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Batterie-Management von Li-Ion-Zellen

Fehlerüberwachung in nicht optimal ausgelegten Systemen

18. Mai 2010, 14:49 Uhr | Von Tim Regan

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Anforderungen an die Stromversorgung von Batterien

Im Laufe der letzten Jahre haben sich Batterien zu der wohl bedeutendsten alternativen Energiequelle für Fahrzeuge entwickelt. Dank ihrer hohen Energiedichte – wodurch sich kleinere und leichtere Batteriesätze herstellen lassen als mit anderen Batterietechnologien – erfreuen sich insbesondere Lithium-Ionen-Akkumulatoren einer stetig steigenden Popularität. In Hochleistungs- Anwendungen wie Elektrofahrzeugen werden Hunderte einzelner Batteriezellen hintereinander geschaltet. Zum einen lässt sich dadurch eine hohe Spannung erzielen und zum anderen kommt das System mit vergleichsweise niedrigeren Strömen aus, sodass Leitungen mit geringerem Querschnitt eingesetzt werden können, um das Gesamtgewicht des System so gering wie möglich zu halten. In Automotive- Applikationen dieser Art steht die Sicherheit des Fahrers stets an erster Stelle, während auf Platz zwei die Anwenderzufriedenheit rangiert. Dementsprechend ausgeprägt ist die Motivation, einen sicheren und zuverlässigen Langzeitbetrieb zu gewährleisten. Ziel ist es, die Ladung in jeder einzelnen Zelle fortlaufend zu überwachen, damit sich stets der optimale Spannungswert für einen jahrelangen Einsatz einhalten lässt.

In der einfachsten Ausführung ist eine Schaltung zum Messen der Spannung jeder einzelnen Zelle notwendig. Dies geschieht meist mit Hilfe eines A/D-Wandlers, der seine Ausgangsinformationen einem Mikrocontroller bereitstellt. Der Mikrocontroller selbst koordiniert das Laden und Entladen aller Zellen, um zu gewährleisten, dass sie innerhalb eines ganz bestimmten Bereichs betrieben werden, bei dessen Verlassen die Lebensdauer der Zellen erheblich leiden kann. Bei Hunderten einzelner Zellen ist daher eine integrierte Messschaltung sinnvoll, die den Bauteileaufwand entscheidend reduziert. Um einen solchen integrierten Funktionsblock handelt es sich bei dem LTC6802 von Linear Technology. Mit seinem eingebauten 12-bit- A/D-Wandler ist der Baustein in der Lage, die Spannung von bis zu zwölf Zellen und zwei Temperatursensoren zu messen und auszugeben. Zudem ist es möglich, eine beliebige Anzahl Zellen zu stapeln und die gemessenen Spannungen jeder Zwölfer-Gruppe seriell an einen Host-Mikrocontroller weiterzuleiten. Folglich bilden die eingesetzten Messbausteine und der Controller das Herzstück des Batterie-Management- Systems.

Außerdem ist eine sorgfältige Kontrolle des Ladezustands jeder Zelle von Bedeutung, wenn die Nutzungsdauer der Zellen verlängert werden soll. Sie reicht jedoch möglicherweise nicht aus, um die immer höheren Ansprüche der Automobilindustrie zu erfüllen. Um aber die Voraussetzungen für eine angestrebte Langzeit-Zufriedenheit zu schaffen, ist eine Was-wärewenn- Analyse des Systems ratsam. Dabei sind unter anderem folgende Fragen zu stellen:

Was passiert, wenn die Zuleitung zu einer Zelle schadhaft wird?
Was passiert, wenn sich die Genauigkeit der Spannungsmessung verändert?
Welche Folgen hat es, wenn ein internes Bit eines Registers so blockiert, dass stets eine einwandfreie Zellenspannung signalisiert wird?
Was passiert, wenn das Mess-IC durch hohe Spannungsspitzen beschädigt wird?

Die heimtückischsten Fehler gaukeln dem Mikrocontroller vor, eine Zelle oder eine ganze Zellengruppe befänden sich in einwandfreiem Zustand, obwohl in Wirklichkeit eine einwandfreie Messung dieser nicht möglich ist. Diese Zellen könnten unter solchen Umständen tiefentladen oder zu stark aufgeladen werden, ohne dass das System hierüber informiert wird. Um die Betriebssicherheit zu optimieren, muss auch die Überwachungsschaltung in irgendeiner Form überwacht werden.