Anspruchsvolle Batteriemanagementsysteme Genau messen

Hochleistungsbatterien

Hochleistungsbatterien besitzen mehrere Anschlüsse und Stromschienen, deren Temperaturen sich ebenfalls mithilfe von Thermistoren mit hoher Isolationsspannung überwachen lassen. Eine hohe Isolationsspannung verhindert, dass die mit niedriger Spannung betriebenen Mess- und Controllerschaltungen mit der hohen Batteriespannung in Berührung kommen und Schaden nehmen.

Einer von Vishays beliebtesten Thermistoren für solche isolierten Oberflächentemperaturmessungen ist der NTCALUG01T mit einer garantierten Lebensdauer von 10.000 Stunden bei 150 °C und einer Isolationsspannung von 2,7 kV. Eine Alternative für Oberflächentemperaturmessungen an metallenen Objekten ist der Thermistor NTCALUG02 mit einem niedrigen Temperaturgradienten von weniger als 0,05 K/K.

Bei Batteriemanagementsystemen von EV/HEV-Fahrzeugen sind verschiedene Temperaturüberwachungsstrategien möglich. Welche davon die zweckmäßigste ist, hängt hauptsächlich von den Eigenschaften der Batterie und den Algorithmen des Controller-IC ab (Bild 2).

Nicht nur die Temperatur kann sich negativ auf ein Batteriemanagementsystem und den SoH von Batteriezellen auswirken. Auch Strom und Spannung der Batterie müssen kontrolliert und gesteuert werden, um das System weiter zu optimieren. Einerseits ist es notwendig, den Batteriestrom während des Lade-/Entladezyklus zu überwachen, um einem Überhitzen der einzelnen Zellen vorzubeugen. Andererseits kann ein Überstrom auf ein Problem an einer anderen Stelle der Schaltung oder auf eine beschädigte Zelle hindeuten. In beiden Fällen kann das BMS gegensteuern, um das Gesamtsystem funktionsfähig zu erhalten und Folgeschäden zu vermeiden. Zur Messung des Batteriestroms wird in der Regel ein im Stromkreis liegender, für Betriebstemperaturen von –55 °C bis +170 °C spezifizierter Shunt-Widerstand verwendet.

Üblicherweise haben Shunt-Widerstände (Bild 3) Werte von 50 µΩ bis 1 Ω und Nennbelastbarkeiten von <0,1 W bis 36 W und liegen im Hauptstrompfad der Batterie. Der durch den Widerstand fließende Strom ruft eine Spannung über dem Widerstand hervor, aus welcher der Strom nach dem Ohmschen Gesetz (I = U/R) berechnet wird. Durch den Strom erwärmt sich der Shunt-Widerstand, weshalb dessen Temperaturkoeffizient (TCR) mitentscheidend für die Genauigkeit der Strommessung ist. Um der Erwärmung und anderen Nebeneffekten entgegenzuwirken und somit die Messgenauigkeit zu verbessern, lässt sich ein Kelvin-Widerstand mit vier Anschlüssen einsetzen. Er verringert die Auswirkungen von Temperaturänderungen sowohl der Anschlüsse als auch des Widerstandselements. Fahrzeugbatterien liefern immer höhere Spannungen, die das mit niedrigerer Spannung betriebene Batteriemanagementsystem nicht direkt messen kann. Deshalb ist es notwendig, zunächst die Batteriespannung zu reduzieren. Am einfachsten erreicht man das mithilfe eines Spannungsteilers. Deshalb hängt die Dimensionierung der Spannungsteilerschaltung von der Batteriespannung, dem gewünschten Teilungsverhältnis, der zulässigen Verlustleistung und den für zuverlässige Isolation erforderlichen Kriechstrecken ab.

Bei einem Spannungsteiler für 500 V Eingangsspannung wird man R1 in der Regel als eine Serienschaltung aus fünf bis sieben diskreten Widerständen implementieren müssen, um die nötige Kriechstrecke zu erzielen. Mit zunehmender Anzahl von Widerständen sinkt aufgrund der Toleranzen und Temperaturkoeffizienten der Widerstände die Genauigkeit der Ausgangsspannung. Zur Verbesserung der Gesamtgenauigkeit verwendet man an dieser Stelle üblicherweise Präzisions-Dünnschichtwiderstände.