Batteriemanagementsystem Höchste Genauigkeit und höchstes Sicherheitsniveau

Funktionales Diagramm des BQ79606A-Q1

Die Zahl von EVs/HEVs steigt und damit auch der Bedarf an Batteriemanagementsystemen (BMS). Das richtige Management und eine umfassende Kontrolle der Batterie sind entscheidende Voraussetzung, um die Sicherheit von E-Fahrzeugen zu garantieren und eine möglichst große Reichweite zu erreichen.

Da die Marktentwicklung steigende Umsätze erwarten lässt, gibt es diverse Halbleiterhersteller, die Batteriemanagement-ICs im Produktspektrum führen. Jeder Hersteller verspricht Besonderheiten der eigenen Produkte, doch alle weisen zwei Gemeinsamkeiten auf: Alle setzen auf passives Balancing und betonen die Wichtigkeit von Sicherheitsanforderungen (bis ASIL D).

Analog Devices

Analog Devices (ADI) stellt mit seiner Familie LTC6810–13 (LTC6810, LTC6811 und LTC6813) eine skalierbare Batterieüberwachungs-Lösung zur Verfügung, die mit 6/12/15/18 Spannungseingängen alle gängigen Anwendungsfälle abdeckt. »Die Bausteine verfügen mit einem Gesamtfehler von nur 2,2 mV über die höchste tatsächlich erzielbare Genauigkeit im Markt«, erklärt Uwe Bröckelmann, Technical Director EMEA von Analog Devices. Und weiter: »Die Daisy-Chain ist als ISO-SPI-Schnittstelle aufgeführt, kann bis zu 100m robust übertragen und ist mit kostengünstigen Übertragern isolierbar, was die üblichen Applikationsprobleme mit Isolationskondensatoren vermeidet.« Beim 6810/12/13 ist die Übertragung sogar bidirektional möglich, um Leitungsbrüche zu umgehen. Mit dem LTC6820 ist auch ein ISO-SPI-zu-SPI-Umsetzer für das Anbinden an ein BMS vorhanden. Die Bausteine sind nach ISO 26262 entwickelt und bieten entsprechende Diagnosefunktionen.

Hieß es früher noch, dass die Reichweite von elektrisch angetriebenen Autos mit aktivem Ladungsausgleich (aktives Balancing) erhöht werden kann, reicht heute ein passives Balancing aus. Hierzu erklärt Bröckelmann: »Passive Ladebilanzierung ist die gebräuchliche Methode im Markt zum Ausgleich von Zellunterschieden bei Lade- und Entladeeffizienz, die sowohl herstellungsabhängig, aber auch temperaturabhängig sind. Weiterhin ist auch die Zellkapazität herstellungsabhängigen Schwankungen sowie Alterungseffekten ausgesetzt. Beim Einsatz von Automotive-Zellen der etablierten Hersteller kann die Streuung dieser Parameter so gering gehalten werden, dass Schwankungen mit passiver Ladebilanzierung im Bereich 50 bis 300 mA hinreichend sind. Diese wird von unseren Überwachungsbausteinen ohne die Notwendigkeit externer Entlade-Transistoren unterstützt.«

Geht es nicht um den Automotive-Markt, sondern ganz allgemein um batteriebetriebene Geräte, sieht die Situation anders aus. Laut Bröckelmann können die Zellen in diesem Fall in ihren Parametern stärker voneinander abweichen, und das schon am Anfang, aber vor allem über die Nutzungszeit. Dies ist ein Grund, warum hier oft eine aktive Bilanzierung in Betracht gezogen wird. Bröckelmann weiter: »Ein zweiter wichtiger Punkt für die aktive Bilanzierung ist die Verwendung von Zellen im sogenannten 2nd Life, also nachdem die Batteriekapazität zu stark für den Einsatz im Fahrzeug abgenommen hat. Hier ist die Degeneration der Zellen schon weiter fortgeschritten und Bilanzierungsströme größer als 300 mA sind erforderlich, um die Zellen einander anzugleichen. Dies kann bei geschickter Auslegung die weitere Lebensdauer eines solchen Systems erheblich verlängern.« Auch für diese Anwendungen gibt es von ADI Bausteine: LTC3300 und LT8584 für Li+ und den LTC3305 für Bleibatterien mit aktiver Bilanzierung.

SOC (State of Charge) und SOH (State of Health) sind wichtige Batterieparamater, aus Bröckelmanns Sicht wird jedoch oft ein dritter wichtiger Faktor vergessen, und zwar SOF (State of Function). »SOF beschreibt, wie abhängig von der aktuellen Vorgeschichte die Batterie mit Energie beaufschlagt werden kann bzw. wie viel Energie abgefordert werden kann – also wie viel Energie pro Zeit«, so Bröckelmann. Je besser die Parameter Zellspannung, Zellstrom sowie Temperatur erfasst werden können, desto besser funktionieren die darüber liegenden Batterie-Algorithmen zur Bestimmung von SOC, SOH und SOF.