Überwachungssystem für Lithium-Ionen-Akkus
Schutz vor Überladung
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Überlegungen zur BMS-Architektur
Um die Ladedynamik von HEV-/EV-Akkus einschließlich Entlade- und Auflade-Modus nachzuvollziehen, tastet die Akku-Überwachungselektronik alle Zell-Spannungen mindestens 50 Mal pro Sekunde ab und erzeugt so für ein Akku-System aus 96 Zellen einen Datenfluss von etwa 60 kbit/s. Aufgrund der Leistungsfähigkeit typischer Mikroprozessoren und zusätzlich benötigter Reserve liegt es nahe, die Verarbeitung auf Modul-Ebene durchzuführen und den Datenverkehr auf Fehleranzeigen, vorverarbeitete Informationen über den Ladezustand und andere „vorverdauten“ Lade-Informationen und Kontrollsignale zu begrenzen.
Auch die Anordnung der Akku-Zellen muss bedacht sein, da Größe und Gewicht Auswirkungen auf die Betriebsfähigkeit und die Verteilung innerhalb des Fahrzeugs haben. Die Aufteilung der Akkus auf Module kann zur Gewichtsverteilung im Fahrzeug angewendet werden und so für eine einfachere Handhabung sorgen. Die Modulgröße muss für den HEV-/EV-Markt ausgelegt werden, da kleinere Bauweisen sowohl die Kosten als auch die Komplexität des Kabelbaums erhöhen.
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Datenerfassungsmethoden
In den Modulen werden Schaltungen zur Zellspannungs-Messung und -Steuerung benötigt. Da jede Zellspannung entlang des Akku-Elektrodenstrangs ein zunehmend höheres Potential hat, wäre die klassische Methode zur Erfassung der Zellenspannung die Verwendung eines Gleichtakt-Differenzverstärkers für jede Zelle. Dessen Ausgangssignal wird durch einen Analog/Digital-Wandler (ADC) digitalisiert. Die hohen Gleichspannungen an den Differenzverstärkereingängen begrenzen die Genauigkeit. Für einen leistungsfähigen monolithischen Differenzverstärker wie den LT1991A beträgt das typische Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (Common Mode Rejection Ratio, CMRR) 90 dB.
Eine Auflösung von 12 bit ist bis etwa 50 Volt Gleichtakt-Eingangsspannung oder zwölf Lithium-Ionen-Zellpotentiale verfügbar. Dies entspricht der Eingangsspannungs-Verträglichkeit des LT1991A, womit die Messwerte einer Gruppe von zwölf Zellen verarbeitet werden können. Diese Schaltung kann beliebig skaliert werden, um die gewünschte Zahl von Zell-Messwerten zu erfassen.
Weitere Anforderungen, wie niedrige Leerlaufleistung und symmetrische Entladung, sind mit einer integrierten Überwachung, z.B. mit dem LTC6802, zu erfüllen. Dieser Monitor für mehrere Zellen führt eine 12-bit-Digitalisierung durch für bis zu zwölf in Serie geschaltete Akkuzellen und enthält Zellenausgleichs-Steuerelemente und zusätzliche ADC-Eingänge zur Temperaturmessung. Der ADC LTC6802 ist nicht von Widerstandsnetzwerken abhängig; er liefert eine gleich bleibende Ladung für jede Zelle. Er enthält eine Mikrocontroller-Schnittstelle und ermöglicht es, alle BMS-Algorithmen per Software zu steuern. Eine Version enthält einen SPI-Port, der kaskadiert werden kann, wodurch gestapelte Zellgruppen über einen einzigen SPI-Port angesprochen werden können. Bild 1 zeigt die Grundstruktur eines HEV-/ EV-Moduls mit hoher Zellenzahl, das auf diese Weise umgesetzt wurde.
Zellenausgleichs-Schaltung
Der Zellenausgleich bei der heutigen Generation von BMS-Designs wird passiv über Ausgleichswiderstände ausgeführt. Der Stromausgleich erfolgt dabei durch Transistoren, die außerhalb des Monitor-ICs liegen. Dies sorgt für ausreichend Strom und vermeidet eine Aufheizung des Dies, die die Genauigkeit beeinträchtigen könnte. Bild 2 zeigt eine typische Akku-Eingangsschaltung für den LTC6802 einschließlich eines PMOSFET-Schalters und eines Ausgleichswiderstandes mit weiteren passiven Bauelementen für Filterung und Schutz.
Die Steuerung der Zellenausgleichs-Schalter erfolgt über einen Befehl vom Mikrocontroller an das Monitor-IC. Um die Genauigkeit zu erhöhen, kann das Monitor-IC die Zellenausgleichs-Schalter während der A/D-Umsetzung öffnen, um sicherzustellen, dass ohmsche Spannungsabfälle in den Zellverbindungen minimiert werden und somit präzise Messungen jedes getesteten Zellpotentials ermöglicht werden. Im Ruhezustand öffnet das Monitor-IC automatisch alle Ausgleichsschalter und geht in den Energiesparmodus, um eine versehentliche Akku-Entladung zu verhindern.
Die Ausgleichsschalter können auch zum Selbsttest verwendet werden, indem, wie in Bild 2 dargestellt, ein Widerstand in Serie mit den Akku-Eingängen hinzugefügt wird. Wenn der Schalter geschlossen ist, zeigt der Zellmesswert eine vorhersehbare Spannungsänderung und liefert so eine Bestätigung für das Funktionieren von Schalter und ADC-Port. Diese Möglichkeit erfordert, dass der Zellenausgleichs-Schalter während der A/D-Umsetzung aktiv ist. Beim LTC6802 erfolgt dieser Selbsttest über einen einfachen Konfigurationsbefehl.
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- Hot-Plug-Implikationen
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