Atmel: Batterie-Management-Lösung für Li-Ion-Batterien
»Zukünftig werden in Hybridfahrzeugen Li-Ion-Batterien zum Einsatz kommen.« So lautet die Überzeugung von Claus Mochel, Automotive High-Voltage Marketing Manager bei Atmel. Weil diese aber sehr empfindlich gegenüber Unter- und Überspannungen sind, muss ein Sicherheitskonzept entwickelt werden.
Dass Li-Ion-Batterien kommen werden, liegt an den Vorteilen dieser Batterietechnik. So können sie im Vergleich zu NiMH-Batterien mehr Energie speichern. Sie sind bis zu 30 Prozent kleiner und bis zu 50 Prozent leichter. Außerdem weisen sie keine Memory-Effekte auf, und die Selbstentladung ist deutlich geringer. Mochel: »Darüber hinaus liefern sie eine konstante Spannung über einen großen Entladungsbereich.«
Bei allen Vorteilen haben sie aber auch einen entscheidenden Nachteil: Sie sind sehr empfindlich gegenüber Spannung außerhalb des erlaubten Ladebereichs. Jeder kennt die Meldungen, dass Akkus beispielsweise in Laptops brannten oder sogar explodierten. Dementsprechend sind Maßnahmen unabdingbar, die einerseits die Spitzenspannung jeder Zelle während dem Ladevorgang begrenzen und andererseits verhindern, dass die Zellenspannung beim Entladen zu tief absinkt.
Daraus ergeben sich für Mochel folgende Anforderungen: »Batterie-Management-ICs müssen jede einzelne Zelle überwachen. Mit ihnen muss ein redundantes und gleichzeitig unabhängiges Überwachungskonzept möglich sein und sie müssen über eine Selbst-Diagnose-Funktion verfügen.« Und genau diesen Anforderungen begegnet das Unternehmen mit seiner neuen Zwei-Chip-Lösung, die aus dem ATA6870 und dem ATA6871 besteht. »Es gibt zwar Ein-Chip-Lösungen am Markt, aber die OEMs bestehen mittlerweile auf Zwei-Chip-Lösungen, da sie deutlich sicherer sind und wir sind die einzigen, die eine Zwei-Chip-Lösung liefern können«, so Mochel weiter.
Der ATA6870 überwacht mithilfe von sechs 12-bit-A/D-Wandlern und einer eigenen Referenzspannung die Spannung von sechs Batteriezellen gleichzeitig und parallel. »Dadurch ist eine präzise Bestimmung des Ladezustands möglich«, erklärt Mochel. Außerdem wird die Zellentemperatur gemessen und der Chip ermöglicht einen Ladungsausgleich zwischen den einzelnen Zellen. Mochel: »Das heißt, dass schlechtere Zellen über die anderen Zellen gespeist werden können und damit wird die Lebensdauer der Batterie verlängert.« Der ATA6870 verfügt außerdem über eine integrierte Stromversorgung für einen Mikrocontroller, die wie das IC selbst kaskadierbar ist. So kann der Strom, der zur Versorgung der MCU notwendig ist, aus der obersten Zelle entnommen und in die unterste Zelle der Batteriereihe zurückgeführt werden. Das heißt, dass die Stromaufnahme des Mikrocontrollers kein Ladungsungleichgewicht in den Batteriezellen verursacht und teure Hochspannungs-Bauelemente eingespart werden können.
Der ATA6871 ist ein Sekundär-Schutz-IC, auf dem ein unabhängiges Überwachungssystem für Über- und Unterspannung sowie für Übertemperaturen der Zellen implementiert ist. Er arbeitet ohne externen Mikrocontroller oder Software und ist mit Selbsttest-Funktionen ausgestattet. Auch dieser Chip ist hot-plug-in-fähig. Wenn eine Über-/Unterspannung oder Übertemperatur gemessen wird, kann die Batterie durch ein Not-Relais ausgeschaltet werden. Dank der Zwei-Chip-Lösung, bei der beide Chips laut Mochel vollkommen unabhängig voneinander arbeiten, ist ein ordnungsgemäßer Betrieb auch dann noch gewährleistet, wenn der Primär-Chip (ATA6870) nicht funktioniert oder der daran angeschlossene Mikrocontroller ausgefallen ist. Beide Bausteine überwachen sechs Batteriezellen und sind bis zu 16-mal kaskadierbar.
Muster der neuen Batterie-Management-ICs im QFN48- bzw. SSO28-Gehäuse sind ab sofort erhältlich. Evaluierungs-Kits ermöglichen einen schnellen Start mit den ICs. Für den ATA6870 bietet Atmel Software für PCs und Laptops mit einer grafischen Benutzeroberfläche zur Überwachung und Optimierung von Hochleistungsbatterien.
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