Batterie-Management von Li-Ion-Zellen Fehlerüberwachung in nicht optimal ausgelegten Systemen

Gemäß dem Fall, dass der optimale Ladungszustand aller Batterien eines Systems zu jedem Zeitpunkt sichergestellt ist, lässt sich die Lebensdauer eines teuren Akkumulatorsatzes um Jahre erhöhen – egal ob es sich dabei um ein Elektrofahrzeug oder eine unterbrechungsfreie Stromversorgung handelt. Mit Hilfe des Bausteins LTC6801 besteht die Möglichkeit, mittels einer redundanten Fehlerüberwachung die Langzeit- Zuverlässigkeit von Batterie-Management- Systemen für Li-Ion-Akkus zu verbessern. Parallel zu einem präziseren Zellenmesssystem eingesetzt, überprüft der LTC6801 zusätzlich das einwandfreie Funktionieren aller System-Elemente. Kommt es zu einer Fehlfunktion, wird durch Setzen eines Flags eine Problembehebungs-Prozedur angestoßen, auf deren Basis sich wiederum die Zuverlässigkeit des Endprodukts verbessern lässt.

Sicherlich ist jedem das oft zitierte Murphysche Gesetz bekannt, welches besagt, dass alles, was schiefgehen kann, auch tatsächlich schiefgeht. So trivial dies auch klingen mag – das Gesetz trifft insbesondere für Systeme mit Elektronik als Basis zu. Diese wurden in den letzten 50 Jahren immer weiter entwickelt und enthalten mittlerweile höchst ausgefeilte Überwachungs- und Steuerungsfunktionen. Bei Zuverlässigkeitsproblemen denkt der Entwickler zu allererst an Gefahren für die Gesundheit oder das Leben von Menschen, unmittelbar gefolgt von den hohen Kosten, die entweder durch Ausfälle oder aber die mangelnde Anwenderzufriedenheit entstehen. Daher wird stets ein Bedarf an immer mehr Zuverlässigkeit bestehen, um sichere, langlebige Produkte produzieren zu können.

Wenn an der Zuverlässigkeit des Systems keinerlei Abstriche geduldet werden können, ist es die optimale, aber auch teuere Lösung, sämtliche Schaltungen mit voller Redundanz, also doppelt vorzuhalten. Diese doppelten Schaltungen führen gleichzeitig identische Funktionen aus, deren Ergebnisse mit einer Art Abstimmung so ausgewertet werden, dass zu allen Zeiten ein Höchstmaß an Sicherheit gewährleistet ist. In vielen dieser Systeme lassen sich Schaltungen, in denen eine Störung entdeckt wurde, automatisch aus dem Betrieb herausnehmen und durch die identische Ersatz-Schaltung ersetzen. Dies ist zweifellos die ideale Topologie für einen zuverlässigen Langzeitbetrieb. Ebenso unstrittig ist jedoch, dass die Folgen einer Störung nicht immer so gravierend sind, dass sie die Kosten für volle Redundanz rechtfertigen können. In Systemen ohne Redundanz stützt sich die Gesamtheit auf die Zuverlässigkeit eines jeden einzelnen Bauelements, mit der Folge, dass der Ausfall einer einzigen Komponente das System zum Stillstand bringen oder die Genauigkeit dauerhaft beeinträchtigen kann. Mit einem derart ausgelegten System nimmt der Entwickler zwar ein hohes Risiko in Kauf, doch lässt es sich zu niedrigen Kosten bereitstellen.

Die sprichwörtliche goldene Mitte zwischen diesen beiden Extremen bildet die Ausstattung mit einer Fehlerüberwachung. Hierbei überwachen besondere Schaltungen verschiedene Elemente eines Systems und melden etwaig auftretende Anomalien. Da aber zu jedem Zeitpunkt und an jedem Punkt der Schaltung solche Anomalien auftreten können, sollten möglichst viele Elemente überwacht werden. Die Reaktionen auf eine erkannte Störung können vielfältig sein – von der kompletten Abschaltung (wie im Fall des Totmann-Schalters in einer Lokomotive) bis hin zu einer einfachen Kundendienst-Warnleuchte, wie sie unter anderem in Autos zu finden ist. Wie sich die Langzeit-Zuverlässigkeit eines Lithium- Ionen-Akkusatzes mit hoher Ausgangsspannung mithilfe des Fehlererkennungs- ICs LTC6801 von Linear Technology verbessern lässt, erläutert dieser Artikel; unter anderem deswegen, da gerade die Stromversorgung der Batterie, aufgrund der immer weiter voranschreitenden Elektromobilität, in der internationalen Automobilindustrie immer mehr an Verbreitung gewinnt.