Optimierung von Li-Ionen-Batterien

Smartes Management

4. Juni 2019, 9:51 Uhr | Von Cosimo Carriero, Field Application Engineer, Analog Devices

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Simultane Zellenüberwachung

Mehrere Bausteine lassen sich in Serie schalten, was die simultane Zellenüberwachung von langen Batterieketten mit hoher Spannung ermöglicht. Die Bausteine haben einen passiven Ausgleich für jede Zelle. Über eine isolierte Barriere werden die Daten übertragen und vom Systemcontroller gesammelt, der für die Berechnung des Ladungszustands, Steuern des Zellenausgleichs, Prüfen des Gesundheitszustands und dafür zuständig ist, dass das gesamte System innerhalb seiner Sicherheitsgrenzen bleibt.

Um eine verteilte modulare Topologie innerhalb der anspruchsvollen EMV-Umgebung eines EV/HEV zu unterstützen, ist ein robustes Kommunikationssystem erforderlich. Sowohl der isolierte CAN-Bus als auch isoSPI von ADI bieten Lösungen für die Verbindung der Module in dieser Umgebung. Der Erfolg des CAN-Bus in Automobilapplikationen bietet ein gut etabliertes Netzwerk zur Verbindung von Batteriemodulen, benötigt aber eine Reihe von zusätzlichen Komponenten. So erfordert das Implementieren eines isolierten CAN-Bus über das SPI-Interface des LTC6811 zusätzlich einen CAN-Transceiver, einen Mikroprozessor und einen Isolator. Fazit: Hauptnachteil eines CAN-Bus sind die zusätzlichen Kosten und größere Leiterplattenfläche, die für diese Elemente nötig sind. Bild 2 zeigt eine mögliche, auf CAN basierende Architektur. In diesem Fall sind alle Module parallel verschaltet.

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Eine Alternative für den CAN-Bus ist die Zweidraht-Schnittstelle isoSPI von ADI. In jedem LTC6811 integriert, nutzt das isoSPI-Interface einen einfachen Trafo und nur ein einziges verdrilltes Leistungspaar, im Gegensatz zu den vier Leitungen, die für den CAN-Bus nötig sind. Dem Anwender wird mit der isoSPI-Schnittstelle eine hohe HF-Immunität geboten, wodurch es möglich ist, Module in einer Reihe mit langen Kabeln verbunden und mit Datenraten von bis zu 1 Mbit/s zu betreiben. Bild 3 zeigt die Architektur von isoSPI mit einem CAN-Modul als Gateway.

Es gibt bei den beiden in den Bildern 2 und 3 dargestellten Architekturen Vor- und Nachteile. CAN-Module sind Standard und können zusammen mit anderen CAN-Subsystemen am gleichen Bus betrieben werden. Dagegen ist der isoSPI-Bus proprietär und die Kommunikation kann nur mit Bausteinen desselben Typs erfolgen. Andererseits erfordern isoSPI-Module keine zusätzlichen Transceiver und die MCU, um den Software-Stack abzuarbeiten, was in einer kompakteren und einfacher einzusetzenden Lösung resultiert. Beide Architekturen sind leitungsgebunden. Kabel sind jedoch eine häufige Ursache für Probleme in einem BMS, das Verlegen beansprucht Raum und begrenzt die Flexibilität beim Platzieren der Module. Sie sind auch anfällig für Rauschen in der Batterieumgebung, was dazu führt, dass eine zusätzliche Filterung notwendig wird.