Batteriemanagementsysteme gegen Überspannungen absichern

In der langjährigen Geschichte der Automobilindustrie gilt das Elektroauto als einer der größten Technologiesprünge. Nach anfänglicher Zurückhaltung bei den Käufern soll der Markt für Fahrzeuge mit elektrischen Antriebssystemen in den kommenden Jahren zweistellig wachsen und im Jahr 2022 auf über 14 Millionen Fahrzeuge anwachsen. Für 2026 ist dann sogar das endgültige Aus für die Verbrennungsmotoren geplant.

Dünnfilm-Chip-Sicherungswiderstände der FRG-Serie von Susumu. WDI

Ein wesentlicher Treiber dieser Entwicklung sind öffentliche und staatliche Forderungen nach verbesserter Luftqualität, mit besonderem Augenmerk auf emissionsärmere und emissionsfreie Fahrzeuge. Aufgrund einer wachsenden Anzahl elektrischer Verbraucher in Fahrzeugen, den verwendeten höheren Spannungen (48-V-Bordnetz) und den eingesetzten leistungsfähigeren elektrischen Systemen stellen Batterien hinsichtlich sinkender Preise bei gleichzeitiger höherer Leistung, und somit weiterer Reichweite der Automobile, eine Alternative zum klassischen Verbrennungsantrieb dar. Lithium-Ionen-Batterien könnten aufgrund ihrer Leistungsdichte und Ladedauer die Basis für zukünftige Elektrofahrzeuge (EV) sein.

Gerade in der Fahrzeugtechnik sind Batteriemanagementsysteme (BMS) zur Überwachung, Regelung und zum Schutz der Akkumulatoren nötig. Solche Systeme beinhalten Funktionen wie etwa Ladezustandserkennung, Tiefentlade- und Überladeschutz. Zusätzlich dient ein BMS in Automotive-Anwendungen als Schnittstelle zwischen dem Fahrzeug und den in der Batterie verbauten Komponenten. Dabei steuert es die Funktionen, die für die aktuellen Betriebszustände des Fahrzeugs nötig sind.

Das Batteriemanagementsystem schützen

Tabelle 1: Elektrische Charakteristik der FRG-Serie. WDI

Um ein BMS, welches ein Hochspannungs- und Hochenergiesystem ist, vor elektrostatischen Entladungen, Überspannungen und Überströmen zu schützen, die die Leistungsfähigkeit des Fahrzeugs und die Sicherheit des Fahrers gefährden, sind robuste und gezielt platzierte Schutzeinrichtungen nötig. Dabei müssen Entwicklerteams die elektronischen Sicherungen entsprechend den Anforderungen des jeweiligen Anwendungsfalles sorgfältig auswählen und zudem den Ansprüchen der Automobilbranche entsprechen. Zu diesen gehören unter anderem Kompaktheit, Langzeitstabilität sowie Beständigkeit gegenüber Temperaturzyklen oder Vibrationen.

Tabelle 2: Abmessungen der FRG-Serie (in mm). WDI

Prädestiniert für diesen Einsatz sind sogenannte Chip-Sicherungen. Diese stellen eine Kombination von Widerstand und Sicherung dar: Im Normalbetrieb fungieren sie wie ein Widerstand, im Fehlerfall wie eine Schmelzsicherung. Chip-Sicherungen basierend auf Dünnschichttechnologie erfüllen alle Anforderungen an eine hohe Stabilität und Präzision des Widerstandes sowie ein definiertes Sicherungsverhalten. Durch die Kombination dieser zwei Funktionen in nur einem Bauteil reduzieren sich Platzbedarf und Montageaufwand entsprechend.

Mithilfe der Sputter-Technik lassen sich die Schichtdicken genau überprüfen und homogene kristalline Strukturen in der Metallschicht erzeugen. Ein photolithographisches Verfahren kontrolliert die Geometrien des Sicherungselements präzise. Die Stabilität, Präzision und die Sicherungscharakteristik der Widerstände hängen von diesem Verfahren und dem Bauteildesign ab.

Dünnschichtwiderstände für das BMS

Tabelle 3: Sicherungskennzahlen der FRG-Serie. WDI

Der Dünnschicht-Hersteller Susumu hat die FRG-Serie mit beschriebenen Eigenschaften entwickelt. Sie besitzt alle Vorteile der bekannten RG-Serie und dient zusätzlich als Sicherung. Unter Normalbedingungen besitzen die Widerstände also die Funktion eines Präzisionswiderstands, bei Überlastspannung löst die Sicherung zum Schutz der Schaltung aus. Die FRG-Serie hat eine Widerstandstoleranz von ±0.1 % oder ±0.5 % und einen TK-Wert (Temperaturkoeffizient) von 25 ppm/K oder 50 ppm/K. Sie ist für den Einsatz in einem Temperaturbereich von -55 °C bis 155 °C ausgelegt und ist erhältlich in den Baugrößen 0603 (1608), 0805 (2012) und 1206 (3216). Die Belastbarkeit bei 70°C beträgt je nach Typ und Baugröße 1/10 W bis 1/4 W (Tabelle 1).

Die Sicherungseigenschaft der FRG-Serie bietet eine kontrollierte Öffnung des Stromkreises unter einer definierten Kennlinie. Wie andere Sicherungselemente auch, sind Schmelzsicherungen durch Ihre Auslösecharakteristik gekennzeichnet. Um verschiedene Anforderungen zu erfüllen, sind die Chip-Sicherungen der FRG-Serie in drei Leistungsklassen und in verschiedenen Baugrößen erhältlich. Tabelle 2 zeigt die Maße der drei Baugrößen. Die größte Bauform (FRG3216) misst kompakte 3,2 mm × 1,6 mm bei einer Höhe von 0,4 mm. Tabelle 3 zeigt das Sicherungsverhalten der drei Typen, während Bild 2 ein Zeit-Leistungs-Diagramm zeigt, dass die Toleranzfelder der Auslösezeiten der drei Leistungstypen A, B und C beschreibt. Der Isolationswiderstand beträgt für alle Chip-Sicherungen 10 MΩ bei 100 V. Die Zeit bis zur Sicherung beträgt bei den angegebenen typischen Leistungen von Typ A, B und C durchschnittlich 1 s.

Bild 2: Toleranzfelder der Auslösezeiten in einem Zeit-Leistungs-Diagramm: Die Schmelzleistung der Typen A, B und C beträgt 5,0 W, 3,5 W beziehungswiese 2,5 W bei einer Schmelzzeit von 1 s. WDI

Chip-Sicherungen, die auf der Dünnschicht-Technologie basieren, zeigen eine hohe Stabilität und Präzision als Funktion des Widerstandes sowie eine zuverlässige Sicherungscharakteristik. Sie eigenen sich so gut für die Auslegung von Batteriemanagementsystemen.

(prm)