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 3

Eine gute Technik

Eine gute Technik muss alle diese Faktoren berücksichtigen, um die höchstmögliche Leistung aus der Batterie zu erzielen. Die Messgenauigkeit eines IC ist primär durch die Spannungsreferenz begrenzt. Spannungsreferenzen reagieren empfindlich auf mechanischen Stress. Thermische Zyklen beim Löten auf der Leiterplatte stressen das Silizium. Feuchtigkeit ist ein weiterer Grund für den Stress des Silizium-Chips, da Wasser vom Gehäuse absorbiert wird. Zwar entspannt sich der Stress des Siliziums mit der Zeit, was aber zu Langzeitdrift der Spannungsreferenz führt. BMS-ICs nutzen entweder eine Spannungsreferenz mit Bandlücke oder eine mit Zener-Diode. IC-Entwickler verwenden einen NPN-Emitter-Basis-Anschluss, der mit Durchbruchspannung als Zener-Referenz betrieben wird.

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Der Durchbruch tritt auf der Oberfläche des Chips auf, wo die Auswirkungen von Kontaminationen und Oxid-Ladungen am stärksten auftreten. Diese Verbindungen sind verrauscht und leiden unter unvorhersagbarer Kurz- und Langzeitdrift. Eine vergrabene Zenerdiode platziert diese Verbindung unter die Oberfläche des Siliziumchips, weit weg von Kontaminations- und Oxid-Effekten. Dies resultiert in einer Zener-Referenz mit einer hervorragenden Langzeitstabilität, geringem Rauschen und relativ akkurater Anfangstoleranz. Aus diesem Grund sind Zener-Referenzen beim Mindern von Effekten der realen Umgebung über die Zeit anderen Methoden weit überlegen.

Analog Devices LTC68xx-Familie nutzt eine Zener-Referenz in Laborqualität, eine Technologie, die das Unternehmen seit 30 Jahren einsetzt. Bild 6 zeigt die Drift des Messfehlers des BMS-IC über die Temperatur für fünf typische Einheiten. Die Drift im vollen Automobil-Temperaturbereich von –40 bis +125 °C liegt unter 1 mV, was ein sehr stabiles Verhalten belegt.

Bild 7 zeigt einen Vergleich zwischen der Langzeitdrift für einen Spannungsreferenz-IC mit Bandlücke und vergrabener Zener-Diode. Kalibriert sind die Anfangsmessungen auf einen Fehler von 0 mV. Von der Drift des Messwerts nach 3000 h bei 30 °C wird die Drift nach zehn Jahren abgeleitet. Wie das Bild zeigt, ist die Stabilität der Zener-Referenz über die Zeit mindestens fünfmal besser als die der Bandlücken-Referenz. Ähnliche Tests bezüglich Feuchte und mechanischem Stress auf der Leiterplatte zeigten ebenfalls die herausragende Leistung der vergrabenen Zener-Diode gegenüber der Bandlücken-Spannungsreferenz.

Ein weiterer die Genauigkeit begrenzender Faktor ist Rauschen. Eine Autobatterie ist wegen der elektromagnetischen Interferenzen vom Elektromotor, den Wechselrichtern, DC/DC-Wandlern und anderen Hochstrom-Schaltsystemen in einem EV/HEV eine sehr raue Umgebung für Elektronik. Aus diesem Grund sollte das BMS deshalb eine sehr gute Rauschunterdrückung haben, um eine sehr hohe Genauigkeit zu erhalten. Um unerwünschtes Rauschen zu reduzieren, ist Filtern die klassische Methode; allerdings gilt es einen Kompromiss zwischen der Rauschunterdrückung und der Wandlungsgeschwindigkeit zu finden.

Wegen der großen Anzahl an Zellenspannungen, die gewandelt und übertragen werden müssen, darf die Wandlungsgeschwindigkeit nicht zu langsam werden. SAR-Wandler können die bevorzugte Wahl sein, aber in einem gemultiplexten System ist die Geschwindigkeit von der Einschwingzeit des gemultiplexten Signals begrenzt. In diesem Fall können Sigma-Delta-Wandler eine geeignete Alternative sein.