Batteriemanagement für Litihium-Ionen-Akkus

Akkus optimal ausnutzen

Lithium-Ionen-Akkus sind für tragbare Geräte die Standard-Energieversorgung. Zu ihren Vorteilen zählen eine hohe Energiedichte pro Volumen und Gewicht, eine hohe Spannung, geringe Selbstentladung sowie kein Memory-Effekt. Allerdings ist das Batteriemanagement für Lithium-Ionen-Akkus äußerst komplex. Mithilfe integrierter Kalibrierungstechniken und der Unterdrückung von Temperatureffekten lässt sich dies zu minimalen Kosten realisieren.

Bei der Wahl eines Li-Ionen-Akkus kommt es auf dessen korrekten und sicheren Betrieb an, um eine hohe Kapazität pro Zyklus und eine lange Lebensdauer zu erzielen. Dafür ist eine Battery-Management-Unit (BMU) zuständig. Sie muss sicherstellen, dass die Batteriezellen sich unter keinen Umständen außerhalb der Herstellerspezifikationen hinsichtlich Spannung, Temperatur und Strom befinden. Bei der Entwicklung eines Batteriemanagement-Systems müssen also Worst-Case-Bedingungen mit einbezogen werden.

Ein Beispiel dafür ist die Ladeschlussspannung. Bei Standard-Notebook-Akkus darf die Zellenspannung 4,25 V nicht übersteigen. Um dies zu gewährleisten, ist die Standardabweichung der BMU-Spannungsmessung zu verfolgen. Die vierfache Standardabweichung sollte von der Ladeschlussspannung abgezogen werden. Misst eine BMU demnach die Spannung bei 4,25 V mit einer Standardabweichung von 12,5 mV, wird empfohlen, den Ladevorgang der Batterie bei 4,2 V zu beenden. Dies steht im Konflikt mit dem Wunsch, die höchste Kapazität aus einer Zelle zu erhalten, denn das Laden auf eine höhere Spannung bringt eine höhere Kapazität mit sich.

Um die Batterielebensdauer zu verlängern, kommt es auch darauf an, extrem hohe Ladespannungen und eine zu niedrige Entladespannung zu vermeiden. Der Verschleiß der Zellen wird schnell offensichtlich, wenn sie außerhalb der empfohlenen Ladeschlussspannung (End of Charge Voltage, EOCV) und Entladeschlussspannung (End of Discharge Voltage, EODV) betrieben werden. Die Spannungsmessgenauigkeit bestimmt den erforderlichen Sicherheitsspielraum für die EOCV- und EODV-Werte. Je genauer die Messung ist, desto geringer muss der Sicherheitsspielraum sein, um innerhalb der empfohlenen Grenzen zu bleiben.

Eine genauere Spannungsmessung stellt somit sicher, dass der Lade- und Entladevorgang die empfohlenen EOCV- und EODV-Werte einhält, ohne die Sicherheit zu gefährden oder die Akkukapazität vorzeitig zu mindern. Die Genauigkeit der Ladungsflussmessung ist dabei entscheidend für die Qualität der Ladungszustandsberechnung (State of Charge).

Eine hohe Temperaturgenauigkeit lässt sich sehr einfach erzielen, vor allem wenn die BMU bei der Montage des Akkupacks kalibriert wird. Solche Packs sind im Betrieb zahlreichen Temperaturänderungen ausgesetzt. Die Temperaturdrift ist dabei ein wichtiger Parameter, um eine sehr gute BMU von einer Standard-BMU mit eher durchschnittlicher Performance zu unterscheiden.

Wichtige Parameter für eine hohe Spannungsmessgenauigkeit über der Temperatur sind die Verstärkungs- und die Spannungsreferenzdrift des Analog/Digital-Wandlers (ADC). Die Abweichung der  Spannungsmessung beträgt meist weniger als 3 μV – verglichen zu einer Messung von 4200 mV – und kann daher in der Praxis vernachlässigt werden.

Für eine genaue Ladungsflussmessung sind noch weitere Parameter zu berücksichtigen, da der Spannungsabfall über den Strommesswiderstand so gering wie möglich zu halten ist. Die Offset-Spannung des ADCs nach der Kalibrierung sowie die Drift von ADC-Offset, ADC-Verstärkung, Spannungsreferenz und Zeitbasis spielen hinsichtlich der Genauigkeit eine wichtige Rolle. Bei kleinen Strömen sind die Parameter, die sich auf den Offset beziehen, am wichtigsten. Bei höheren Strömen dominieren der Verstärkungsfehler, die Spannungsreferenz und die Zeitbasis.

1. Teil: Akkus optimal ausnutzen
2. Teil: Strommessung als Basis
3. Teil: Genau trotz Temperaturdrift