Batteriemanagement Batteriediagnostik so genau wie möglich

Hauptaufgabe intelligenter Batteriesensoren ist der zuverlässige Betrieb von Start-Stopp-Systemen
Hauptaufgabe intelligenter Batteriesensoren ist der zuverlässige Betrieb von Start-Stopp-Systemen

Um die Bleibatteriediagnostik so genau wie möglich zu gestalten, kommen hochauflösende Analog-Digital-Wandler im intelligenten Batteriesensor (IBS) zum Einsatz. Ursprünglich entwickelt, um den wachsenden Leistungshunger elektrischer Verbraucher in Luxusfahrzeugen sowie Startschwierigkeiten durch Batterieprobleme zu vermeiden, ist heute der zuverlässige Betrieb von Start-Stopp-Systemen die Hauptaufgabe des IBS.

Um anspruchsvolle Emissionsziele, beispielsweise der EU von 95 g/km CO2 bis 2020, zu erreichen, spielt die Elektrifizierung des Antriebstranges in Kraftfahrzeugen eine bedeutende Rolle. Mehr und mehr moderne Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor verfügen standardmäßig über Motor-Start-Stopp-Systeme. Dabei wird angestrebt, in den meisten Fällen die Verwendung von Komfortfunktionen durch konventionelle 12-V-Bleibatterien auch ohne Motorbetrieb zu ermöglichen und gleichzeitig den Start des Verbrennungsmotors unter allen Umständen sicherzustellen. Elektrische Energiespeicher wiederum benötigen präzise Diagnosesysteme, um ihren Lade- und Gesundheitszustand für einen dauerhaft zuverlässigen Betrieb zu erfassen.

Das stellt anspruchsvolle Anforderungen an die Genauigkeit, die Zuverlässigkeit und die Robustheit während der Spezifikation und Entwicklung von Halbleitern, um Ströme, Spannungen und Temperatur von verschiedenen Bleibatterien präzise zu erfassen.

Genauigkeitsbetrachtungen durchführen

Vor der Markteinführung des „intelligenten“ Batteriesensors (IBS) zur Bleibatteriediagnose konnten die Genauigkeitsanforderungen von Sensoren in Automobilanwendungen mit 8- bis 12-bit-Analog-Digital-Umsetzern (ADC) meistens integriert in einen Mikrocontroller erfüllt werden. 2006 führte Analog Devices mit dem Serienstart des IBS bei verschiedenen Fahrzeugherstellern ADCs mit einer Auflösung von 16 bit eine neue Genauigkeitsklasse als Standard in Kraftfahrzeugen ein. 16 bit waren notwendig, um den Strom-Dynamikbereich einer Bleistarterbatterie von wenigen mA im parkenden Fahrzeug bis zu 1500 A beim Kaltstart eines großen Dieselmotors bestmöglich abzudecken.

Es gibt viele Faktoren, die die erreichbare Gesamtgenauigkeit einer auf Halbleitern basierenden Sensorlösung definieren. Als kritisch gelten Abweichungen von Parametern über die Temperatur, weil sie schwierig bis gar nicht auskalibriert werden können. Unter den vielfältigen Fehlerquellen trägt in der Regel eine Spannungsreferenz am meisten zum Gesamtfehler eines Halbleiters mit ADCs bei. Die Genauigkeit einer Referenz definiert sich über die Anfangsgenauigkeit, die normalerweise als Abweichung vom Nennwert in Prozent oder mV angegeben wird, und die Verschiebung von Parametern über Temperatur, Zeit, Last und Versorgungsspannung. Eine zusätzliche Fehlerquelle ist das Rauschen einer Spannungsreferenz über ein breites Frequenzspektrum. Fehler bei 25 °C lassen sich relativ einfach eliminieren, indem man jede Baugruppe am Ende einer Fertigungslinie entsprechend kalibriert. Weil die meisten Anwendungen unter der Motorhaube einen großen Temperaturbereich abdecken müssen, ist das richtige Verständnis von Abweichungen über der Temperatur von Halbleiterkomponenten von großer Bedeutung. Der Temperaturgang einer Referenz wird normalerweise in ppm/°C angegeben und definiert den Mittelwert der Abweichung der Ausgangsspannung über den gesamten Betriebstemperaturbereich. Die Abweichung wird mit der sogenannten Boxmethode ermittelt, wobei eine Box um die Kurve der Nennwertabweichungen einer Referenz herum gelegt wird, so dass alle Kurvenwerte innerhalb der Box liegen.

Bei der Charakterisierung einer Referenz wird die maximale Abweichung in den beiden Endpunkten, also beispielsweise bei –40 °C und 125 °C, bestimmt und daraus die maximale Drift – das heißt die Höhe der Box in ppm/°C – für die Datenblattgrenzen berechnet. Bild 1 zeigt ein Beispiel, bei dem der Offset-Wert 1,5 mV beträgt und der Temperaturbereich von –40 bis +125 °C reicht, also 165 Kelvin umspannt. Für eine Referenz mit einer Nennspannung von 2,5 V ergibt sich damit ein mittlere Temperaturdrift von rund 3,5 ppm/°C. In Bild 1 ist auch eine beispielhafte Abweichungskurve für eine Bandgap-Referenz eingezeichnet. Die Bandgap-Technologie kommt üblicherweise für Referenzen zum Einsatz, die sich auf demselben Halbleiter befinden, zum Beispiel ein ADC.

Wie dargestellt kann die Abweichung mal positiv und mal negativ und bei manchen Temperaturwerten größer und bei manchen kleiner als der durchschnittliche Wert laut Datenblatt sein. Für eine Fehlerbetrachtung im Endprodukt müssen die Kennwerte der Box verwendet werden, was im gezeigten Beispiel einem Fehler von ±1,5 mV entspricht. Weil die Abweichung bei niedrigen Temperaturen höher als bei hohen Temperaturen sein kann, ist es nicht möglich, durch eine Einschränkung des Temperaturbereiches bei der Fehlerberechnung den maximalen Fehlerbetrag von ±1,5 mV der in Bild 1 dargestellten Referenz zu verringern. Trotzdem kann es sinnvoll sein, Werte auch für einen beschränkten Temperaturbereich zu ermitteln und so beispielsweise mit den Fehlerbetrachtungen möglichst die realen Umgebungsbedingungen darzustellen. Bleibatterien vertragen zum Beispiel keine Temperaturen oberhalb von 60 °C und stellen eine große thermische Kapazität da, so dass in kurzer Distanz angeschlossene Messsysteme wie ein IBS im realen Anwendungsfall trotz Eigenerwärmung keine Temperaturen oberhalb von 105 °C sehen werden. Sollen aber nun bessere Driftwerte für eine Referenz über einen eingeschränkten Temperaturbereich dargestellt werden, ist vom Halbleiterhersteller eine neue Box für diesen Bereich zu ermitteln. Das wird bei der Charakterisierung eines Bausteins vor dem Serien-Produktionsstart durchgeführt und kann beispielsweise zu optimierten Abgleich-Parametern für diesen Temperaturbereich bei der Halbleiterherstellung führen.

Verbesserte Temperaturdrift

Integrierte Spannungsreferenzen hatten noch bis vor wenigen Jahren bestenfalls eine Temperaturdrift von rund 100 ppm/°C. Halbleiterhersteller konnten diese Werte in den letzten 5 bis 10 Jahren deutlich verbessern, so dass mittlerweile Werte von 20 ppm/°C und besser erreichbar sind. Die erreichbaren Driftparameter hängen allerdings stark vom ausgewählten Halbleiterprozess und von den Zielkosten ab. Gute Driftwerte erfordern eine größere Fläche auf einem Halbleiter und einen bedeutend größeren Test- und Abgleichaufwand.

Weitere potenzielle Fehlerquellen in einem analogen Messsystem sind die Nichtlinearität, Offset, Verstärkungsfehler und Spannungsrauschen sowohl bei Raumtemperatur als auch deren Variabilität über den Betriebstemperaturbereich. Es ist sinnvoll, alle Fehlerquellen einzeln in einem Datenblatt aufzulisten, weil Zulieferer verschiedene Kalibrierungsmethoden in ihren Systemen und Herstellungsprozessen verwenden können, um einzelne Toleranzen zu eliminieren. Das ist auch sinnvoll, um zu eruieren, ob keine Kalibrierung, eine einzige bei 25 °C oder eine Kalibrierung bei unterschiedlichen Temperaturen nötig ist

Es gibt diverse Methoden, Datenblattspezifikationen zu ermitteln, und oft können Datenblattwerte verschiedener Hersteller nicht 1:1 miteinander verglichen werden. Die Werte in Datenblättern von Analog Devices beinhalten auch Abweichungen zwischen Fertigungslosen und werden so ermittelt, dass Serienprodukte alle Datenblattparameter über die gesamte Fertigungs- und Betriebszeit einhalten.