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 4

ADIs Mess-ICs

ADIs Mess-ICs verwenden Sigma-Delta-A/D-Wandler. Mit einem Sigma-Delta-Wandler wird der Eingang während einer Wandlung viele Male abgetastet und dann gemittelt. Das Resultat wird über einen Tiefpassfilter geführt, um Rauschen als Quelle des Messfehlers zu eliminieren; die Grenzfrequenz wird durch die Abtastrate festgelegt. So verwendet der LTC6811 einen Sigma-Delta-A/D-Wandler 3. Ordnung mit programmierbaren Abtastraten und acht wählbaren Grenzfrequenzen. Eine sehr gute Rauschunterdrückung wird erreicht, was die Messung von allen zwölf Batteriezellen in nur 290 µs erlaubt. Die Prüfung durch Stromeinspeisung, bei der 100 mA an HF-Rauschen in die Leitungen eingekoppelt wird, die die Batterie mit dem IC verbinden, zeigt einen Messfehler von weniger als 3 mV.

Zellenausgleich zur Optimierung der Batteriekapazität

Batteriezellen, selbst wenn sie akkurat produziert und ausgewählt wurden, zeigen immer kleine Unterschiede zueinander. Jede Fehlanpassung der Kapazität zwischen den Zellen resultiert in einer Abnahme der Batteriekapazität insgesamt. Um dies besser zu verstehen, betrachtet man noch einmal das Beispiel, bei dem die Zellen im Bereich von 10 bis 90 Prozent der vollen Kapazität gehalten werden. Tiefentladungs- und Überladegrenzen limitieren die Lebensdauer der Batterie, weshalb das BMS Unterspannungs- (UVP) und Überspannungsschutz-Schaltungen (OVP) enthält. Beendet wird der Ladevorgang, wenn die Zelle mit der geringsten Kapazität ihre OVP-Schwelle erreicht. In diesem Fall sind die anderen Zellen noch nicht voll aufgeladen und die Batterie speichert folglich nicht die maximal mögliche Energie. Umgekehrt stoppt das System ebenfalls, wenn die am schwächsten aufgeladene Zelle ihre UVP-Grenze erreicht. Auch in diesem Fall ist immer noch Energie in der Batterie vorhanden, um das System zu versorgen, aber aus Sicherheitsgründen ist sie nicht nutzbar.

Damit ist klar, dass die schwächste Zelle die Leistung der gesamten Batterie dominiert. Mithilfe des Zellenausgleichs lässt sich dieses Problem lösen. Sie egalisiert die Spannung und den SOC zwischen den Zellen, wenn sie voll aufgeladen sind. Es gibt zwei Techniken des Zellenausgleichs, den passiven und den aktiven. Beim passiven Zellenausgleich wird die überschüssige Ladung einer überladenen Zelle in einen Widerstand abgeleitet. Typischerweise gibt es eine Shunt-Schaltung, die aus einem Widerstand und einem Leistungs-MOSFET besteht, der als Schalter benutzt wird.

Wenn eine Zelle überladen wird, schließt der MOSFET und die überschüssige Energie wird in den Widerstand abgeleitet. Für jede überwachte Zelle bietet der LTC6811 zum Ausgleich einen Ausgang mit integriertem Leistungs-MOSFET. Liegt der Ausgleichsstrom unter 60 mA, ist der interne MOSFET für ein kompakteres Design nutzbar. Bei höheren Strömen kann der spezielle Ausgang des IC genutzt werden, um einen externen Leistungs-MOSFET zu treiben. Timer sind ebenfalls vorhanden, um die Ausgleichszeit zu justieren.

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Diese Ableittechnik bietet dem Entwickler die geringen Kosten und eine ebensolche Komplexität. Ihr Nachteil sind der hohe Energieverlust und ein aufwändigeres thermisches Design. Im Gegensatz dazu verteilt der aktive Zellenausgleich die überschüssige Energie auf die anderen Zellen im Modul. Auf diese Weise wird die Energie zurückgewonnen und es wird weniger Wärme erzeugt. Nachteil dieser Technik ist ein aufwändigeres Hardware-Design. Bild 9 zeigt eine einfache Implementierung eines aktiven Zellenausgleichs mit dem LTC6811. Diese Architektur löst die beiden Limitierungen der passiven Shunt-Ausgleichsschaltungen durch aktives Verschieben des Ladestroms und Rückführen der Energie zurück in die Batterie. Anstatt die Energie in Wärme umzuwandeln, wird sie wiederverwendet, um den Rest der Batteriezellen im Modul zu laden.

Diese Bausteinarchitektur löst auch das Problem der reduzierten Laufzeit, wenn eine oder mehrere Zellen in der Batterie den unteren Sicherheits-Spannungsschwellwert erreicht, bevor die Kapazität der gesamten Batterie entnommen ist. Nur der aktive Zellenausgleich kann Ladung von den stärkeren Zellen in die schwächeren Zellen überführen. Dies erlaubt es den schwächeren Zellen, den Verbraucher auch weiterhin zu versorgen und damit die größtmögliche Energiemenge aus der Batterie zu ziehen. Durch die Flyback-Topologie ist es möglich, die Ladung an beliebige Verbindungen der mehrzelligen Batterie zurückzuführen. In den meisten Applikationen wird die Ladung auf die Modulzellen (zwölf oder mehr), in anderen auf alle Zellen in der gesamten Batterie und in wieder anderen Fällen auf einen Hilfsspannungspfad zurückgeführt.