KI-Batteriemanagementsysteme der nächsten Generation mit Infineon und Eatron Technologies erforschen

Einführung

Moderne Elektrofahrzeuge (EV) werden mit viel Liebe zum Detail entwickelt und enthalten sowohl 400-V- als auch 800-V-Systeme, um unterschiedlichen Leistungs- und Effizienzanforderungen gerecht zu werden. Das Herzstück dieser Systeme ist das Batteriepaket, eine komplexe Anordnung elektrochemischer Zellen, die elektrische Energie speichern und wieder abgeben und so die Energiequelle für den Antrieb und die Reichweite des Fahrzeugs bilden.

Grundlagen der Batterie

Auf der grundlegendsten Ebene zeigt die Zerlegung des Batteriepacks in seine Batteriezellen, wie diese grundlegenden elektrochemischen Einheiten elektrische Energie speichern und abgeben. Mehrere in Reihe geschaltete Batteriezellen, die zu einer einzigen Einheit zusammengefügt sind, bilden ein Modul, das als Zwischenstufe der Energiespeicherung dient. Mehrere in Reihe geschaltete Module schließlich bilden einen kompletten Batteriesatz. Die gewählte Konfiguration des Pakets entspricht den spezifischen Energie- (kWh) und Leistungsanforderungen (kW) des Fahrzeugs. Während die Gesamtkapazität des Packs (in Amperestunden, Ah) von der Anzahl der parallel geschalteten Zellen abhängt, wird die Gesamtspannung des Packs durch die in Reihe geschalteten Module bestimmt. Abbildung 1 veranschaulicht dieses Konzept.

Abbildung 1 - Überblick über die Zellverbindungen in einem modernen Elektrofahrzeug, von der Zelle über das Modul bis zum Batteriepack.

Einzelne Zellen können sich in Chemie, Kapazität und Spannung unterscheiden. Durch die Parallelschaltung dieser Zellen, wie in Abbildung 1 dargestellt, erhöht sich die kombinierte Kapazität (Ah), was eine höhere Energiereserve bei gleichbleibender Spannung ermöglicht. Diese Konfiguration ist vorteilhaft für die Erweiterung der Betriebsreichweite des E-Fahrzeugs, da die insgesamt verfügbaren Amperestunden erhöht werden.

Eatron Technologies hat den Ansatz des "Lumped Supercell"-Modells (Abbildung 2) gewählt, um Batteriekonfigurationen effizient zu verwalten. Dieser Ansatz vereinfacht die komplexe Struktur, indem er eine Gruppe von parallel geschalteten Zellen als eine einzige Einheit - eine Superzelle - behandelt. Die Verwendung des Superzellenmodells durch Eatron bietet detaillierte Einblicke in den Zustand jeder Superzelle und ermöglicht KI-Funktionen.

Abbildung 2 - Das Konzept der pauschalen Superzelle.

Grundlagen des Batteriemanagementsystems

Ein fortschrittliches Batteriemanagementsystem (BMS) überwacht den Zustand, die Temperatur und die Gesundheit eines Batteriesatzes, um Leistung und Langlebigkeit zu optimieren. Das BMS stellt sicher, dass jede Zelle innerhalb des Packs innerhalb ihres sicheren und effizienten Betriebsfensters arbeitet und gleicht die Zellen während der Lade- und Entladezyklen aus, um den Gesamtzustand des Packs zu erhalten. Abbildung 3 zeigt einen vereinfachten Überblick über ein auf Infineon-Hardware basierendes Batteriemanagementsystem.

Abbildung 3 - Vereinfachtes Blockdiagramm der BMS-Lösung.

Für diesen Proof-of-Concept wurde der ECU8-basierte Demonstrator von Neutron Control als Hardware-Referenzplattform für die Entwicklung verwendet. Einige der Komponenten werden im Folgenden beschrieben.

Der AURIX™ TC4x Mikrocontroller (MCU) mit integrierter Parallel Processing Unit (PPU) und gängigen Automotive-Schnittstellen (z.B. CAN, LIN, Ethernet, etc.) verfügt über die optimale Rechenleistung, Peripherie und Sicherheitsunterstützung für fortschrittliche BMS-Lösungen. Der integrierte Hardware-Beschleuniger der AURIX™ TC4x Parallel Processing Unit (PPU) ermöglicht die Edge-basierte Echtzeitausführung typischer elektrochemischer PP-p2D-Batteriemodelle und neuronaler Netze mit einem Beschleunigungsfaktor von bis zu ~20x im Vergleich zu skalaren TriCore™-Implementierungen. Der Chip löst die Skalierbarkeits- und Rechenherausforderungen herkömmlicher MCUs und ermöglicht eine effiziente parallele Verarbeitung und Ausführung komplexer KI-Algorithmen on-the-fly. Mit ASIL-D-Konformität nach ISO 26262 und zertifizierten Sicherheitsfunktionen nach ISO 21434 ist die MCU eine erstklassige Lösung für aktuelle und zukünftige BMS-Implementierungen.

Der TLE9012DQU ist ein mehrkanaliger (bis zu 12 Zellen in Serie) Batterieüberwachungs- und -ausgleichs-IC, der vier Hauptfunktionen erfüllt: Zellspannungsmessung, Temperaturmessung, Zellausgleich und isolierte Kommunikation mit dem Hauptbatteriecontroller. Der Baustein bietet klassenbeste Anwendungszuverlässigkeit und Robustheit unter verrauschten Bedingungen, hohe Genauigkeit (±0,2 mV bei 25°C einschließlich Lötdrift) sowie ISO 26262 Safety Element out of Context (SEooC) Fähigkeit bis zum ASIL-D Level - alles ideale Eigenschaften für die BMS-Umgebung. Ausgestattet mit einem unabhängigen 16-Bit-Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandler (ADC), ermöglicht der TLE9012DQU die synchrone Messung jeder Zelle, um deren Leistung zu maximieren und einen sicheren Batteriebetrieb zu gewährleisten. Ein weiterer einzigartiger Aspekt des ICs ist die integrierte Stromquelle, die den direkten Anschluss von Sensoren mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC) unterstützt. Der TLE9012DQU ist nur ein Baustein einer Familie von mehrkanaligen Batterieüberwachungs-ICs, die eine Skalierbarkeit für Funktionserweiterungen ermöglichen (z.B.
TLE9016DQK oder TLE9018DQK, 16- bzw. 18-kanalig).

Der TLE9015DQU ist ein isolierter (iso) UART-Kommunikations-IC, der zusammen mit dem TLE9012DQU entwickelt wurde, um entweder mit kapazitiver oder induktiver Isolierung zu arbeiten und die Daisy-Chain-Architektur zu ermöglichen. Der Baustein bietet zwei UART-Ports für die serielle Kommunikation mit dem Host-Mikrocontroller und zwei iso-UART-Ports für die Daisy-Chain-Kommunikation innerhalb des Batteriepacks. Es unterstützt Kommunikationsgeschwindigkeiten von bis zu 2 Mbit/s und der Ringmodus/die Topologie erfordert nur ein Gerät in der Daisy-Chain. Die stabile kapazitiv-isolierte Kommunikation wurde in verschiedenen Tests bestätigt, um die niedrigsten Kosten für die isolierte Kommunikation zu erzielen und gleichzeitig die funktionale Redundanz über die Ringtopologie zu bieten.

Der PSoC™ 4 High Voltage (HV) Precision Analog (PA) Baustein mit hochpräzisen Sigma-Delta-ADCs (16-20 Bit) ermöglicht eine präzise und genaue Batterieüberwachung (z. B. Strommessung über Shunt) für fortschrittliche Anwendungen wie KI-basierte BMS-Lösungen. Die programmierbare System-on-Chip-MCU (PSoC™) unterstützt die Synchronisation mit anderen BMS-Geräten, indem sie in derselben Daisy Chain wie die Batterieüberwachungs- und Zellausgleichs-ICs TLE9012DQU kommuniziert. Außerdem ermöglicht die Programmierbarkeit des PSoC™ 4 HV PA die Integration zusätzlicher Funktionen in einen einzigen IC, einschließlich Pack-Monitoring, Kontakt-Monitoring, Isolationswiderstand und Ansteuerung von Pyro-Sicherungen.

Die AI-ISL-Softwarelösung von Eatron arbeitet synergetisch mit der kompletten BMS-Hardware von Infineon zusammen und ermöglicht so fortschrittlichen Batterieschutz und prädiktive AI-Funktionen in Echtzeit. Abbildung 4 zeigt ein Beispiel für eine Hochspannungs-BMS-Softwarearchitektur, die die verschiedenen Komponenten eines BMS-Stacks in einer AUTOSAR-Umgebung hervorhebt. Innerhalb der Anwendungssoftwareschicht ist die ISL-Software (grün hervorgehoben) mit traditionellen BMS-Funktionen, Basissoftware für die Hardwareabstraktion (BSW) und Laufzeitumgebung (RTE) integriert.

Abbildung 4 - Überblick über die moderne BMS-Software.