Maximierte Performance und Sicherheit Monitoring von Li-Ionen-Akkusätzen

Li-Ionen-Akkusatz
Li-Ionen-Akkusatz

Lithium-Ionen-Akkus versprechen dramatische Verbesserungen in der Reichweite elektrischer und hybrid-elektrischer Fahrzeuge. Dieser Fortschritt erfordert neue Halbleiter-Bauelemente wie den ISL78600 von Intersil - eine neue Generation von Monitoring- und Symmetrierungsschaltungen für Li-Ionen-Zellen. Sie müssen die Li-Ionen-Zellen überwachen und richtig steuern, um die versprochene Leistungssteigerung zu realisieren. Sonst bleibt ein Fahrzeug mit einer nominellen Fahrleistung von 200 km pro Akkuladung schon nach 180 km stehen.

Lithium-Ionen-Akkusätze für elektrisch angetriebene Automobile sind hochstromfähig. Sie bestehen aus einer großen Anzahl einzelner Zellen und stellen auch ganz neue Sicherheitsbedingungen. Um den Status jeder Zelle kontinuierlich zu ermitteln, werden vielfach IC-basierte Überwachungsschaltungen eingesetzt. Dazu müssen alle Überwachungselemente untereinander mit absoluter Zuverlässigkeit kommunizieren - keine leichte Aufgabe in einer Umgebung mit starken elektromagnetischen Interferenzen (EMI).

Die vier wichtigsten Anforderungen für Li-Ionen-Überwachungsssysteme sind:

  • Genauigkeit - Das Überwachungssystem muss den Ladestatus jeder einzelnen Li-Ionen-Zelle so genau überwachen, dass der Akkusatz mit seiner maximalen Leistung arbeiten kann. Wie genau die Überwachung tatsächlich sein muss, hängt vom verwendeten Zelltyp ab.
  • Gründliche Diagnose - Neben der Überwachung des Zellenstatus muss das Überwachungssystem kontinuierlich auch seine eigene Funktion überprüfen, um sicherzustellen, dass jede Komponente mit der erwarteten Genauigkeit arbeitet.
  • Robuste Kommunikation - Alle Teile des Überwachungssystems müssen ihre Operationen miteinander abstimmen. Dazu müssen sie zuverlässig kommunizieren. Das ist eine Forderung, die die meisten konventionellen Kommunikationsverfahren in dieser stark störungsbelasteten Umgebung überfordert.
  • Sicherheit - Durch angemessenes Management der Li-Ionen-Zellen werden Ausfälle und Sicherheitsprobleme vermieden. Wenn Fehler auftreten, muss das Akkumanagementsystem die vorgesehene Aktion auslösen und zugleich einen falschen Alarm ausschließen.

Obwohl Halbleiterhersteller seit vielen Jahren ICs für das Management von Li-Ionen-Akkus anbieten, sind erst seit kurzem Bausteine auf dem Markt, die den besonderen Anforderungen großer Akkusätze in Automobilen gewachsen sind.

Zerstörung der Überwachungsschaltung verhindern

Bild 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Li-Ionen-Akkusatzes für ein Hy-bridfahrzeug. In diesem Beispiel besteht der Akkusatz aus acht Modulen mit je zwölf Zellen, insgesamt also 96 Li-Ionen-Zellen. In einem Modul sind die Zellen in Serie geschaltet, und jede Zelle ist mit einer Überwachungsschaltung verbunden.

Natürlich könnte ein Mikrocontroller für das Management aller Zellen eingesetzt werden. Doch die in Serie verschalteten Zellen führen für jedes Modul zu Spannungen von mehr als 50 V - zu viel zur direkten Verarbeitung in einem Mikrocontroller. Außerdem kann das Akkusystem Transienten mit Spannungsspitzen erzeugen, die ein Mehrfaches der nominalen Spannung des Akkusatzes ausmachen können. Die Schaltungen für die Zellensymmetrierung müssen derartige Überspannungen überleben - und manchmal unter ziemlich ungemütlichen Bedingungen arbeiten.

Der „Angriff“ auf sie beginnt, wenn der Akkusatz zum ersten Mal angeschlossen wird. Kostengesichtspunkte verbieten meist das Prinzip des Einschalt-Sequencing bei der Auslegung der Verbindungen. Der erste Fall, den die Monitoring-Schaltungen registrieren, ist ein zufälliges Verbindungsereignis beim Einschalten. Während die Überwachungs- schaltungen die daraus resultierende Überspannung leicht verkraften, steht die Toleranz gegenüber großen Strömen auf einem anderen Blatt.

Die Entladestromstärken zum Aufladen externer Kapazitäten in einem ungeschützten System können einige Ampere betragen. Diese Ströme fließen auf jeden Fall durch einige Teile der Elektronik, meist durch die Schaltungen zum Schutz gegen elektrostatische Entladungen (ESD) der angeschlossenen ICs. Sie können die ICs zerstören. In den meisten Fällen besteht der einzige praktikable Weg zur Begrenzung dieser Ströme in der Anordnung von Widerständen in Serie zu den Batterieanschlüssen.

Leider begrenzt der traditionelle Einsatz derartiger Widerstände meist die Genauigkeit der Überwachungsschaltungen. Denn Leckströme verursachen in den Widerständen Fehlerspannungen, die zu Ungenauigkeiten bei der Spannungsmessung der Überwachungsschaltung führen. Für hohe Messgenauigkeiten müssen die Leckströme klein und auf vorhersehbarem Wert gehalten werden. Konventionelle Eingangsschaltungen mit bipolaren Transistoren schaffen das kaum. Die neueste Generation von Überwachungsbausteinen verwendet daher eine Ladungstransfer-Architektur, die den Leckstrom besser abschätzt und damit die Messgenauigkeit ganz erheblich verbessert.