Batterie-Monitor-IC Messgenauigkeit von 0,04 Prozent

Der Hochspannungsbatterie-Monitor LTC6804 von Linear Technology misst Batteriespannungen mit einem maximalen Fehler von 0,04 Prozent in bis zu 290 µs.
Der Hochspannungsbatterie-Monitor LTC6804 von Linear Technology misst Batteriespannungen mit einem maximalen Fehler von 0,04 Prozent in bis zu 290 µs.

Eine Messgenauigkeit von 0,04 Prozent erreicht der neue Hochspannungsbatterie-Monitor LTC6804 von Linear Technology. Damit müssen die Anwender die Batterien nicht mehr stark überdimensionieren und sparen so erhebliche Kosten auf Systemebene.

Doch warum ist die hohe Genauigkeit überhaupt erforderlich? Das liegt an der flachen Endladekurve der Li-Ionen-Batterien. Vor allem im Ladebereich von 40 Prozent, unter die eine Li-Ionen-Batterie nicht sinken darf, und 90 Prozent, über die hinaus nicht geladen werden darf, fällt die Kurve nur sehr gering ab. Der Monitor-Baustein muss also im mV-Bereich messen, um die zur Verfügung stehende Kapazität der Batterie möglichst gut ausnutzen zu können. Keine einfache Aufgabe in einer Umgebung mit Spannungen bis über 60 V und vielen Störquellen.

Den limitierenden Faktor für die Genauigkeit der Messung stellt die Spannungsreferenz dar. »Es ist nicht gerade trivial, eine Spannungsreferenz zu realisieren, die sich beim Lötvorgang während der Chipmontage nicht ändert, sich über die Zeit und über Temperatur nicht verändert sowie unempfindlich gegen Biegungen, Vibrationen und starke Feuchtigkeit ist«, erklärt Erik Seoul, Vice President und General Manager der Signal Conditioning Products von Linear Technlogy. In der Vorgängergeneration, dem LTC6802, hatten die Ingenieure noch auf eine Refenrenz vom Band-Gap-Typ gesetzt, die eine Genauigkeit von 10 ppm/°C liefert. Damit muss aber die Kapazität der Batterie immer noch relativ hoch überdimensioniert werden. Deshalb haben die Ingenieure einen recht hohen Aufwand betrieben, um die Genauigkeit der Spannungsreferenz weiter zu erhöhen: Statt des Band-Gap-Typs findet jetzt eine tief vergrabene Zener-Referenz Einsatz. »Das bedeutet gegenüber dem LTC6802 zwar höhere Kosten, allein schon wegen der Fläche, die die Zener-Referenz benötigt, dafür können aber die Systemkosten deutlich sinken«, erklärt Erik Seoul. Die Genauigkeit ist tatsächlich beeindruckend: Die Hysterese über die Temperatur des neuen Bausteines ist gegenüber seinen Vorgängern mindestens fünf Mal besser. Die Langzeitstabilität über einen Messzeitraum von 3000 Stunden liegt zwischen -40 und +80 ppm. Die Vorgänger lagen nach 3000 Stunden zwischen -270 und +290 ppm. Die Temperaturdrift gibt LTC mit 3 ppm/°C an, die thermische Hysterese nach einem Lötvorgang bei 260 °C auf 100 ppm. Damit ist der Baustein auf eine Betriebsdauer von 15 Jahren ausgelegt.

Um von der hohen Genauigkeit der Referenz profitieren zu können, müssen auch die übrigen Subsysteme des Monitoring-Bausteins entsprechend ausgelegt sein. Schon in der ersten Generation, dem LTC6802, hatte LTC Delta-Sigma-Wandler eingesetzt. Jetzt hat LTC die Auflösung von 12 auf 16 Bit (100 µV LSB ) erhöht. Die Wahl fiel vor allem wegen der umfangreichen Filterfunktionen auf die Wandler vom Delta-Sigma-Typ. Denn die Inverter im Auto sorgen für starkes Rauschen, hier kommt es vor allem darauf an, die Signale trotz dieses Rauschens noch aufnehmen zu können. Außerdem lassen sich die Filtereigenschaften der Wandler programmieren, so dass sich die ICs ohne Hardware-Änderungen beispielsweise auf Autos mit 10-kHz- und 15-kHz-Inverter einfach anpassen lassen. Auf dem LTC6804 sind zwei Delta-Sigma-Wandler und zwei Multiplexer integriert. Weil die Wandler simultan arbeiten, lassen sich die Spannungen der Batteriezellen sehr schnell abtasten. Außerdem können so Spannungs- und Strommessungen (über eine GPIO-Leitung) innerhalb von 208 µs synchronisiert werden. Der Baustein misst Batteriespannungen im Bereich von 0 bis 5 V unabhängig vom chemischen Aufbau der Batterie. Um den verschiedenen Anforderungen von Genauigkeit und Geschwindigkeit zu entsprechen, kann der Anwender die Frequenz auf fünf verschiedene Werte zwischen 1,7 kHz und 27 kHz einstellen und erreicht damit Messzeiten zwischen 2908 und 290 µs. Ein weiterer Modus bei einer Frequenz von 26 Hz eliminiert EMI für eine periodische Kalibrierung.

Aktiver Abgleich

Die korrekte Regelung des Ladezustands jeder Zelle im System erfordert einen genauen Abgleich der Ladung jeder dieser Zellen. Hauptsächlich geschieht diese Regelung passiv, d.h. jede Zelle, die während des Lade-Prozesses ihre maximale Ladung erreicht hat, wird entladen, während der Rest in der Reihe weiterhin geladen wird, ohne die schwächere Zelle zu beschädigen. Der LTC6804 verfügt über interne MOSFETs für den Abgleich mit geringen Stromstärken und kann externe MOSFETs steuern, die mit höheren Stromstärken arbeiten. Diese Art der Regelung ist allerdings langsam und wenig effizient. Ein typischer Ausgleichsstrom bewegt sich im Bereich von 1 bis 5 Prozent der Zellenkapazität. Um 10 Prozent der Ladung einer 40 Ah Batterie abzuführen, benötigt ein Strom von 400 mA zehn Stunden. Ein stärkerer Strom von 2 A würde 8 W Wärme pro Zelle erzeugen. Für Batterien, die aus einer hohen Zahl an Zellen bestehen, erweisen sich diese Werte als nicht akzeptabel. Der LTC6804 bietet deshalb die Möglichkeit, die Zellen untereinander aktiv abzugleichen indem er Ladung zwischen den Zellen hin und her bewegt. Dadurch verringern sich die produzierte Wärme und die Ladezeit. Die Lebensdauer der Zellen erhöht sich, weil sie im Gleichtakt altern. LTC wird daher zukünftig den LTC3300 anbieten, der vom LTC6804 über SPI gesteuert den aktiven Abgleich übernimmt.