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Technologische Fortschritte bei Lithium-Ionen-Batterien ermöglichen den Ersatz von Nickel-Cadium (Ni-Cad)-Batterien und auch Blei-Säure-Batterien in Elektrowerkzeugen, E-Fahrrädern, Leicht-Elektro-Fahrzeugen (LEVs) und Notstromsystemen durch leistungsstarke Lithium-Ionen-Zellen mit höherer Energiedichte und geringerem Gewicht. Problematisch wird aber deren Einsatz durch anspruchsvolle Sicherheitsanforderungen, die beim Gerätedesign beachtet werden müssen.
Ein neuer Ansatz beim Schaltungsschutz für Lithium-Ionen-Akkupacks stellt sich dieser Problematik durch eine Alternative zu herkömmlichen, teureren und platzfordernden Schutztechnologien in Form einer neuen Hybridtechnologie. Diese verknüpft einen Bimetallschutz in paralleler Schaltung mit einem PPTC-Baustein (Polymeric Positive Temperature Coefficient, positiver Temperaturkoeffizient). Der resultierende Metall-Hybrid-PPTC-Baustein (MHP) bietet einen rücksetzbaren Überstromschutz für Batteriepacks mit hohen Entladeströmen und nutzt die Niederohmigkeit des PPTC-Bausteins, um eine Lichtbogenbildung bei höheren Stromstärken zu vermeiden, während das Bimetall gleichzeitig erhitzt wird, um es in offener und verriegelter Position zu halten.
Der jetzt zuerst eingeführte Baustein MHP30-36 hat einen Nennwert von max. 36 V DC/100 A und einen Haltestrom von 30 A. Die MHP-Technologie kann für unterschiedliche Anwendungen konfiguriert werden. Ausführungen für höhere Spannungswerte (bis zu 400 V DC) sowie Halteströme (60 A) sind derzeit in Entwicklung.

Der herkömmliche Ansatz

Zahlreiche bisherige Schaltungsschutztechnologien für Lithium-Ionen-Anwendungen mit hohen Entladeströmen sind voluminös, komplex oder teuer. Manche kombinieren ICs und MOSFETS oder sind ähnlich komplizierte Lösungen. Andere bauen auf einem herkömmlichen Bimetallschutz in Gleichspannungsanwendungen auf, die einen Haltestrom von mindestens 30 A erfordern. Die Kontakte müssen hier jedoch groß genug sein, um die hohen Stromwerte aufnehmen zu können, was zu einem insgesamt zu großen Baustein führt. Zudem ist die Anzahl der Schaltzyklen aufgrund des Schadens, der durch die Lichtbogenbildung zwischen Kontakten entsteht, begrenzt.
Der neue MHP-Hybridbaustein hingegen kann die Anzahl der Entlade-FETs und Kühlkörper, die in manchen komplexen Schaltkreisen/FET-Batterieschutzkonzepten verwendet werden, reduzieren oder gar ersetzen. Er zeichnet sich durch ein platz- und kostensparendes Design aus und bietet für Lithium-Ionen-Anwendungen mit hohen Entladeströmen bessere Schutzeigenschaften.

Funktionsweise

Während des Normalbetriebs wandert der Strom aufgrund seines geringen Kontaktwiderstands durch den Bimetall-Kontakt. Im Störfall (wie zum Beispiel eine Rotorsperre bei einem Akkubohrer) entsteht jedoch ein höherer Strom im Schaltkreis, wodurch sich der Bimetall-Kontakt öffnet und der Kontaktwiderstand ansteigt. Jetzt shuntet der Strom zum niederohmigen PPTC-Baustein und hilft dort einen Lichtbogen zwischen den Kontakten zu vermeiden, erhitzt aber gleichzeitig das Bimetall und hält den Kontakt offen und in verriegelter Position.

Bild 1: Aktivierung des MHP-Bausteins: Im normalen Betriebszustand ist der Übergangswiderstand des Bimetallschalters klein gegenüber dem PPTC-Widerstand (links). Bei Erwärmung lässt der Kontaktdruck im Bimetall nach, der Widerstand steigt, der Widerstand

Bild 1: Aktivierung des MHP-Bausteins: Im normalen Betriebszustand ist der Übergangswiderstand des Bimetallschalters klein gegenüber dem PPTC-Widerstand (links). Bei Erwärmung lässt der Kontaktdruck im Bimetall nach, der Widerstand steigt, der Widerstand Tyco

Wie in Bild 1 dargestellt vollzieht sich die Aktivierung des MHP-Bausteins wie folgt:

  • 1. Während des Normalbetriebs fließt der meiste Strom (aufgrund des geringen Kontaktwiderstands) durch das Bimetall.
  • 2. Wenn sich der Kontakt öffnet, steigt der Kontaktwiderstand jedoch schnell an. Ist dieser größer als der Widerstand des PPTC-Bausteins, fließt der Strom größtenteils über den PPTC-Baustein und weniger bzw. kein Strom fließt über den Bimetall-Kontakt, eine Lichtbogenbildung zwischen den Kontakten wird damit verhindert. Sobald der Strom über den PPTC-Baustein fließt, steigt dessen Widerstand sehr schnell auf einen Wert, der über dem Kontaktwiderstand des Bimetall liegt. Der PPTC-Baustein erhitzt sich.
  • 3. Öffnet sich der Kontakt, erhitzt der PPTC-Baustein das Bimetall und hält diesen Kontakt geöffnet, bis der Überstromzustand endet oder die Stromzufuhr ausgeschaltet wird.

Der Widerstand eines PPTC-Bausteins ist viel geringer als der eines PTC-Keramikbausteins. Dies bedeutet, dass auch bei leichtem Öffnen des Kontakts der Kontaktwiderstand nur wenig ansteigt und der Strom an den PPTC-Baustein geshuntet werden kann. So wird Lichtbogenbildung an den Kontakten verhindert. In der Regel entspricht der Widerstandsunterschied zwischen den PTC-Keramik- und Polymerbausteinen bei Zimmertemperatur etwa zwei Dekaden (x102). Wenn der höherohmige PTC-Keramikbaustein in paralleler Schaltung mit einem Bimetall verknüpft wird, verhindert er Lichtbögen bei höheren Strömen weniger effektiv als ein MHP-Baustein (Bild 2).

Bild 2: Der MHP-Baustein enthält Bimetallschalter und PPTC-Baustein in Parallelschaltung.

Bild 2: Der MHP-Baustein enthält Bimetallschalter und PPTC-Baustein in Parallelschaltung.Tyco

Kleinere Kontaktgröße und geringerer Widerstand

Auf einem typischen Bimetallschutzbaustein befindet sich der Kontakt nur an einer Stelle und weist somit gegebenen Falls bei Stoßspannungen schlechtere Schutzeigenschaften auf. Da höhere Ströme in einem einzelnen Design einen viel größeren Formfaktor erfordern würden, greift der MHP-Baustein auf eine Kontaktart zurück, die als Arbeits- oder Ruhekontakt bezeichnet wird und die Bausteingröße reduziert (Bild 3).

Bild 3: Die hier gezeigte Kontaktierungsart des MHP-Bausteins ermöglicht die Bausteingröße zu reduzieren

Bild 3: Die hier gezeigte Kontaktierungsart des MHP-Bausteins ermöglicht die Bausteingröße zu reduzierenTyco

Diese Technologie bietet im Vergleich zu einem typischen Bimetallschutzbaustein einige Vorteile:

  • 1. Der Baustein weist einen sehr geringen Widerstand auf, da der Stromweg sehr kurz ist.
  • 2. Wärme entsteht nur an der Kontaktstelle, was eine präzise thermale Aktivierung beziehungsweise Auslösung ermöglicht.
  • 3. Der MHP-Baustein hat im Vergleich zu anderen Trennvorrichtungen mit ähnlichen Nennwerten einen kleineren Formfaktor.

Im Vergleich hierzu befindet sich der normale Bimetallkontakt nur an einer Stelle und weist daher bei Stoßspannungen schlechtere Schutzeigenschaften als der MHP-Baustein auf.

Verbesserte Stoß- und Schwingungsbelastung

Der MHP-Baustein kann – ein besonderer Vorteil dieser Komponente – in rauen Betriebsumgebungen typischer Hochstromanwendungen eingesetzt werden, da er robuster ist und Schwingungen/Stößen besser standhalten kann.
Bei einem typischen Elektrowerkzeug müssen die Batterien unter schwerer Stoß- und Schwingungsbelastung funktionieren. Um dieser Anforderung gerecht zu werden, benötigt der MHP-Baustein ausreichend Kontaktdruck zwischen den Kontakten. Bisherige Bimetallschutzbausteine greifen dazu in der Regel auf einen Arm mit starker Federbelastung zurück, um den beweglichen Kontakt auf dem feststehenden Kontakt zu halten. Diese Federbelastung reicht aber – auch wenn eine starke Feder verwendet wird – in der Regel nicht aus, um den Kontaktdruck auch unter starker Stoß- und Schwingungsbelastung aufrechtzuerhalten.
Daher erhielt der bewegliche Arm einen Haken, um den Kontaktdruck der Bimetallscheibe zu verstärken. Ein solcher Haken in der Nähe des Kontakts reduziert die Drehung des Arms, was wiederum zu einer stärkeren Fallkraft auf die beiden Kontakte führt. Der erste MHP-Baustein für Batterieanwendungen in Elektrowerkzeugen MHP30-36 ist für mindestens 500 Zyklen ausgelegt und übersteht einen 1500-g-Falltest ohne zu versagen (sowie drei Testzyklen mit 3000 g).
Dieses erste erhältliche Modell einer geplanten Produktreihe weist einen maximalen Nennwert von 36 V DC/100 A sowie eine Auslösezeit bei 100 A (25 °C) von weniger als fünf Sekunden auf. Der Haltestrom dieses Bausteins beträgt 30 A; der Anfangswiderstand liegt bei weniger als 2 m? (das bedeutet unter dem Wert von typischen Bimetallschutzkomponenten, deren Nennwert in der Regel bei 3…4 mOhm liegt).

Bild 4: Form und Abmessungen des MHP30-36 mit einem Nenn-Haltestromwert von 30 A

Bild 4: Form und Abmessungen des MHP30-36 mit einem Nenn-Haltestromwert von 30 ATyco

Bild 4 zeigt die Form und Abmessungen des MHP30-36 mit einem Nenn-Haltestromwert von 30 A. Er ist somit genauso groß wie ein typischer Bimetallschutz mit einem Nennwert von nur 15 A. Die einseitig abgeflachten Kanten des Bausteins ermöglichen den Einschub zwischen standardmäßigen Li-Ion-Batteriezellen mit einem Durchmesser von 18 mm.

Fazit

Der rasant wachsende Markt für Lithium-Ionen-Batterien mit hohen Entladeströmen führt zu neuen Anforderungen an Batterie-Schaltungsschutzbausteine, die diese höheren Strom- und Spannungswerte aufnehmen können. Der neue MHP-Hybrid-Baustein ist eine ganz neue Herangehensweise im Schaltungsschutz für Akkupacks, durch den neue Konzepte auch kostengünstiger werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Ansätzen bietet er nicht nur einen besseren Schutz vor Lichtbogenbildung. Auch der Bedarf an mehreren und größeren FETs und Kühlkörpern, die bisher bei IC-/FET-Batterieschutzkonzepten eine wesentliche Rolle spielen, entfällt.
Durch parallele Verwendung der PPTC-Bauelemente und Variierung der Spannungswerte können MHP-Designs für unterschiedliche Anwendungen konfiguriert werden. Die skalierbare MHP-Technologie des MHP-Bausteins kann unterschiedlichen Anwendungen angepasst werden. Ausführungen für höhere Spannungswerte (bis zu 400 V DC) sowie Halteströme (60 A) sind derzeit in Entwicklung.
Ebenfalls in der Entwicklung befindlich sind weitere Konzepte mit einem dritten Anschluss als Signalleitung. So nutzt der MHP-Baustein die fortgeschrittenen Funktionen des IC um die unterschiedlichen Batteriefunktionen zu überwachen. Wird eine Anomalität entdeckt, kann der Schaltkreis ein Signal über eine Niederstromnebenleitung senden, den Baustein aktivieren und die Hauptleitung öffnen. Diese MHP-Bausteine mit sogenannter „smart activation“ geben dem Anwender mehr Kontrolle über den Schaltungsschutz in größeren Lithium-Ionen-Packs und -Modulen, wie sie zum Beispiel in Solaranlagen und anderen Notstromanwendungen zu finden sind. (sb/jj)