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Akku-Lade-ICs

Akkus auf den Zahn gefühlt

20. Mai 2010, 13:43 Uhr | John Wynne

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Überwachung der Zellen

Die Elektronik zur Überwachung der Zellen in einem String zeigt Bild 2. Jeder Lithium-Ionen-Zelle im Strang sind zwei Überwachungsschaltungen zugeordnet: ein primärer Monitor, bei dem es sich um einen ADC-Kanal handelt, der die Zellenspannung direkt in ein 12-bit-Wort umsetzt, und ein sekundärer Monitor. Der Sekundär-Monitor ist ein Fensterkomparator, der Abweichungen der Zellenspannung (positiv oder negativ) aufspürt. Die Primär-Monitore sind im 6-kanaligen AD7280, die Sekundär-Monitore im AD8280 mit ebenfalls sechs Kanälen integriert. Bei diesem Konzept handelt es sich um ein komplett redundantes Mess-System. Falls die primären Überwachungsbausteine (AD7280) zum Beispiel wegen eines Kommunikationsproblems ausfallen sollten, können die sekundären oder Backup-Monitore (AD8280) dennoch weiterarbeiten und die Sicherheit des Systems aufrechterhalten.

Die zwei Monitore übermitteln Informationen über den Zellenstatus über separate Daisy-Chain-Schnittstellen. Die Daisy-Chain des primären Monitors wird über den seriellen Port in den ADuC703x gespeist. Diese Daisy-Chain-Schnittstelle arbeitet bidirektional. So werden Bausteinadress- und Steuersignale vom Mikroconverter in die eine Richtung, resultierende Zellendaten wie einzelne Zellenspannungen und – falls erforderlich – Zellentemperaturen in die entgegengesetzte Richtung übertragen. Die Daisy-Chain-Schnittstellen der Bausteine AD8280 bieten Nur-Lese-Betrieb (Read Only), bei denen lediglich der Zellenzustand (Überspannung, Unterspannung, Übertemperatur) ausgelesen wird. Um eine Redundanz zu gewährleisten, wird dieser Datenstrom über ein FPGA direkt in einen GPIO-Port am BF50x eingespeist. Das FPGA dient dazu, die Daten aller Batterie-Strings in einer besser administrierbaren Single-Port-Schnittstelle zusammenzufassen und zum BF50x zu übermitteln. Jeder Mikroconverter kommuniziert auch mit dem Blackfin über die gleiche oder eine ähnliche FPGA-Anordnung.

Der Strom, der durch jeden Strang fließt, erzeugt eine kleine Spannung über dem Widerstand R_Shunt. Diese Spannung wird vom Strommesskanal des Mikroconverters erfasst. Auf ähnliche Weise wird die gesamte Stack- Spannung (U₂ in Bild 2) durch den Spannungsmesskanal über das Widerstandsteilerpaar R₁ und R₂ erfasst. Empfehlenswert ist auch, die Stack-Spannungsmessung zu duplizieren, indem man einen weiteren Mikroconverter sowie ein zusätzliches Widerstandsteilerpaar verwendet, um Messergebnisse zu vergleichen. Die Messergebnisse sollten innerhalb zulässiger Toleranzen gleich sein. Weitere Mikroconverter und Widerstandsteilerpaare können verwendet werden, um die Spannungen U₁ und U₃ in Bild 1 zu messen. Die Spannung U₃ wird primär vom Blackfin genutzt, um den Wechselrichter anzusteuern. Sie ist jedoch auch beim Einschalten nützlich, um die Vorladung der Wechselrichterkondensatoren zu überwachen. Auch der Zustand der drei Kontakte R_L1 bis R_L3 lässt sich mit U₃ zu Sicherheitszwecken bestimmen.