Überwachungssystem für Lithium-Ionen-Akkus
Schutz vor Überladung
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Hot-Plug-Implikationen
Das Anschließen großer Akku-Blocks an die Elektronik stellt eine Herausforderung an das Design dar. Normalerweise werden Verbraucher abgeschaltet, bevor die Akkus angeschlossen werden. Außerdem besteht die Schnittstelle zwischen Akku und Elektronik aus einer Vielzahl von Kontakten, die gewöhnlich auf mehrere Stecker verteilt sind. Als Folge davon können Leitungen in unvorhersehbarer Reihenfolge kontaktiert werden, was beim Aufladen von Kondensatoren zu Überspannungspfaden führen kann.
Während ICs normalerweise Schutzstrukturen enthalten, um Schäden durch Bedienung und Montage zu vermeiden, sind diese Strukturen nicht dafür ausgelegt, große Energiemengen in Verbindung mit externen Kondensatoren zu bewältigen. Es ist daher angeraten, äußere Schutzvorrichtungen vorzusehen. Bild 2 zeigt mehrere Schutzstufen für Schalter und IC.
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Um energiereiche Spannungsdifferenzen zwischen den Zelleneingängen zu vermeiden, können für jeden Zelleneingang Zener-Dioden (6,2 V / 500 mW) hinzugefügt werden. Diese Dioden verteilen sichere Spannungen auf fehlende Eingänge, wenn beim Anschließen der Zellen die Eingangskontakte schließen. Sie tragen auch den Einschwingstrom, der durch die RC-Filterabschnitte entsteht. Die 6,2-V-Spezifikation der Zener-Diode ist hoch genug gewählt, um den Leckstrom des Akkus auf wenige Mikroampere zu begrenzen, aber niedrig genug, um das IC zu schützen.
Wenn der Baustein mit Spannung versorgt ist, können bei bestimmten Anschluss-Sequenzen hohe Momentanspannungen an allen Filter-Widerständen anliegen. Der größte Teil dieser Spannung wird an die Gate-Source-Strecke des dazugehörigen MOSFETs angelegt. Aus diesem Grund werden Gate-Widerstände (3,3 kΩ) zusammen mit einer Clamp-Schaltung für jeden MOSFET empfohlen. Die Clamp-Schaltung ist normalerweise im Transistor enthalten – wenn nicht, kann eine separate Zener-Diode diesen Schutz bieten. In diesem Fall sollte die Zener-Gate-Spannung so gewählt werden, dass die UGS-Spezifikation des MOSFET nicht überschritten wird. In Bild 2 ist die Diode so gewählt, dass sie mit UGS des angegebenen MOSFET übereinstimmt. Der Gate-Widerstand begrenzt den Einschwingstrom zwischen Gate und Zener-Diode und dem Steuer-Pin des IC auf ein sicheres Niveau, ohne eine Verzögerung des Systems zu verursachen.
Details des Referenzdesigns
Bild 3 zeigt die vollständige Schaltung für den Anschluss einer Gruppe von zwölf in Serie geschalteten Lithium-Ionen-Zellen an den LTC6802-1-Monitor. Akkumodule mit mehr Zellen benötigen ggf. mehrere dieser Schaltungen und zusätzlich einen Mikroprozessor und/oder einen diskreten Daten-Transceiver.
Die Schaltung zeigt auch die Daten-Ports, deren Beschaltung eine hohe Zuverlässigkeit gegenüber Einschaltüberspannungen und ESD-Ereignissen gewährleistet, die während Produktion oder Wartung des Fahrzeugs entstehen können. Der untere SPI-Port verwendet einen StandardÜberspannungsschutz, der sich beim Abklemmen der Logikleitungen wie eine niedrig-kapazitive Zener-Diode verhält. Die gezeigten Serien-Widerstände schützen gegen kurze Überlasten und sorgen bei lang anhaltender Überlastung für einen sicheren „fail open“-Zustand. Positive Überlasten am oberen SPI-Port werden von Schottky-Dioden am höchsten Zellenanschluss festgeklemmt, 600-VDioden schützen vor negativen Überlasten, die während der Montage- oder Wartungsphasen relativ häufig vorkommen können. Auch hier begrenzen Serien-Widerstände den Port-Strom – sie werden im Fall eines schweren Fehlers zum Schutz des Bausteins „geopfert“.
Kosten und Komplexität von hochwertigen Datenerfassungs- und Zellenausgleichssteuerelementen für Lithium-Ionen-Akkus können durch die LTC6802-Zellenüberwachungs-Plattform reduziert werden. Diese integrierte Problemlösung bietet eine Reduzierung der Bauteile, wodurch eine höhere Zuverlässigkeit erreicht werden kann. sj
 | Jon Munson, BSc., studierte Elektrotechnik und Informatik an der Santa Clara University. Bei Linear Technology betreut er als Senior Applications Engineer die Produktlinie Signal Conditioning. |
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- Hot-Plug-Implikationen
- Überlegungen zur BMS-Architektur
