Beim Einsatz von drahtlosen Batteriemanagementsystemen hat sich gezeigt, dass OEMs bis zu 90 Prozent der Verkabelung und bis zu 15 Prozent des Volumens von Batteriepacks für Elektrofahrzeuge der nächsten Generation einsparen können.

Bild: iStock, filo

Unentdecktes Potenzial So funktioniert drahtloses Batteriemanagement in E-Autos

03.06.2022

Eine systemübergreifende Kostenanalyse - von der Entwicklung und Herstellung bis hin zur Wiederverwendung von Batterien und Schutzmaßnahmen – offenbart OEMs eine Möglichkeit Kosten zu senken, indem sie Elektrofahrzeuge der nächsten Generation mit drahtlosen Batteriemanagementsystemen (wBMS) ausstatten.

Die Entscheidung der Elektrofahrzeugindustrie für den Einsatz von drahtlosen Batteriemanagementsystemen als Alternative zu kabelgebundenen Lösungen, war in vielerlei Hinsicht absehbar und unumgänglich. Begründen lässt sich dieser Entschluss durch die Tatsache, dass drahtlose Batteriemanagementsysteme gegenüber kabelgebundenen Lösungen Vorteile hinsichtlich Komplexität, Bauteilekosten, Platzbedarf und Arbeitsaufwand bieten.

Beim Einsatz von drahtlosen Batteriemanagementsystemen hat sich gezeigt, dass OEMs bis zu 90 Prozent der Verkabelung und bis zu 15 Prozent des Volumens von Batteriepacks für Elektrofahrzeuge der nächsten Generation einsparen können. Erreicht werden diese Einsparungen durch den Wegfall des Kommunikationskabelbaums und der zugehörigen Steckverbinder. Stattdessen kommt ein intelligentes Batteriemodul mit vollständig integrierter Elektronik zum Einsatz. Die einzigen freiliegenden Anschlüsse sind die Plus- und Minuspole des Batteriemoduls.

Um von den Vorteilen der wBMS-Technologie profitieren zu können, sind umfangreiche Investitionen in die erforderliche Infrastruktur für Entwicklung, Validierung und Fertigung notwendig. Ferner verlangen die typischen Anforderungen von drahtlosen Systemen hinsichtlich Funktions- und Betriebssicherheit eine grundlegende Neubewertung jeder Phase des Batterielebenszyklus – von der Herstellung bis zur Wiederverwendung.

Vorteile ausloten

Auf den ersten Blick erachten OEMs die Voraussetzungen und Anforderungen beim Einsatz von drahtlosen Batteriemanagementsystemen als schier unüberwindbar. Analog Devices und GM haben von Anfang an in die wBMS-Technologie investiert. Maßgeblich dafür war die Erwartung wesentlicher Kosteneinsparungen sowie der Skalierbarkeit und verbesserten Effizienz der Fertigung, die mit der allgemeinen – vielleicht sogar flächendeckenden – kommerziellen Einführung in den kommenden Jahren erreicht werden sollen.

Es muss jedoch klar gesagt werden, dass OEMs, die die wBMS-Technologie als schnelle Möglichkeit zur Kosteneinsparung betrachten, ihre Erwartungen von Anfang an zurückschrauben sollten. Um die Kostenvorteile von drahtlosen Batteriemanagementsystemen voll ausschöpfen zu können, müssen OEMs Batteriepacks als Vermögenswerte betrachten, die über deren Lebensdauer effektiv verwaltet werden müssen – während der ersten Lebensdauer an Bord des Fahrzeugs und als Second-Life-Batterien. So lässt sich die größtmögliche Investitionsrendite erzielen, und die Kosteneinsparungen durch die wBMS-Technologie werden deutlich und vollständig sichtbar.

Analog Devices hat durch intensive Forschungs- und Entwicklungsarbeit und Investitionen in eine vollständige, skalierbare wBMS-Lösung auf die Anforderungen von OEMs reagiert, um sie vom Konzept bis zur Markteinführung zu unterstützen. Das Unternehmen hat dabei zusätzliche Möglichkeiten für Entwicklungs- und Kosteneffizienzsteigerungen ausgemacht, welche OEMs den Weg in eine Zukunft mit wBMS ebnen können. Aufgrund erster Rückmeldungen von OEMs ist zu erwarten, dass die wBMS-Technologie langfristig wesentlich kosteneffizienter ist als kabelgebundene Lösungen und aufgrund zahlreicher Vorteile branchenweit in Elektrofahrzeuge Einzug hält.

Hohe Effizienz in der Fertigung

Die Entscheidung für die wBMS-Technologie bedeutet, die Konzeptionierung der EV-Fabrik neu zu überdenken. Wenn man alle Aspekte berücksichtigt, sind die Vorteile beim kompletten Umstieg auf wBMS von der Produktion bis zum Produkt kaum zu übersehen.

Fachleute haben festgestellt, dass sich eine teilweise robotergestützte Fertigung und eine komplett mit Robotern aufgebaute Produktion deutlich voneinander unterscheiden. So müssen beispielsweise, sobald Menschen in einer mit Hochgeschwindigkeitsrobotik ausgestatteten Fabrikumgebung arbeiten, zu deren Schutz wichtige Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden. Dies verringert naturgemäß die Produktionseffizienz, die ansonsten nur mit einer vollständigen Ende-zu-Ende-Automatisierung des Systems erreichbar wäre.

Der Einsatz von drahtloser Kommunikation in der gesamten Fabrikhalle bei der Produktion von wBMS-Lösungen öffnet die Tür zu einer berührungslosen, vollständig robotergestützten Fertigung von Batteriepacks für Elektrofahrzeuge. Dank der Vorteile von wBMS auf Fahrzeugebene können OEMs die Investitionsausgaben (CAPEX) sowie die Betriebskosten (OPEX) weiter senken, indem sie wertvolle Ressourcen für die manuelle Verkabelung von Batteriepacks mit Kabelbäumen und/oder das Testen von Modulen und Anschlüssen (mit den damit verbundenen laufenden Sicherheitsschulungen) einsparen.

Über Grenzen hinaus

Dieser Aspekt von wBMS bietet sowohl Startups als auch etablierten OEMs die Möglichkeit, die herkömmliche Produktion durch eine vollständig kabellose und komplett robotergestützte Fertigung zu ersetzen. Dies wiederum versetzt OEMs und Startups in die Lage, ihre begrenzten Budgets effizienter und flexibler zu nutzen, so dass sie flexibel und wettbewerbsfähig gegenüber anderen Anbietern bleiben.

Durch Umgehung der zeit- und kostenintensiven Handhabung von Batteriepack-Kabelbäumen durch Roboter können OEMs jeder Größe alle Vorteile einer schnellen und effizienten Roboterproduktion voll ausschöpfen. Analog Devices hat die wBMS-Technologie so entwickelt, dass sie die Automatisierung auf jeder Produktionsstufe unterstützen kann, was OEMs den Übergang zu einer wBMS-fähigen Fabrik erleichtert.

Skalierbarkeit und Flexibilität

Auf der Basis der wBMS-Technologie können die OEMs und die Batteriehersteller Batteriepacks in beliebig vielen Varianten entwickeln und produzieren, ohne sich jemals mit dem Thema Kabelbaumdesign auseinanderzusetzen. Dazu können sie eine gemeinsame wBMS-Plattform nutzen, die per dedizierter Software für einzelne Fahrzeugmodelle konfigurierbar ist, und das bei sehr geringeren Entwicklungskosten.

Dies bleibt der Kern des wBMS-Leistungsversprechens: OEMs können ihre Elektrofahrzeugflotten in zahlreichen Fahrzeugklassen flexibler in die Serienproduktion überführen und so die Kundennachfrage besser erfüllen. Durch die Einbindung von wBMS in seine bahnbrechende Ultium-Batterieplattform kann GM diese auf alle möglichen Marken und Fahrzeugsegmente, von Arbeitsfahrzeugen bis hin zu Hochleistungsfahrzeugen, ausweiten. Ganz allgemein betrachtet GM die wBMS-Technologie als Grundlage, die die Elektrifizierung seiner Flotte ermöglicht hat.

Es kann jedoch noch viel mehr getan werden, um die CO2-Bilanz eines Batteriepacks während seiner Nutzungsdauer zu verringern und gleichzeitig das damit verbundene Umsatzpotential zu erhöhen. Erreichbar ist dies durch eine Strategie zum Reduzieren, Reparieren und Wiederverwenden. Dabei kann die wBMS-Technologie dazu beitragen, die Anzahl kostspieliger Fahrzeugrückrufaktionen zu verringern, Reparaturen effizienter zu machen und die Wiederverwendung von Batterien als bevorzugte Alternative zu Verschrottung und Recycling zu fördern.

Mehr Praxisnutzen

Mit wBMS ist es wesentlich einfacher, einen Lagerbestand an Ersatzmodulen vorzuhalten, die sich während der Fahrzeugwartung viel einfacher austauschen lassen. Außerdem entstehen keine Zeitverluste oder Risiken, die mit dem Verfolgen und Auffinden von Inventar oder dem Versuch, den Batteriekabelbaum im Servicefall zu entfernen (ohne ihn zu zerstören), verbunden sind. Module werden auf ihrem Weg durch die Lieferkette und vom Lagerregal bis zum Fahrzeug auf einfache Weise erfasst und bieten eine Installationsfreundlichkeit, die mit herkömmlichen kabelgebundenen Batteriemanagementsystemen nicht erreichbar wäre. So müssen Entwickler von Batteriepacks nicht mehr länger kostbare Zeit und Platz aufwenden, um die Montage und den Austausch des Kabelbaums zu ermöglichen. Dies verkürzt die Entwicklungszeit und ermöglicht Batteriepacks mit höherer Energiedichte.

Drahtlose Batteriemanagementsysteme enthalten zum Beispiel Funktionen, mit denen Batterien ihre eigenen Leistungsdaten messen und an das System melden können. So lassen sich Fehler frühzeitig erkennen und kostspielige Fahrzeugrückrufe vermeiden. Gleichzeitig wird eine optimierte Montage der Batteriepacks ermöglicht. Relevante Daten können während der gesamten Batterielebensdauer fernüberwacht werden - von der Montage über Lager und Transport bis hin zu Installation und Wartung.

Nutzungsdauer und Wiederverwrtbarkeit

Für OEMs, die die Nutzungsdauer - und das Umsatzpotential - ihrer Batteriepacks maximieren möchten, macht die wBMS-Technologie die Wiederverwendung als Second-Life-Batterien wesentlich effizienter. Ohne Kabelbaum lassen sich Batteriepacks viel einfacher reparieren und wiederverwenden, um eine möglichst lange Lebensdauer und eine insgesamt umweltfreundlichere CO2-Bilanz zu ermöglichen. OEMs können ihre gebrauchten Batterien problemlos für Anwendungen wie Solar- oder Windenergiespeicher weiterverkaufen, sobald diese einen bestimmten Abnutzungszustand erreicht haben.

Analog Devices schätzt, dass OEMs, welche die Strategie „Reduzieren, Reparieren und Wiederverwenden“ verfolgen, pro Batteriepack sieben Tonnen Kohlenstoffemissionen vermeiden können, wenn dieses repariert und nicht wieder aufbereitet wird. Was die Kosteneinsparungen betrifft, veranschlagen OEMs normalerweise etwa 1.000 US-Dollar für das Recycling des Batteriepacks eines jeden Elektrofahrzeugs. Dieser Betrag kann den Gewinn übersteigen, den ein OEM beim ursprünglichen Verkauf des Fahrzeugs erzielt hat. Daher ist es für OEMs wirtschaftlich sinnvoll, Wege zu suchen, ihre gebrauchten Elektrofahrzeugbatterien möglichst schnell weiterzuverkaufen, um den größten Wert aus ihnen herauszuholen.

Komponentensicherheit und Entwicklungserfolg

Durch die kontinuierliche Weiterentwicklung erreichen Batteriepacks für Elektrofahrzeuge eine ständig längere Lebensdauer. Daher wird es immer notwendiger, strenge Sicherheitsprotokolle zu führen, die jedes wBMS-Modul auf dem Weg von der Herstellung über die Wartung bis hin zur Außerbetriebnahme begleiten. OEMs müssen die Integrität von Batteriemodulen jederzeit aufrechterhalten. Andernfalls riskieren sie, dass das betreffende Batteriemodul nicht Second-Life-Anwendungen zugeführt werden kann, falls sein Sicherheitsstatus nicht unabhängig überprüfbar ist.

Dies hat auch wichtige Auswirkungen auf die Wartungsfreundlichkeit von Fahrzeugen. wBMS-Module lassen sich so konzipieren, dass sie sich im Wesentlichen selbst authentifizieren. Bei Batteriepacks sind Funktionen implementierbar, die „schlechte“ Module automatisch zurückweisen. So lässt sich auch leichter sicherstellen, dass nur Original-Module in das Batteriepack eingebaut werden.

Die Perspektive, eine völlig neue Sicherheitsarchitektur für eine neue Kommunikationsplattform zu entwickeln, die sich über die gesamte Lebensdauer der Batterie oder des Moduls erstreckt, kann von OEMs, die die Vorteile der wBMS-Technologie voll ausschöpfen möchten, als große Hürde empfunden werden. Die umfangreichen und nachhaltigen Investitionen von Unternehmen in die wBMS-Technologie sowie Funktionen zur sicheren Modulverfolgung ersparen Erstausrüstern den erheblichen Zeit- und Kostenaufwand für die Implementierung sicherer Standorte in ihre Lieferketten.

Analog Devices kann Erstausrüstern helfen, die strengen Sicherheitsanforderungen von Anfang an mit minimalem Investitionsaufwand zu erfüllen, weil bedeutender Entwicklungsaufwand bereits im Vorfeld für sie erledigt wird. Dies unterstreicht die Notwendigkeit einer umfassenden Entwicklungsstrategie, die es OEMs ermöglicht, den vollen Wert der Investitionen in die wBMS-Technologie zu maximieren.

Simulation als Teil der Entwicklung

Die fortschrittliche Simulationstechnologie für Batteriepacks von Analog Devices kann dazu beitragen, dass OEMs bei der Entwicklung auf Anhieb Erfolg haben, indem sie die Leistungsdaten ihres wBMS-Systems durch eine gründliche Bewertung des simulierten „digitalen Zwillings“ des Packs vorhersagt. Und das lange vor der Erstellung der CAD-Zeichnung.

Dies wird dazu beitragen, einen Entwicklungsspielraum für OEM-Batteriepacks zu schaffen, die für die wBMS-Technologie entwickelt wurden, und gleichzeitig die Interoperabilität von wBMS mit dem umgebenden Ökosystem zu bestätigen. Als entscheidender Punkt darf nicht übersehen werden, dass ein drahtloses Batteriemanagementsystem in der Tat robust konzipiert sein muss, um aus Sicht der Entwicklung wirklich kostengünstig zu sein.

Eine gut durchdachte, flexible wBMS-Entwicklung kann Kostenüberschreitungen und Rückschläge verhindern, die mit der Anpassung einzelner Batteriepacks für bestimmte Fahrzeugmodelle verbunden sind, und ermöglicht so eine größere Gesamtskalierbarkeit für Batteriepack-Plattformen von OEMs.

Zukunftsaussichten für wBMS

Aufgrund der vereinfachten Herstellung und der geringeren Investitions- und Betriebskosten gegenüber bisherigen kabelgebundenen Batteriemanagementsystemen, lassen sich gemäß Rückmeldungen von OEMs zur wBMS-Technologie Kosteneinsparungen von bis zu 250 US-Dollar pro Passagier-Elektrofahrzeug erzielen. Berücksichtigt man die damit verbundene Effizienz bei der Fahrzeug- und Batteriewartung sowie bei der Bestandsüberwachung und beachtet die zusätzliche Möglichkeit, den Gesamtgewinn durch die Rückgewinnung und Wiederverwendung von Batteriepacks in Second-Life-Anwendungen zu steigern, ist eine profitable und nachhaltige Zukunft für die wBMS-Technologie in Elektrofahrzeugen der nächsten Generation leicht vorstellbar.

GM ist der erste von vielen OEMs, der die wBMS-Technologie einsetzt. Bemerkenswert dabei ist, dass das Unternehmen die Vorteile von wBMS in einem großen SUV debütieren lässt – eine Fahrzeugklasse, die für ihren übergroßen ökologischen Fußabdruck bekannt ist. Wenn es gelingt, das Fahrzeugmodell GMC Hummer in ein Beispiel für vollelektrisches Fahren zu verwandeln, werden sich die verbleibenden Zweifel an der Einführung von Elektrofahrzeugen weiter verringern. Die wBMS-Technologie wird bei dieser Transformation eine entscheidende Rolle spielen.

Bildergalerie

  • Analog Devices offeriert ein drahtloses Batteriemanagementsystem für Elektrofahrzeuge.

    Bild: ADI

  • Die Architektur eines wBMS-Produktionssystems. Die Hardware für das Monitoring der Zellpakete und die Software für das Produktionsnetzwerk sowie die Funktions- und Betriebssicherheit stammen von Analog Devices.

    Bild: ADI

  • Batteriepacks lassen sich einfacher reparieren, wiederverwenden und wiederaufbereiten.

    Bild: ADI

  • Die berührungslose, vollautomatische Fertigung ist ein stark wachsender Trend in der EV-Branche.

    Bild: ADI

  • Shane O'Mahony ist der Produktmarketingleiter für wBMS bei Analog Devices. In seiner Zeit bei ADI hat er zwölf Jahre lang als Chip-Leiter an hochleistungsfähigen HF-Funksystemen gearbeitet, bevor er Leiter des Produktmarketings für wBMS wurde. In dieser Funktion hat O’Mahony mit OEMs und Tier 1s zusammengearbeitet, um die Vorteile des drahtlosen Batteriemanagements auf Systemebene und hinsichtlich Nachhaltigkeit zu nutzen.

    Bild: ADI

Firmen zu diesem Artikel
Verwandte Artikel