Batterie-Management-Bausteine Überwachung der Lithium-Ionen-Batterien in Hybrid- und Elektrofahrzeugen

Ein Automobil stellt eine besonders raue Umgebung für Elektronik dar und dennoch steht die zunehmende Elektrifizierung des Automobils außer Frage. Beispielsweise sind Lithium-Ionen-Batteriesysteme dabei, sich in Hybrid- und Elektrofahrzeugen zu etablieren. Bausteine wie der LTC6803 von Linear Technology helfen bei exakten Messungen, müssen aber einen zuverlässigen Betrieb unter verschiedenen Bedingungen und über lange Zeiträume hinweg garantieren.

Für Hybridfahrzeuge (Hybrid Electric Vehicle; HEV) und Elektrofahrzeuge (Electric Vehicle; EV) bieten Lithium-Ionen-Batterien den besten Kompromiss aus Leistung, Energiedichte, Wirkungsgrad und Umweltfreundlichkeit. Aber Li-Ion-Batterien können in diesen Anwendungen gleichzeitig problematisch und gefährlich sein, da die Automobil­umgebung harte Anforderungen stellt. Die Herausforderung für die Elektronik für HEVs und EVs ist es, die Lücke zwischen der herausfordernden Umgebung im Automobil und der empfindlichen Natur der Batterien zu schließen.

Es ist keine einfache Aufgabe, große Li-Ion-Zellenpakete mit den Anforderungen bezüglich Energie, Leistung und Umwelt eines Automobils sicher und zuverlässig zu betreiben. Die Kapazität von Li-Ion-Zellen nimmt ab, wenn sie voll geladen oder voll entladen werden. In Abhängigkeit von Ladezyklen, Losunterschieden und verschiedenen Umweltbedingungen verringern sich die Kapazitäten einzelner Batteriezellen und driften mit der Zeit auseinander. Um deshalb das Ziel von 5.000 Ladezyklen und einer 15-jährigen Lebenszeit für die Batteriepakete zu erreichen, muss jede einzelne Zelle innerhalb ihres eingeschränkten Betriebsbereichs gehalten werden. Durch das Kontrollieren des Ladezustands (State of Charge; SOC) jeder einzelnen Li-Ion-Zelle kann die Kapazität eines Batteriepakets maximiert werden, da der Kapazitätsabbau jeder Zelle minimiert wird. Die Aufgabe eines Batterie-Management-Systems (BMS) ist es deshalb, einen effizienten und sicheren Betrieb der Batterie des Elektrofahrzeugs sicherzustellen.

Das BMS muss den SOC jeder Zelle sorgfältig überwachen und aussteuern. Dies erfordert den Abgleich des SOC durch selektives Entladen oder Übertragen von Ladung auf andere Zellen, damit die Zellenspannungen stets innerhalb des spezifizierten Bereichs liegen. Die Messgenauigkeit des BMS ist besonders wichtig, da sie bestimmt, wie eng jede Zelle an der Grenze ihres zuverlässigen SOC-Bereichs betrieben werden kann. Die Fähigkeit, die nutzbare Kapazität zu maximieren, bestimmt auch die Anzahl der erforderlichen Batteriezellen – mit großem Einfluss auf die Kosten und das Gewicht. Ein exaktes Messen der Spannung jeder einzelnen Zelle ist recht schwierig, weil die Zellen eines Batteriepakets hohen Gleichtaktspannungen und hohem Frequenzrauschen ausgesetzt sind. Zu Veranschaulichung betrachtet man ein EV/HEV-Batteriepaket, das üblicherweise aus einer Gruppe mit hoher Spannung von 100 bis 200 in Reihe geschalteten Zellen aufgebaut ist. Diese Batteriepakete müssen schnell Ströme, die 200 A übersteigen können, mit hohen Spannungsspitzen, die potenziell 100 V am oberen Ende des Stapels übersteigen können, aufnehmen bzw. abgeben können.