RUTRONIK Elektronische Bauelemente GmbH

Batteriemanagementsysteme behalten das Batteriesystem im Blick und machen somit E-Fahrzeuge sicherer.

Bild: iStock, Yucelyilmaz

Explosive Ladungseinheiten überwachen Batterien in Elektrofahrzeugen immer im Blick

06.03.2019

Lithium-Ionen-Batterien sind explosive Ladungseinheiten, die sorgfältig gehandhabt werden müssen. Besonders gilt das beim Über- und Unterladen, wenn die Batteriezellen in einer Grauzone arbeiten. Je größer und komplexer ein Batteriepack ist, desto komplizierter wird diese Aufgabe. Eigens für Batteriemanagementsysteme entwickelte induktive Bauelemente helfen bei der Lösung.

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In vielen tragbaren elektronischen Geräten arbeitet bereits ein Batteriemanagementsystem (BMS). Die BMS in Elektro-, Hybrid- und Plug-in-Hybridfahrzeugen sind deutlich komplexer, insbesondere im Hochvoltbordnetz. Die sichere galvanische Trennung bei kaskadierten Batteriestacks mit hohen Gleichtaktspannungen ist bei ihnen eine zentrale Funktion. Für das Cell Balancing großer Batteriepacks müssen häufig ganz neue Schaltungstechniken und präzisere Detektionsmethoden entwickelt werden.

Entscheidend ist zudem die Isolierung verschiedener Funktionsblöcke, um empfindliche Systeme vor der hohen Energie der Batterie zu schützen. Speziell hierfür haben Hersteller induktive Bauelemente wie Trenntransformatoren und Gleichtaktdrosseln entwickelt, die die Sicherheit und Gesamtfunktion der Batteriepacks – und damit des Fahrzeugs – signifikant verbessern.

Für das Design eines Batteriepacks sind vor allem zwei kritische Punkte zu berücksichtigen. Erstens führt eine Überladung der Batterie zu Überhitzung. Batteriezellen haben einen engen spezifizierten Temperaturbereich. Zu viel Wärme kann sie schädigen oder zu einem Thermal Runaway und damit zu einem Brand oder einer Explosion führen. Eine zu starke Erwärmung ist unbedingt zu verhindern. Zweitens kann das Entladen der Batterie unter einen Schwellenwert zur dauerhaften Verringerung der Kapazität führen. Dieser Schwellwert ist abhängig von der chemischen Zusammensetzung beziehungsweise Technologie der Batterie und normalerweise in den Datenblättern der Hersteller dokumentiert.

Trenntransformatoren schützen die Schaltung

Das BMS muss in Zusammenarbeit mit dem On-Board-Lader die Batteriezellen auch in diesen Grauzonen des Über- und Unterladens in ihrem spezifizierten Arbeitsbereich halten, um Fehlfunktionen und Schädigungen zu verhindern. Hierfür sind die Grenzen des zulässigen Lade- und Entladestromes, sowie der oberen und unteren Lade- und Entladespannungen einzuhalten. Je nach Topologie übernehmen Halbleiterschalter die Steuerung der Ströme.

Bedingt durch die hohen Gleichtaktspannungen werden in der Regel Trenntransformatoren zwischen den niedervoltbasierenden Cell-Balancing- und Monitoring-ICs verwendet, um in einer Daisy-Chain-Konfiguration die Kommunikation durchgängig im Stack zu garantieren. Trenntransformatoren mit hohen Isolationsspannungen, wie zum Beispiel die PH9185.XXXNL-Serie von Pulse, schützen die Steuerschaltung vor hohen Gleichtaktspannungen. Diese Serie ist mit verschiedenen Übersetzungsverhältnissen konfigurierbar.

Über- und Unterspannungen können zu Schädigung oder Alterung der Zelle führen. Um das zu vermeiden, gilt es, die Batteriespannung entlang des Batterie Stacks gleichmäßig zu verteilen. Hierfür misst das BMS die Spannung jeder Batteriezelle. Über einen Ladungstransfer zwischen den Zellen oder eine einfache Entladung einzelner Zellen werden diese an das Gesamtniveau angeglichen. Bei Zellen mit überdurchschnittlicher Spannung wird das Zuviel an Ladung auf die anderen verteilt.

Damit die Batteriezellen ihren spezifizierten Temperaturbereich nicht verlassen, messen Sensoren kontinuierlich die Temperatur. Übersteigt sie den kritischen Wert, unterbricht das Steuersystem den Lade- oder Entladevorgang, bis die Temperatur der überhitzten Zellen wieder einen sicheren Bereich erreicht.

Gleichmäßige Entladung durch Coulomb-Zählen

Um den Ladezustand (State of Charge, SoC) zu bestimmen, führt das BMS typischerweise eine Coulomb-Zählung durch. Sie bestimmt die elektrische Energie, die in jeder Batteriezelle verbleibt, und übermittelt sie über eine EMI-geschützte Schnittstelle an die Steuerungseinheiten. Diese Architektur kann bei großen Akkus hunderte von Zellen unterstützen. Das stellt sicher, dass alle Zellen gleichmäßig entladen werden und ihre Ladung nicht unter den Schwellenwert sinkt, der ihre Kapazität dauerhaft reduziert oder zu einer unzulässigen Tiefentladung führt.

Dabei ist zu beachten, dass viele in Reihe geschaltete Zellen über die Daisy-Chain-Verbindungen große Differenzen beim Spannungspotenzial haben. Das erfordert eine galvanische Isolation zwischen den verschiedenen Komponenten. Um serielle Kommunikationsverbindungen zwischen Platinen voneinander zu isolieren, eignen sich Transformatoren.

Bei Pulse finden Entwickler aufgrund der breiten Palette an Trenntransformatoren sehr einfach ein Modell, das präzise die benötigte Arbeitsspannung, Anzahl an Kanälen sowie Gehäuseform und -art mitbringt. Zum Beispiel gibt es die HM11/21xxNL-Serie in zahlreichen Konfigurationen mit unterschiedlichen Arbeits- und Isolationsspannungen. Für jede Applikation ist somit ein jeweils passender Transformer verfügbar. Die Trenntransformatoren sind für Chipsets vieler Hersteller freigegeben, wie beispielsweise die von Renesas und Rohm Semiconductor.

Ein bewährter Ladealgorithmus ist ein Wechsel aus Konstantstrom- und Konstantspannungsphase. Um die Änderung des Stromflusses zu begrenzen und die Welligkeit (Ripple) des Ladestroms zu eliminieren, kommen Hochstrominduktivitäten zum Einsatz. Dafür eignet sich etwa die PA434xNL-Serie von Pulse.

Fachgerecht integriert, sind solche robusten BMS auf Basis von magnetischen Leistungsbauteilen den Mehraufwand definitiv wert. Denn sie können die Leistung und Stabilität jeder Batteriezelle effektiv bewerten und steuern. Dadurch verlängern sie die Lebensdauer von Batterien signifikant und machen das Batteriesystem – und damit auch das gesamte Fahrzeug – sicherer.

Bildergalerie

  • Die Trenntransformatoren PH9185.-XXXNL von Pulse können eine Steuerschaltung vor zu viel Energie aus einer Batterie schützen.

    Bild: Rutronik

  • Speziell für BMS entwickelte induktive Komponenten isolieren mehrere Hochenergiezellen voneinander und verbessern so die Sicherheit und Funktion des Gesamtsystems.

    Bild: Rutronik

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