Batterie-Lade-ICs Bleisäure-Akkuzellen ausbalancieren

Bleisäure-Akkus werden in einer Vielzahl von unterschiedlichen Industrien und Applikationen eingesetzt. In Reihe geschaltete Bleisäurebatterien finden Einsatz bei unterbrechungsfreien Stromversorgungen. Wenn eine Batterie ausfällt, müssen alle in dem Stapel ausgetauscht werden. Dies verursacht beträchtliche Kosten.

Wenn Batterien hergestellt werden, entsprechen sie engen Spezifikationen bezüglich Energiekapazität, ESR (effektiver Reihenwiderstand), Leckstrom und Anzahl der Lade-/Entladezyklen, um die Qualität und eine garantierte Mindestlebensdauer sicherzustellen sowie unterschiedliche Standards zu erfüllen. Darüber hinaus gelten diese Spezifikationen nicht nur für eine einzelne Batterie. Es gibt auf Grund von Einschränkungen im Fertigungsprozess Unterschiede in den Batteriespezifikationen, und wenn mehrere Batterien in Reihe zu einem Stapel zusammen gefügt werden, eignen sich diese Spezifikationen nicht mehr für den gesamten Batteriestapel.

In Reihe geschaltete Batterien driften wegen der unterschiedlichen Leckströme mit der Zeit und auch die Kapazität der einzelnen Batterien kann sich mit der Zeit ändern. Extreme Einsatzbedingungen und häufige Entladezyklen verschärfen diese Probleme noch weiter, was zum Ausfall einer der Batterien in diesem Stapel führen kann. An diesem Punkt muss der gesamte Batteriestapel als schlecht betrachtet werden, und alle Batterien im Stapel müssen ausgetauscht werden. Ein Auswechseln nur der fehlerhaften Batterie löst das Problem nicht, da die Charakteristik der ausgetauschten Batterie unterschiedlich zu allen anderen Batterien im Stapel ist und damit ein Fehler auftreten würde. Dieses Problem tritt nicht nur bei Bleisäurebatterien auf, sondern auch bei allen anderen Batterien, egal auf welchen chemischen Bestandteilen sie basieren.

In den meisten in Reihe geschalteten Batteriestapeln wird nur die Spannung des gesamten Stapels gemessen und es wird angenommen, dass die Batteriezellen im Stapel ausbalanciert sind und deshalb gleich geladen werden. Bild 1 zeigt ein Szenario in dem die Spannung des Stapels auf 53,2 V eingestellt ist, die einzelnen Batteriespannungen jedoch unbekannt sind und nicht alle 13,6 V aufweisen müssen. Da nicht alle Batteriezellen im Stapel eine gleichmäßige Ladung enthalten, können einige Batterien in diesem Stapel stark überladen werden, während eine der Batterien nicht komplett aufgeladen wird. Sowohl das Überladen als auch das nicht vollständige Aufladen verkürzen die Lebenszeit der Batterie. Das Überladen von Bleisäurebatterien lässt das Elektrolytwasser in Sauerstoff- und Wasserstoffgas zerfallen, was den Elektrolytpegel in den Batterien sinken lässt. Dies hat zwei Auswirkungen: Die Konzentration von Schwefelsäure im Elektrolyt steigt an, was zerstörend für die Bleiplatten der Batterie ist und die Batterielebenszeit verkürzt. Da der Elektrolytpegel abgesunken ist, ist ein Teil der Platten der Luft ausgesetzt, was zur Oxidation der Platten führt und die Kapazität der Batterie verringert.

Wartungsfreie und Gel-Batterien sind besonders empfindlich gegenüber dem Überladen, da eventuell verlorenes Wasser nicht nachgefüllt werden kann. Ein nicht vollständiges Aufladen von Bleisäure-Akkus verursacht das Sulfatieren der Bleiplatten, wobei die Schwefelsäure mit den Platten reagiert und Bleisulfatkristalle bildet. Dies reduziert die Fähigkeit der Batterie, die volle Ladung aufzunehmen, was das vollständige Laden weiter verschlechtert und letztendlich zu vorzeitigem Batterieausfall führt.

Um die Lebensdauer von Batteriestapeln zu verlängern, müssen die einzelnen Batteriezellen im Stapel ausbalanciert werden. Gängige Meinung ist, dass ein Überladen eines Bleisäurebatteriestapels ein Ausbalancieren der einzelnen Batteriezellen in diesem Stapel verursacht, was theoretisch die Lebensdauer der Batterie verlängert. Dies ist jedoch eine sehr zweifelhafte Methode. Der einzige Weg, um sicherzustellen, dass alle Zellen im Batteriestapel die gleiche Spannung haben, ist der Einsatz einer Balancierlösung, bei der überladene Batteriezellen überschüssige Ladung abgeben und nicht voll geladene Zellen zusätzliche Ladung erhalten. Eine effiziente Batteriebalancierlösung benötigt ein Schaltnetzwerk, das verwendet werden kann, um Ladung von einer Batteriezelle zu einer anderen zu »verschieben«, um einen ausgeglichenen Batteriestapel zu erhalten.

Die Steuerschaltung ist komplex und ihre diskrete Implementierung ist schwierig und teuer. Der Ausbalancierbaustein LTC3305 für Bleisäure-Akkus ist der erste und einzige aktive Bleisäure-Ausgleichsbaustein, der es den einzelnen Batteriezellen, die in einem Stapel in Reihe geschaltet sind, erlaubt, sich gegenseitig auszubalancieren. Bild 2 zeigt eine Anwendung, in der ein einziger LTC3305 eingesetzt ist, um vier in Reihe geschaltete Bleisäurebatterien auszubalancieren.

Jede Batteriezelle in diesem Stapel ist einzeln und sequenziell parallel mit einer Hilfszelle verbunden, die ein Netzwerk von zehn externen NMOS-Transistoren mit geringem RDS(ON) nutzt, das von einem LTC3305 gesteuert wird. Ist die Spannung unterschiedlich, fließt Strom in die entsprechende Richtung, bis die Spannungen der einzelnen Batterie- und Hilfszellen wieder gleich sind. Der LTC3305 schaltet dann zur nächsten Batteriezelle im Stapel weiter. Diese Sequenz (1, 2, 3, 4, 1, 2, 3, 4) wird solange fortgeführt, bis alle Batteriezellen (und die Hilfszelle) im Stapel mit einer spezifizierten Schaltschwelle spannungsmäßig abgeglichen sind, wie es in der Kurvenverlauf in Bild 3 zeigt.

Der maximale Strom, der durch jede Verbindung fließen darf, ist von einem externen PTC-Thermistor begrenzt. Der LTC3305 hat zwei Betriebsarten, die über den MODE-Pin und vier Abschlussschaltschwellen, die mit den TERM1- und TERM2-Pins programmiert werden, wählbar sind.

Der LTC3305 hat auch Komparatoren für Über- und Unterspannung, die die Batteriespannung überwachen und einen Fehler anzeigen, wenn die Spannung außerhalb der programmierbaren Schaltschwellen liegt. Die Schwellwerte für Über- und Unterspannung sind über die VL- beziehungsweise VH-Pins zusammen mit dem ISET-Pin programmierbar. Mehrere LTC3305-Bausteine können »gestapelt« werden, um Batteriestapel auszubalancieren, die aus mehr als vier in Reihe geschaltete Bleisäurebatterien bestehen.

In Bild 4 werden drei LTC3305-Bausteine benutzt, um bis zu zehn Batteriezellen in einem Batteriestapel auszubalancieren. Dazu benötigt jeder LTC3305 seine eigene Hilfszelle für das Ausbalancieren. 
Ausbalancierte Bleisäure-Akkus haben noch weitere Vorteile.

Schaltungen mit geringer Spannungsversorgung können von Zwischenknoten im Batteriestapel versorgt werden, ohne eine Unausgewogenheit im Batteriestapel zu erzeugen, wie in Bild 5 dargestellt. Dies hilft, die Kosten für die Lösung zu reduzieren, weil die Preise für diskrete Komponenten und ICs von der benötigten Spannung abhängen. Die Kapazität der Hilfszellen ergänzt die Kapazität des Batteriestapels, was in längerer Betriebszeit resultiert. 
Zusammenfassend kann man sagen, dass Bleisäurebatterien ganz klar von einem Ausbalancieren profitieren. Ein ausbalancierter Batteriestapel hilft dabei, die Betriebszeit über die der Batteriezelle mit der geringsten Kapazität im Stapel hinaus zu erweitern. Darüber hinaus wird auch die Lebenszeit der Batterie verlängert, was die Aufwendungen für einen Austausch von fehlerhaften Batterien im Stapel reduziert. Die vollständige Ausbalancierlösung für Bleisäurebatterien, die der LTC3305 bietet, erlaubt es auch Batteriestapel mit einem minimalen Entwicklungsaufwand auszubalancieren.

Über den Autor:

M. S. Aspiyan Gazder arbeitet als Senior Design Engineer im Bereich Power Products bei Linear Technology. Er entwickelte schon zahlreiche ICs für Stromversorgungs- und Balancing-Anwendungen bei Batterien. Er studierte Elektrotechnik an der Boston University und schloss sein Studium mit einem Master.