Batteriemanagement Li-Ionen-Akkus richtig managen

Die Batterietechnologie hat große Fortschritte gemacht. Doch die hohe Energiedichte – besonders bei Fahrzeugbatterien – muss kontrolliert werden, damit diese nicht Feuer fangen. Dazu dient das Batteriemanagementsystem. Im Folgenden ein Überblick über dessen wichtigste Funktionsblöcke.

von Ryan Roderick, Principal Electrical Engineer für den Bereich Precision Products bei Intersil.

Elektronische Systeme sind heute wesentlich mobiler und »grüner« als jemals zuvor. Fortschritte in der Batterietechnik sind Triebfeder für diese Fortschritte in einem breiten Produktspektrum, das von tragbaren Elektrowerkzeugen über Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge bis hin zu drahtlosen Lautsprechern reicht. In den letzten Jahren hat sich der Wirkungsgrad einer Batterie, ausgedrückt in der Frage, wie viel Energie sie in Bezug auf Größe und Gewicht abgeben kann, drastisch verbessert. Man denke nur daran, wie schwer und voluminös eine Autobatterie ist. Sein Hauptzweck ist es, das Auto zu starten. Angesichts der jüngsten Fortschritte kann jedermann eine Lithium-Ionen-Batterie kaufen, um seinen Wagen auf Touren zu bringen, und diese wiegt lediglich einige Pfund und hat die Größe einer Hand.

Der laufende Transformationsprozess der Batterietechnologie hat viele Newcomer veranlasst, sich mit der Entwicklung von Batteriemanagementsystemen zu befassen. Dieser Beitrag soll Neueinsteiger in die Architektur des Batteriemanagementsystems (BMS) anleiten, wobei die Haupt-Funktionsblöcke beschrieben und die Bedeutung jedes Blocks im BMS erklärt werden (Bild 1).

Ein BMS setzt sich im Normalfalls aus mehreren Funktionsblöcken zusammen, darunter: Cut-off-FETs, einer Überwachung des Ladezustand, einer Zellenspannungsüberwachung, Echtzeit-Taktgeber, Temperaturüberwachungen sowie einem Zustandsautomaten (State Machine). Es stehen zahlreiche Arten von BMS-ICs zur Verfügung. Die Anordnung der Funktionsblöcke ändert sich in einem weiten Umfang, von einem einfachen analogen Frontend, beispielsweis dem »ISL94208« von Intersil, das einen Akku abgleichen und überwachen kann, jedoch auch einen Mikrocontroller benötigt, bis zu einer selbstständigen integrierten Lösung, die autonom läuft, wie dem »ISL94203«. Untersuchen wir nun den Zweck und die Technologie hinter jedem Block sowie das Für und Wider jeder Technologie.

Cut-off-FETs und FET-Treiber

Ein FET-Treiber ist für die Verbindung des Batteriepacks und für die Isolierung zwischen der Last und dem Ladegerät verantwortlich. Das Verhalten des FET-Treibers basiert auf Messungen der Zellenspannungen der Batterie, Strommessungen und einer Echtzeit-Erfassungsschaltung. In Bild 2 sind zwei verschiedene Arten von FET-Verbindungen zwischen Last und Ladegerät und dem Batteriepack dargestellt.

Die linke Schaltung benötigt die geringste Zahl von Anschlüssen zum Batteriepack, beschränkt aber dessen Betriebsarten auf entweder Laden, Entladen oder Tiefschlaf. Die Richtung des Stromflusses sowie das Verhalten eines spezifischen Echtzeittests bestimmen den Zustand des Bausteins. Zum Beispiel enthält der ISL94203 einen CHMON, der die Spannung auf der rechten Seite der Cut-off-FETs überwacht. Ist ein Ladegerät angeschlossen und das Batteriepack wird davon isoliert, lässt der in Richtung Batteriepack eingespeiste Strom die Spannung bis zur maximalen Versorgungsspannung des Ladegeräts ansteigen. Der Spannungspegel an CHMON wird überschritten und gibt dem BMS zu erkennen, dass ein Ladegerät vorhanden ist. Eine Last-Verbindung bestimmt das BMS dadurch, dass es einen Strom in die Last einleitet, um festzustellen, ob eine Last vorhanden ist. Wenn die Spannung am Pin nicht wesentlich ansteigt, sobald ein Strom eingeleitet ist, bestimmt der Ausgang, dass eine Last vorhanden ist. Danach wird der DFET des FETs eingeschaltet. Das Anschlussschema im rechten Teil von Bild 2 erlaubt den Betrieb des Batteriepacks auch während des Aufladens.

FET-Treiber können zur Verbindung mit dem Pluspol (High Side) oder dem Minuspol (Low Side) eines Batteriepacks ausgelegt sein. Bei einer High-Side-Verbindung ist noch zusätzlich ein Ladungspumpen-Treiber zur Aktivierung der n-MOSFETs erforderlich. Der Einsatz eines High-Side-Treibers ermöglicht ein solides Massebezugspotenzial für die übrige Schaltung. Low-Side-FET-Treiberverbindungen sind in einigen integrierten Lösungen anzutreffen, und zwar um die Kosten zu senken, denn dort ist keine Ladungspumpe nötig. Außerdem braucht eine Low-Side-Verbindung keine Hochspannungsbausteine, die mehr Platz auf dem Chip beanspruchen. Bei einem Einsatz der Cut-off-FETs auf der Low-Side wird die Masseverbindung des Batteriepacks abgeschnitten und dadurch leider empfindlicher gegenüber Störungen, die in die Messung eingespeist werden – das beeinträchtigt die Performance einiger ICs.