Anspruchsvolle Batteriemanagementsysteme Genau messen

Bild 1: Widerstandswert eines NTC-Widerstands über der Temperatur
Bild 1: Widerstandswert eines NTC-Widerstands über der Temperatur

Ob nun für Power-Tools, E-Bikes oder Elektrofahrzeuge: Entscheidend für die Leistung eines Batteriemanagementsystems ist die Genauigkeit der Temperatur-, Strom- und Spannungs-überwachung. Eine entscheidende Rolle spielen dabei unter anderem NTC-Thermistoren und Shunt-Widerstände.

Ein Batteriemanagementsystem (BMS) hat unter anderem die Aufgabe, Spannung, Stromstärke und Temperatur der Batteriezellen oder des Batteriesatzes genau zu messen und zu überwachen. Die Temperaturüberwachung ist wichtig, um die optimale Funktionsfähigkeit sowohl der Zellen als auch des BMS selbst zu erhalten und den „Gesundheitszustand“ (SoH, State of Health) zu optimieren, indem es der Zersetzung insbesondere in den Phasen des schnellen Ladens und Entladens vorbeugt.

Üblicherweise wird zur Temperaturbestimmung die Spannung eines temperaturabhängigen Bauteils gemessen, oft mit Thermistoren oder RTDs (Resistance Temperature Detectors). Auch andere Technologien sind geeignet, aber aufwändiger: Thermoelemente erfordern eine Kaltstellenkompensation und eine ordnungsgemäße Abschirmung bei Millivoltmessungen, während Dioden- und BJT-Sensoren eine Konstantstromerregung benötigen.

Zu den entscheidenden Vorteilen der NTC-Thermistoren zählen ihre hohe Empfindlichkeit und Genauigkeit, verbunden mit einem hervorragenden Preis-Leistungs-Verhältnis und einer Verfügbarkeit in vielfältigen Ausführungen. Dadurch eignen sich NTC-Thermistoren besonders gut für berührende Temperaturmessungen an einzelnen Punkten oder ganzen Bereichen. Thermoelemente werden häufig während der Entwicklungsphase eingesetzt.

Um aus der Batterie das Optimum herauszuholen, benötigen Managementsysteme für Hochleistungsbatterien mehrere Temperatursensor-Eingänge, weil sich die einzelnen Zellen des Batteriesatzes je nach Lade-/Entlade-Bedingungen unterschiedlich stark erwärmen können.

Ein NTC-Thermistor (NTC = Negative Temperature Coefficient) ist ein Bauteil, dessen elektrischer Widerstand mit zunehmender Temperatur gemäß einer nichtlinearen, annähernd exponentiellen Kennlinie abnimmt; siehe dazu Bild 1 und Gleichungen (1) und (2).

Als besonderer Vorteil hat sich erwiesen, dass NTC-Thermistoren mit verschiedenen Nennwiderstandswerten (R25) und Steigungen (B-Wert) herstellbar sind, darüber hinaus in vielen unterschiedlichen Bauformen, von SMD-Bauformen auf einer Leiterplatte bis hin zu hochisolierten Oberflächensensoren, die sich an das Messobjekt anschrauben oder sogar anschweißen lassen. Vishay führt NTC-Thermistoren in mehreren Bauformen im Angebot (Tabelle 2), die es ermöglichen, die Batterietemperatur mit größtmöglicher Genauigkeit und Reproduzierbarkeit zu messen.