Q1, Software und Functional-Safety-Ressourcen wie ein Safety Manual, eine Fehlermöglichkeits- und -einflussanalyse (FMEA), eine Diagnose-Analyse (FMEDA), den Konzeptreport des TÜV Süd und mehr.

„Drahtlose Batteriemanagement-Systeme werden sich auf dem EV-Markt zunehmend durchsetzen, weil diese Fortschritte nicht nur mehr Designflexibilität ermöglichen, sondern gegenüber traditionellen Systemen auch für weniger Komplexität und niedrigere Kosten sorgen“, erklärt Asif Anwar, Direktor des Powertrain, Body, Chassis and Safety Service bei Strategy Analytics. „Mit der Demonstration einer Lösung, die diese Vorteile mit der ASIL-D-Konformität verbindet, setzt die Lösung von TI einen Maßstab, an dem sich die Industrie zu messen hat.“

Unabhängige Evaluierung durch den TÜV

Um die Entwicklungszeit von Automobilherstellern zu verkürzen, forderte TI beim TÜV Süd eine Evaluierung der quantitativen und qualitativen Fehlererkennungsperformance seines Functional-Safety-Konzepts an. Außerdem bewertet wurde die Erreichbarkeit des Automotive Safety Integrity Level D (ASIL D), des höchsten Zertifizierungsgrads der ISO-Norm 26262.

Mit einem neuen, eigens für Wireless-BMS-Anwendungen entwickelten Funkprotokoll zielt das Functional-Safety-Konzept von TI speziell auf die Detektierung von Kommunikationsfehlern sowie auf Security-Aspekte ab. Das mithilfe des CC2662R-Q1-Mikrocontrollers implementierte, proprietäre Protokoll ermöglicht dabei einen robusten und skalierbaren Datenaustausch zwischen einem hostseitigen Systemprozessor und dem ebenfalls neu angekündigten Batterie-Monitor und -Balancer BQ79616-Q1.

Auf dem Niveau von leitungsgebundener Technik

Mit der laut eigenen Angaben branchenweit höchsten Netzwerkverfügbarkeit von mehr als 99,999 Prozent und einer Netzwerk-Restartzeit von maximal 300 ms soll BMS-Funkprotokoll bereits auf dem Niveau leitungsgebundener Verbindungen liegen. Mit dem enthaltenen Wireless-Mikrocontroller schützen spezielle, hohen Durchsatz und geringe Latenz bietende Zeitschlitze die Daten vor Verlust oder Verfälschung. Mehrere Batteriezellen können dabei ihre Spannungs- und Temperaturdaten mit einer Genauigkeit von ±2 mV und einer Netzwerk-Paketfehlerrate von unter 10-7 an den Haupt-Mikrocontroller übermitteln.

Potenziellen Bedrohungen können Hersteller mit den Security-Ressourcen von TI begegnen. Dazu zählen der Austausch und die Auffrischung der Schlüssel, die eindeutige Bausteinkennung, Debug-Sicherheit, der Schutz der Software-IP durch einen JTAG-Lock, beschleunigte 128-Bit-AES-Kryptografie und Message Integrity Checks.

Skalierbare Systemdesigns über mehrere Plattformen

Mit Blick auf die langfristigen Designanforderungen der Automobilbranche wurde die Wireless-BMS-Lösung skalierbar aufgebaut. Das deterministische Protokoll bietet nach Angaben von TI den höchsten Durchsatz auf dem Markt und erlaubt Herstellern die Realisierung eines Batteriemoduls, in dem ein einziges Wireless-System-on-Chip mit mehreren Batteriemonitoren des Typs BQ79616-Q1 verbunden ist. So sind verschiedene Konfigurationen, wie etwa Systeme mit 32, 48 oder 60 Zellen, umsetzbar.

Das System ist wegen der geringen Latenz von unter 2 ms pro Knoten und der zeitsynchronisierten Messungen über sämtliche Knoten hinweg für bis zu 100 Knoten ausgelegt. Der Wireless-Mikrocontroller CC2662R-Q1 isoliert die einzelnen Zellüberwachungseinheiten voneinander, sodass auf Daisy-Chain-Isolationsbausteine mit den entsprechenden Kosten verzichtet werden kann.

Der Batterie-Monitor und -Balancer BQ79616-Q1 kommt dabei in ein und demselben Gehäusetyp mit unterschiedlichen Kanaloptionen. Das stellt Pin-Kompatibilität und die 100-prozentige Wiederverwendbarkeit der etablierten Hard- und Software auf allen Plattformen sicher.

Gehäuse, Verfügbarkeit und Preis

Als Starthilfe für ihre Designprojekte können Automobilhersteller das SimpleLink-Wireless-BMS-Software-Development-Kit kostenlos herunterladen. Das SimpleLink-Wireless-BMS-Evaluation-Module (CC2662RQ1-EVM-WBMS) ist für 999 US-Dollar bei TI erhältlich.

Der Wireless-Mikrocontroller CC2662R-Q1 kostet 2,79 US-Dollar (ab 1.000 Stück), der 16-kanalige BQ79616-Q1 im 10 mm x 10 mm großen HTQFP-Gehäuse mit 64 Pins kostet 6,90 US-Dollar (ab 1.000 Stück). Sämtliche Komponenten der Wireless-BMS-Lösung gibt es auf der Website von TI.

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