Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBFFuture Mobility, Systemzuverlässigkeit, Antriebsstrang, HV Batterie, FMEA
Hocheffizientes ultra-low-power Batteriemanagementsystem (BMS) für energiesensible Anwendungen
Häufig werden tretkraftunterstützte Fahrräder (Pedelecs oder E-Bikes) oder elektrische Leicht-Kraftfahrzeuge saisonabhängig für einen längeren Zeitraum nicht genutzt. In diesen Zeiträumen kann es zur ungewollten Tiefentladung der Energiespeicher und deshalb zu Schäden, teuren Reparaturen oder dem Austausch der Akkus kommen. Um diese Einschränkungen zu vermeiden und konsequent auch bei längeren Zeiträumen der Nicht-Benutzung die gewünschte Langlebigkeit des Energiespeichers zu gewährleisten, wurde im Fraunhofer LBF ein Batteriemanagementsystem (BMS) mit einer besonders energieeffizienten, dauerhaften und kontinuierlichen Speicherüberwachung entwickelt.
Tubular Energy System (TES) mit Ultra-low-prower Batteriemanagementsystem
Überwachungseinheit auf Basis LTC6803-3 Chip
Schutz von Pedelec-Akkus auch im Winter
Forschende im Fraunhofer LBF haben für einen Pedelec-Akku ein neues Batteriemanagementsystem entwickelt, das mit einer speziellen ultra-low-power Elektronik den Lade- und Alterungszustand der Module erfasst und beim Erreichen von Grenzwerten eine Anforderung zum Aufladen der Batterie direkt auf das Smartphone des Fahrers sendet.
BMS als Basis für Sicherheit und Langlebigkeit von Li-Ionen Akkus
Das Batteriemanagementsystem ist eine besonders wichtige, sicherheitsrelevante Komponente, das bei Lithium-Ionen-Akkus unbedingt notwendig ist. Es überwacht die Temperaturen und Spannungen auf jeder Zellebene. Weiterhin wird der Strom mit einem präzisen 16 Bit AD-Wandler gemessen. Diese Informationen werden in wenigen Millisekunden von einem Mikrocontroller erfasst, verarbeitet und anschließend ausgewertet. Mit diesen Daten werden Lade- und Alterungszustand des gesamten Energiespeichers ermittelt.
Eigenschaften und Entwicklung des Batteriemanagementsystems
Der Kern der im Fraunhofer LBF entwickelten, besonders energieeffizienten Überwachungselektronik ist ein 32-Bit Mikrocontroller ESP32 mit zwei Prozessorkernen und offener Bauweise für den Aufbau und die Vernetzung von netzwerkbasierten Aktuatoren und Sensoren. Dieser Mikrocontroller besitzt trotz seiner kompakten Bauweise eine Vielzahl von Kommunikationsschnittstellen, wie beispielsweise 2,4 GHz WLAN, Bluetooth Low Energy (BLE) und gängige serielle Schnittstellen (SPI, I²C, CAN). Über die Bluetooth Verbindung können Daten beispielsweise an ein Smartphone gesendet und damit dem Nutzer als Zustandsinformation zur Verfügung gestellt werden.
Ein wichtiges Kriterium für die Eignung in energiesensiblen Anwendungen ist die Energieeffizienz im Standby-Modus. Der ESP32-Mikrocontroller besitzt einen zusätzlichen ultra-low-power Prozessorkern, auf dem weniger rechenintensive Operationen durchgeführt werden können. Diese Architektur wurde von den Forschenden genutzt, um kontinuierliche Zustandsinformationen über den Pedelec-Akku zu erfassen und zu verarbeiten. Mit einem Stromverbrauch von gerade einmal 10 μA wird der Akku auch bei längerer Standzeit vor einer schnellen Entladung geschützt – gleichzeitig erfolgt aber eine permanente Überwachung der Zellen. Weiterhin unterstützt das System einen automatischen Stand-by-Modus, in den die Elektronik bei Nicht-Benutzung versetzt wird. Innerhalb von 150 Millisekunden kann das gesamte BMS aktiviert und für das Management des Speichersystems genutzt werden.
Systemkompetenz für Energiespeicher in der Mobilität
Mit der Programmierung des Mikrocontrollers sowie der gesamten Entwicklung der Elektronik und deren Integration in das Tubular-Energy-System (TES), einem 1 kWh großen Energiespeicher zum direkten Einbau in Rahmenrohre von Pedelecs, wurde das Ziel erreicht, eine kosten- und gewichtseffiziente Lösung für die kontinuierliche Überwachung von Lithium-Ionen-Akkus anbieten zu können. Damit lassen sich für Lebensdauer und Zuverlässigkeit relevante Daten und Informationen komplett unterbrechungsfrei ermitteln und bieten die besten Voraussetzungen für einen sicheren und dauerhaften Fahrspaß mit modernen E-Bikes.