Ein neues Batteriemanagementsystem könnte die Reichweite von Elektrofahrzeugen um 20 Prozent steigern

Jonathan M. Gitlin – 4. Januar 2023, 15:30 Uhr UTC

Eine der aufregendsten Entwicklungen bei Elektrofahrzeugen in den letzten Jahren war die Entwicklung von Lithium-Eisenphosphat-Zellen als Alternative zu traditionelleren Lithium-Ionen-Zellen, die Mineralien wie Nickel, Mangan und Kobalt verwenden. Jetzt könnte ein neues Batteriemanagementsystem (BMS) viel genauere Reichweitenvorhersagen für Elektrofahrzeuge mit diesen Batterien ermöglichen.

LiFePO4- oder LFP-Batterien waren bis letztes Jahr größtenteils den chinesischen Herstellern von Elektrofahrzeugen vorbehalten, dank einer Reihe exklusiver Patentlizenzen, die mit den US-amerikanischen und kanadischen Forschern unterzeichnet wurden, die die Technologie zuerst entwickelt hatten. Diese Patente laufen jedoch aus und nicht-chinesische Autohersteller beginnen, LFP-Batterien einzuführen.

LFP-Zellen vertragen sehr kaltes Wetter weniger als gleichwertige NMC- oder Nickel-Kobalt-Aluminium-Zellen und speichern außerdem weniger Energie. Aber dieser letzte Punkt könnte tatsächlich ein Vorteil dieser Chemie sein – es besteht keine Gefahr, dass ein LFP-Rucksack bei einem Unfall verbrennt oder explodiert, sodass es viel weniger nötig ist, den Rucksack mit einer schweren Schutzhülle zu umgeben.

Das wiederum bedeutet, dass die Zellen zwar eine geringere Energiedichte aufweisen, die Energiedichte auf Packebene jedoch tatsächlich zunimmt, da ein größerer Teil des Volumens auf Batteriezellen statt auf Crash-Strukturen entfällt. LFP-Batterien haben außerdem eine längere Lebensdauer als NMC- oder NCA-Batterien. LFP-Zellen waren im Jahr 2022 pro kWh etwa 20 Prozent günstiger als NMC-Zellen.

Kein Wunder also, dass Tesla im Jahr 2021 bei vielen Autos auf LFP-Zellen umgestiegen ist und dass Ford dieses Jahr den Mustang Mach-E und den F-150 Lightning Pickup im Jahr 2024 mit LFP-Zellen ausstattet.

Um den vollen Nutzen aus der LFP-Batteriechemie zu ziehen, hat Texas Instruments ein neues BMS (sowohl für die Batteriepacks als auch für die Zellen) entwickelt, das viel empfindlicher ist als bestehende Systeme. „In unserer vorherigen Generation konnten wir bis auf 3,5 Millivolt heruntergehen, und das ist der Stand der Technik. Jetzt sind wir in der neuesten Generation etwa dreieinhalb Mal besser – 1 Millivolt“, erklärte Sam Wong. der bei TI an BMS arbeitet.

Dies ist aufgrund der sehr flachen Entladekurve von LFP-Zellen erforderlich. „Es startet bei 4 Volt, dann sinkt es, es bleibt sehr flach“, erklärte Mark Ng, Marketingmanager für EV-Antriebsstränge bei TI. „Bei einer Ladung von 70 Prozent bis 30 Prozent bleibt die Entladekurve in diesem Bereich flach, und da braucht man diese 1-Millivolt-Genauigkeit. Denn wenn ich nicht genau bin, habe ich keine Ahnung, ob ich das kann.“ „Ich habe eine Ladung von 70 Prozent oder 40 Prozent“, erzählte mir Ng.

Diese Ungenauigkeit könnte bei einem 300 Meilen (483 km) langen Elektrofahrzeug bis zu 63 Meilen (100 km) betragen, verglichen mit einem BMS mit einer Genauigkeit von nur 10 mV. Die genaueren BMS kommen auch der NMC- oder NCA-Chemie zugute, wenn auch in viel geringerem Maße – die Fehlertoleranz verbessert sich von etwa sechs Meilen für ein 300-Meilen-Elektrofahrzeug auf etwa eine halbe Meile.

Darüber hinaus bieten die neuen BMS einen funktionalen Sicherheitsvorteil, da sie den strengsten ASIL-D-Sicherheitsstandard für die Automobilindustrie erfüllen. „Mit diesem Gerät sind wir in der Lage, die Spannung zweimal zu messen, indem wir die Redundanz im Chip nutzen, um dem System mitzuteilen, dass etwas nicht stimmt, wenn es nicht miteinander übereinstimmt. Es ist fast wie ein Abstimmungssystem“, sage ich „Diese Batterie hat 4 Volt und auf der anderen Seite steht 3 Volt“ – irgendetwas muss mit [der Batterie] nicht stimmen“, erklärte Ng.

Darüber hinaus sind die neuen BMS in der Lage, sowohl 400-V- als auch 800-V-Packs zu verarbeiten und können drahtlos spezifiziert werden – etwas, das General Motors bereits für seine Familie von Ultium-Packs unter Verwendung einer früheren Iteration der Technologie von TI übernommen hat – was den Bedarf an Kupfer reduziert Verkabelung in den Packs, was wiederum Kosten und Gewicht reduziert.