Überwachungssystem für Lithium-Ionen-Akkus Schutz vor Überladung

Die neueste Generation von Hochleistungs-Lithium-Ionen-Akkus bietet eine Leistung und Kostenmerkmale, die praktikable Energiespeicherung für Hybrid- und Elektrofahrzeuge endlich erfüllen kann. Die rasche Annahme dieser Technologie hat enorme Entwicklungsaktivitäten entfacht, da...

Überwachungssystem für Lithium-Ionen-Akkus

Die neueste Generation von Hochleistungs-Lithium-Ionen-Akkus bietet eine Leistung und Kostenmerkmale, die praktikable Energiespeicherung für Hybrid- und Elektrofahrzeuge endlich erfüllen kann. Die rasche Annahme dieser Technologie hat enorme Entwicklungsaktivitäten entfacht, da die Hersteller in das entstehende Geschäft der Hybrid- und Elektrofahrzeuge einsteigen möchten.

Der Schlüssel zum Erfolg für die Lithium-Ionen-Anwendungen ist die Leistungsüberwachung: Es gilt nicht nur die Ladungsspeicherung zu betrachten, sondern auch die Langlebigkeit der Akkus sicherzustellen und Situationen zu vermeiden, die die Zellen beeinträchtigen könnten. Lithium-Ion-Zellen sind insbesondere weniger widerstandsfähig gegen Überladen und Tiefentladen als andere Zellzusammensetzungen. Daher ist ständiges Überwachen und Ausgleichen der einzelnen Zellspannungen für ein erfolgreiches HEV-/EV-Akku-Management-System (Hybrid Electric Vehicle/Electric Vehicle) erforderlich. Die Gefahren von Hochspannungs- und Hot-Plug-Einflüssen der BMS-Datenerfassungsschaltungen (Battery Management System), bei denen Messungen von rund hundert in Serie geschalteten Zell-Potentialen erforderlich sein können, stellen bedeutende Herausforderungen für die Auslegung dar.

Lithium-Ionen-Zellen liefern eine Betriebsspannung von etwa 4 Volt bei vollem Ladezustand und etwa 2 Volt bei kompletter Entladung. Die spezifischen Lade- und Entlade-Spannungen hängen vom Akku-Typ ab und werden durch den Zellen-Anbieter genau spezifiziert. ANR26650M1-2,3-Ah-Zellen von A123 beispielsweise werden normalerweise auf 3,6 Volt aufgeladen und werden bei 1,6 Volt als leer angesehen. Zell-Arrays, die in HEV-/EVAnwendungen verwendet werden, sind häufig so konfiguriert, dass sie bis zu 400 Volt liefern – im Allgemeinen in Modul-Elementen von 100 Volt oder weniger. Diese Elemente erfassen jedes Zellpotential und liefern diese Signale an den Datenerfassungsbereich des BMS. Ziel ist, jede Zellspannung und andere Parameter wie Temperatur mit großer Genauigkeit und Auflösung zu messen (normalerweise 12 bit). Die Erfassungsschaltungen verwenden meist die Akku-Messverbindungen als lokale Energieversorgung. Aus Sicherheitsgründen muss der digitale Datenverkehr zum Wirtsrechner galvanisch isoliert werden, wobei optische, magnetische oder kapazitätsbasierte Übertragungstechniken zum Einsatz kommen.

Eine weitere wichtige Funktion ist der Zellenausgleich, um leichte Unregelmäßigkeiten bei der Ladung der Zellen zu kompensieren und die Lebensdauer der Akkus zu steigern. Bei der aktuellen Generation von Überwachungssystemen erfolgt dies passiv, je nach Bedarf, durch Zwischenschalten von Ausgleichswiderständen. Diese Methode erfordert eine thermische Auslegung, um die Restwärme abzuleiten, die mit dem Ausgleichsprozess einhergeht. Zukünftige Ausgleichssysteme werden über kühlende, effiziente Energieumwandlungsverfahren mit aktivem Schaltmodus verfügen.

HEV- und EV-Akku-Systeme müssen so ausgelegt werden, dass sie vor der Installation und während des Transports oder der Lagerung des Fahrzeugs lange Phasen der Inaktivität überstehen. Aus diesem Grund ist es entscheidend, dass die Leerlaufleistung von allen Modulschaltungen erheblich weniger Energie verbraucht als die Selbstentladung der Akkuzellen und so die Gefahr der Tiefentladung vermindert wird. Noch wichtiger ist, dass der Leerlaufstrom entlang der Akku-Elektrodenstränge angepasst wird, um sicherzustellen, dass die Akkus während der Stillstandszeiten des Fahrzeugs nicht unsymmetrisch entladen werden.