Optimierung von Li-Ionen-Batterien Smartes Management

Bild 1: Batteriearchitektur mit 96 Zellen und dem zwölfkanaligen Mess-IC LTC6811
Bild 1: Batteriearchitektur mit 96 Zellen und dem zwölfkanaligen Mess-IC LTC6811

Durch die hohe Genauigkeit der BMS-Hardware-Plattform von Analog Devices ist es möglich, sowohl die Leistung als auch die Lebensdauer einer Batterie zu maximieren. Aktiver und passiver Zellenausgleich erlauben ein sicheres und effizientes Batteriemanagment.

Lithium-Ionen-Batterien sind gut geeignet, um Energie in elektrischen und hybriden Fahrzeugen zu speichern. Diese Batterien weisen die höchste aller derzeit industriell gefertigten Batterietechnologien auf. Aber um die höchste Leistung zu erhalten, ist ein Batterieüberwachungssystem (BMS) unerlässlich. Ein modernes BMS erlaubt nicht nur das Extrahieren des letzten Quäntchens Leistung aus der Batterie, sondern managt auch die Lade- und Entladezyklen auf sichere Weise, was in einer längeren Lebenszeit resultiert.

Hauptaufgabe des BMS ist es, jede einzelne Zelle in einer Batterie innerhalb ihres SOA (Safe Operation Area) zu halten. Um dies zu tun, bedarf es zumindest der Messung folgender physikalischer Größen: Batterieladung und Entladestrom, Spannung der einzelnen Zellen sowie Temperatur der Batterie. Basierend auf diesen Größen lässt sich die Batterie nicht nur sicher betreiben, sondern auch der Ladezustand (State of Charge = SOC) und ihr „Gesundheitszustand“ (State of Health = SOH) berechnen.

Eine weitere Funktion, die das BMS bietet, ist der Zellenausgleich. In einer Batterie können die Zellen sowohl parallel als auch in Reihe geschaltet sein, um damit die erforderliche Kapazität und Betriebsspannung (bis zu 1 kV und höher) zu generieren. Zwar tun die Batteriehersteller ihr Bestes, um Batterien mit identischen Zellen zu produzieren, dies ist jedoch physikalisch nicht immer möglich. Selbst kleine Unterschiede führen zu unterschiedlichen Lade- oder Entladezuständen. Dabei beeinträchtigt die schwächste Zelle in der Batterie deren Gesamtleistung. Ein Zellenausgleich ist deshalb erforderlich, damit die Batterie sicher und bei ihrer größten Kapazität arbeitet. Dazu wird im Folgenden eine flexible Hardware-Plattform vorgestellt, die in unterschiedlichen Architekturen konfiguriert werden kann.

BMS-Architekturen

In einem Elektrofahrzeug besteht die Batterie aus mehreren in Reihe geschalteten Zellen. Eine typische Batterie mit 96 in Reihe geschalteten Zellen kann, wenn sie mit 4,2 V geladen wird, eine Gesamtspannung von über 400 V haben. Noch höhere Spannungen lassen sich durch das Verbinden von noch mehr Zellen erzeugt. Während Lade- und Entladestrom für alle Zellen gleich sind, bedürfen die Spannungen an jeder einzelnen Zelle der Überwachung.

Um die erforderliche hohe Anzahl an Zellen für die Batterien in Automobilsystemen beherbergen zu können, werden die Batterien häufig in Module aufgeteilt und über die verfügbaren Plätze im Fahrzeug verteilt. Mit 10 bis 24 Zellen in einem typischen Modul sind diese in unterschiedlichen Konfigurationen einsetzbar, um mehrere Fahrzeug-Plattformen zu versorgen. Ein modulares Design ist dabei als Basis für sehr große Batterien einsetzbar. Es erlaubt, die Batteriepakete über größere Bereiche zu verteilen, um den Raum effektiver nutzen zu können.

Analog Devices hat eine Familie von Batterieüberwachungsbausteinen (AD7284 – acht Zellen, LTC6811 – zwölf Zellen, LTC6813 – 18 Zellen, weitere werden folgen) entwickelt, die bis zu 18 in Reihe geschaltete Zellen messen können. Bild 1 zeigt eine typische Batterie mit 96 Zellen, aufgeteilt in acht Module mit je zwölf Zellen. In diesem Fall ist der Batterieüberwachungs-IC der LTC6811 für zwölf Zellen. Sein Zellen-Messbereich reicht von 0 bis 5 V, wodurch sich der IC für die meisten Batteriearten eignet.