Mit dem zunehmenden Angebot an batteriebetriebenen Geräten steigt auch der Bedarf an geeigneten Schutzkomponenten.

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Achtung vor Überspannung, Überstrom, Temperatur und ESD So lassen sich batteriebetriebene Stromversorgungen vor Überlast schützen

13.07.2022

Neben den Herausforderungen in Bezug auf die Wiederverwendung ausgedienter Batterien und das wiederverwertbare Material bringt der steigende Einsatz von Stromspeichern neue Aufgaben für die Stromnetze mit sich – vor allem, wenn es sich um Stromverbraucher wie Elektroautos handelt. Das Aufladen der Batterien setzt Gleichstrom voraus, was zu einem Anstieg der Zahl der Wechsel-/Gleichstromwandler führt, die ihrerseits Probleme wie beispielsweise Blindströme mit sich bringen - umfassender Schutz ist zwingend nötig.

Je nach spezifischer Anwendung verlangen wiederaufladbare Batterien komplexe elektronische Schaltungen. So sind für die Ladungsverteilung zwischen den Zellen sowie bei Kurzschlüssen, Lichtbögen und Temperaturproblemen dedizierte Batteriemanagementsysteme (BMS) mit sicheren Schutzschaltungen erforderlich.

Strom- und Temperaturschutz

Zum Schutz von Batteriemanagement-ICs und Batteriestandanzeigen kommen rücksetzbare Sicherungen oder PPTC-Bauteile (polymerer positiver Temperaturkoeffizient) zum Einsatz, die sich nach Beseitigung des Fehlers in den Normalbetrieb zurücksetzen.

Solche polymeren PTC-Bauelemente bestehen aus einer nichtleitenden kristallinen organischen Polymermatrix, die mit Kohlenstoffpartikeln versetzt ist, um sie leitfähig zu machen. Im abgekühlten Zustand befindet sich das Polymer in einem kristallinen Zustand, wobei der Kohlenstoff in die Bereiche zwischen den Kristallen gepresst wird und viele leitende Ketten bildet. Da das Material leitfähig ist (Anfangswiderstand), fließt ein Strom und es erwärmt sich. Dabei dehnt sich das Polymer aus und geht von einem kristallinen in einen amorphen Zustand über. Durch die Ausdehnung werden die Kohlenstoffpartikel getrennt und die Leiterbahnen unterbrochen. Dies bewirkt, dass sich das Bauelement schneller erwärmt und weiter ausdehnt, was den Widerstand weiter erhöht. Durch diesen Anstieg des Widerstands wird der Strom im Schaltkreis erheblich reduziert. Es fließt jedoch immer noch ein kleiner (Leck-)Strom durch das Element, der ausreicht, um die Temperatur auf einem Niveau zu halten, das den hohen Widerstand aufrechterhält. Wenn die Stromversorgung unterbrochen wird, stoppt die Erwärmung und das PPTC-Bauelement kühlt ab und erreicht langsam wieder den ursprünglichen Widerstandswert.

Die PolySwitch zeptoSMDC PPTC-Baureihe von Littelfuse ist ein Beispiel für diese Anwendung. Sie wurde entwickelt, um die in vielen mobilen Geräten verwendeten Lithium-Ionen-Akkus vor Überstrom und Übertemperatur zu schützen. Dabei dient sie sowohl dem Schutz der Batteriemanagement-ICs als auch der Batteriestandanzeigen. Das Bauteil ist im kleinen 0201-Gehäuse erhältlich und eignet sich für tragbare, mobile und Wearable-Anwendungen in der Unterhaltungselektronik. Die maximale elektrische Nennleistung beträgt 13 VDC, der Kurzschlussstrom reicht von 82 mA bis 200 mA.

ESD-Schutz von I2C

Ein typisches Bauelement zum Schutz der Elektronik vor Spannungsspitzen, die auf den angeschlossenen Leitungen induziert werden, ist die TVS-Diode (Transient Voltage Suppression). Diese Dioden leiten den Überstrom ab, wenn die induzierte Spannung das Avalanche-Durchbruchspotenzial überschreitet. Diese Diode ist eine Spannungssperre, die alle Überspannungen oberhalb ihrer Durchbruchspannung unterdrückt. Sie setzt sich automatisch zurück, wenn die Überspannung nachlässt, wobei sie intern immer noch erheblich mehr transiente Energie absorbiert als ein Überspannungsschutz mit ähnlichem Nennwert.

Wiederkehrende elektrostatische Entladungen (ESD) mit ±30 kV werden vom unidirektionalen diskreten TVS-Diodenarray wie etwa das SP1006 von Littelfuse sicher absorbiert. Es leitet auch 5 A eines Stromstoßes von 8/20 µs (IEC61000-4-5) mit sehr niedrigen Klemmspannungen sicher ab. Die Zenerdiode 0201 wird in einer urheberrechtlich geschützten Silizium-Avalanche-Technologie hergestellt, schützt jeden I/O-Pin und bietet so ein hohes Maß an Schutz für elektronische Geräte, die ESDs ausgesetzt sein können. Typische Anwendungen sind Handys, Smartphones, PDAs, Digitalkameras, tragbare Navigationsgeräte und tragbare medizinische Geräte.

Faktor Temperatur

Damit sichere Lade-/Entladezyklen von Batterien gewährleistet sind, muss die Umgebungstemperatur überwacht und entsprechend kompensiert werden. Für diese Aufgabe eignen sich insbesondere NTC-Thermistoren. Thermistoren werden häufig als Einschaltstrombegrenzer, Temperatursensoren (negativer Temperaturkoeffizient, NTC), selbstrückstellende Überstromschutzelemente und selbstregulierende Heizelemente (positiver Temperaturkoeffizient, PTC) eingesetzt. Der Betriebstemperaturbereich eines Thermistors hängt vom Fühlertyp ab und liegt typischerweise zwischen -100 und 300 ⁰C.

Sekundärer Schutz

Batterie-Mini-Schutzschalter eignen sich für den sekundären Übertemperatur- und Überstromschutz. Bei kleineren Formfaktoren wird häufig die Metallhybrid-PPTC-Technologie (MHP) verwendet. Bei der MHP-Technologie wird ein Bimetallschutz parallel zu einem PPTC-Bauelement geschaltet. Ein MHP-TAC-Mini-Schutzschalter fungieren als Heizung und halten das Bimetall bis zur Beseitigung des Fehlers fest. Sie stellen einen rücksetzbaren Übertemperaturschutz bereit und erfüllen die Sicherheitsanforderungen von Lithium(Ionen)-Polymer- und prismatischen Batterien mit höherer Leistung. Diese sind in den meisten mobilen Geräten wie beispielsweise Laptops, Tablets und Smartphones zu finden. Die Mini-Schutzschalter sind in den Abmessungen 4,75 mm x 2,8 mm x 0,8 mm erhältlich und ermöglichen dadurch kleine Gehäusedesigns.

Überstrom im Griff

In diesem Schaltkreisbereich sind mehrere Schutzebenen erforderlich. Dabei verhindern selbststeuernde Komponenten eine Beschädigung des Akkupacks durch Überladung. So sind die ITV-Batterieschutzvorrichtungen von Littelfuse dreipolige, oberflächenmontierbare Li-Ionen-Batterieschutzvorrichtungen zum Schutz vor Überstrom und Überladung. Diese selbststeuernden Schutzvorrichtungen (SCP) verwenden ein Sicherungselement für einen stabilen Betrieb bei normalem Strom und zum Abschalten des Stroms bei Überstrom. Direkt unter dem chemischen Sicherungselement ist ein Heizelement eingebettet, das Wärme erzeugt, um die Sicherung auszulösen, wenn durch einen IC oder Feldeffekttransistor (FET) eine Überspannung festgestellt wird. Zu den Anwendungen zählen E-Bikes, Elektrowerkzeuge, die Automobilindustrie, Energiespeichersysteme und Drohnen.

Digitale Temperaturanzeige

Es ist sinnvoll, außerhalb des Stromversorgungsschaltkreises ein Anzeigesignal bereitzustellen, um USB-Typ-C-Steckverbinder und -Buchsen vor Überhitzung zu schützen. Dies verbessert die Zuverlässigkeit und Benutzererfahrung, indem es das Risiko von thermischen Schäden verringert. Verschmutzte oder verformte Stifte in USB-Typ-C-Steckverbinder können zu Widerstandsfehlern und damit zu Schäden durch Überhitzung führen.

Die digitalen Temperaturanzeiger zum Beispiel der setP-Baureihe von Littelfuse können bei Überhitzung dazu beitragen, Schäden an Steckern, Kabeln und Leiterplatten zu verhindern. Der Einsatz von setP-Bauelementen in der digitalen Steuerleitung von USB-Typ-C-Verbindungen (CC-Leitung) kann zur Risikominderung beitragen. Außerdem können setP-Bauelemente in der Nähe von auf der Leiterplatte montierten Halbleitern oder Kondensatoren platziert werden, um ein digitales Signal auszulösen, wenn eine kritische Temperatur überschritten wird. Diese Temperaturanzeiger schützen Systeme mit einer Leistung von 100 W oder mehr, ohne zu IR-Verlusten beizutragen, und eignen sich ideal für USB Typ-C-Stecker und Ladegeräte mit unverlierbaren Typ-C-Kabeln.

Fazit

Mit dem zunehmenden Angebot an batteriebetriebenen Geräten steigt auch der Bedarf an geeigneten Schutzkomponenten. Damit das richtige Maß an Sicherheit mit einem Minimum an Material und Platz auf der Leiterplatte gewährleistet werden kann, sind die Schutzvorrichtungen immer spezifischer ausgelegt, so dass eine lange Lebensdauer der Batteriesysteme und des Endprodukts sichergestellt ist.

Bildergalerie

  • Littelfuse zeptoSMDC PPTCs kann Stromversorgungen vor Überlast schützen.

    Bild: Mouser

  • Mit dem MHP-TAC Mini-Schutzschalter lassen sich Stromversorgungen vor
    hohen Strömen wirksam schützen.

    Bild: Mouser

  • Mehrzelliges Batterieschutz-Referenzsystem. Hier sind die verschiedenen Arten von Schutzvorrichtungen mit r mischen Ziffern gekennzeichnet.

    Bild: Littelfuse

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