Single-Chip-Lösung optimiert Batterieformation

Li-Ionen-Batterien zu Produzieren ist ein langwieriger Prozess über mehrere Stufen: Dabei bereiten die ersten drei Schritte die essenziellen Materialien (Elektroden, Elektrolyte, Separator, etc.) auf und fügen sie zu einer Batteriezelle zusammen. Während der letzte Schritt diese Zelle dann aktiviert und es ihr somit erlaubt ihre elektrische Funktion auszuüben. Dieser Aktivierungsprozess wird Batterieformation genannt.

Bild 1: Herstellungsprozess einer Li-Ionen-Batterie. Analog Devices

Mittlerweile haben Batterien in E-Fahrzeugen eine deutlich höhere Kapazität, typischerweise mehrere hundert Ampere. Dies wird mit tausenden kleiner Batteriezellen oder einiger weniger Batterien mit hoher Kapazität erreicht. Für diese Anwendung ist die Zellenkonsistenz enorm wichtig und die Klassifizierung von großer Bedeutung. Gleichzeitig nimmt die Bedeutung der Energieeffizienz als Teil der Kosten der Batterieformation innerhalb des Fertigungsprozesses zu. Es wäre ironisch, wenn diese umweltfreundlichen Fahrzeuge Batterien verwenden, deren Produktion eine große Menge Energie verschwendet.

Überblick über die Fertigung von Li-Ionen-Batterien

Bild 1 zeigt den Überblick über einen Li-Ionen-Fertigungsprozess. Engpässe treten in der Produktion vor allem bei der Batterieformation und dem Test des Konditionierungsschritts am Ende der Fertigungslinie auf, allerdings haben die beiden Schritte auch den größten Einfluss auf Lebensdauer, Qualität und Kosten einer Batterie.

Bild 2: Einkanal-System, aufgebaut mit dem AD8452. Analog Devices

Bei der Batterieformation handelt es sich um die Ausführung des ersten Lade-/Entladevorgangs einer Batteriezelle. Währenddessen bildet sich an der Elektrodenoberfläche eine spezielle elektrochemische SEI-Schicht (Solid Electrolyte Interphase). Diese Schicht reagiert empfindlich auf verschiedene Faktoren und wirken sich enorm auf die Batterieleistung aus. Die Batterieformation kann je nach chemischer Zusammensetzung der Batterie viele Tage dauern. Der Einsatz eines Stroms von 0,1 C (Zellenkapazität) während der Batterieformation ist sehr typisch, womit ein voller Lade- und Entladezyklus bis zu 20 Stunden dauert. Das kann bis zu 20 bis 30 Prozent der gesamten Batteriekosten ausmachen.

Der elektrische Test kann Ströme von 1 C für das Laden und 0,5 C für das Entladen verwenden, wobei dann aber jeder Zyklus immer noch rund drei Stunden dauert. Eine typische Testsequenz benötigt auch immer mehrere Zyklen. Die Batterieformation/Einstufung und weitere elektrische Prüfungen haben sehr enge Genauigkeitsspezifikationen, wobei die Ströme und Spannungen im spezifizierten Temperaturbereich auf besser als ± 0,02 Prozent geregelt werden müssen. Der Einstufungsvorgang definiert anschließend die elektrochemischen Eigenschaften der Batterie. Entsprechend den in dieser Phase aufgezeichneten Daten gruppiert das System Zellen mit einem ähnlichen elektrochemischen Verhalten zusammen als ein Modul oder Paket. Auf diese Weise lässt sich die Konsistenz der Stromversorgung eines Elektrofahrzeugs maximieren. Somit haben die Genauigkeit der Messungen und die Qualität der Datenaufzeichnung keinen vernachlässigbaren Einfluss auf die Systemleistung des gesamten Batteriesystems.

Bild 3: Testergebnisse des Systemwirkungsgrads. Analog Devices

Bei der Fertigung von Fahrzeugbatterien liegt eine weitere Herausforderung in der Energieeffizienz: Während des Ladens muss das Ladesystem die Ladung konstant hoch halten und, wenn möglich, sollte die Energie während der Entladung für die Ladung anderer Batterien wiedergewonnen werden können. Dies hilft nicht nur Umweltschutzrichtlinien einzuhalten, sondern spart auch Kosten in der Herstellung von großformatigen Batterien, die wegen des zunehmenden Einsatzes von Anwendungen in Elektrofahrzeugen heutzutage auch immer üblicher wird.

Die Single-Chip-Lösung AD8452 von Analog Devices integriert ein präzises analoges Frontend und einen Ab-/Aufwärts-PWM-Controller in einem Gehäuse, um die beschriebenen Herausforderungen anzunehmen. Interne Dünnfilm-Abgleichwiderstände helfen, eine akkurate und zuverlässige Messung des Stromsignals sicherzustellen und eine analoge Regelschleife arbeitet zusammen mit der PWM-Steuerschaltung, um einen optimierten Lade-/Entlade-Betrieb zu ermöglichen. Die daraus resultierende hohe Leistung vereinfacht den periodischen Kalibrier- und Wartungsaufwand bei hoher Effizienz der Leistungswandlung und Energierückgewinnung. Beides zusammen hilft damit, die Kosten des gesamten Prozesses, von den Materialien über die Fertigung bis zur Wartung, im Rahmen zu halten.

Batterieformation und Testsystem-Topologien

Entwicklungsingenieure verwenden häufig Linearregler, um eine präzisen Batterieformation sowie Batterietests zu ermöglichen, allerdings beeinträchtigt diese Lösung den Wirkungsgrad der Anwendung. Bei größeren Batterien führt diese Methode zu Problemen beim Wärmemanagement und einem geringeren Wirkungsgrad aufgrund von Temperaturdrift.

Tabelle 1: Vergleich von Linear- und Schaltsystemen. Analog Devices

Die hohe Anzahl an Batteriezellen, die in Elektro- und Hybrid-Fahrzeugen zum Einsatz kommen, müssen alle gut abgeglichen sein. Sie verursachen damit noch strengere Genauigkeitsanforderungen und machen Schalt-Topologien zu einer attraktiven Option. Tabelle 1 zeigt den Vergleich von unterschiedlichen Zellenkategorien bezüglich Energiekapazität und Endfunktion.

Bild 2 zeigt ein einkanaliges System, das mit dem AD8452 aufgebaut ist. Diese Single-Chip-Lösung ermöglicht es, das System mit unterschiedlichen Leistungsstufen sehr einfach zu konfigurieren. Das integrierte analoge Frontend misst und konditioniert die Spannungs- und Stromsignale in den Regelschleifen. Zudem besitzt der Chip einen eingebauten PWM-Generator, den Entwickler für den Ab- oder Aufwärts-Wandelmodus konfigurieren können. Die Schnittstelle zwischen dem Analog-Controller und dem PWM-Generator besteht aus analogen Signalen geringer Impedanz, die keinen Jitter aufweisen. Jitter kann in der digitalen Schleife zu Problemen führen.

Bild 4: Batterie-Testsystem mit Energierückgewinnung zwischen den Zellen. Analog Devices

Die Ausgänge der Konstantstrom- (CC) und Konstantspannungsschleifen (CV) bestimmen den Arbeitstakt des PWM-Generators, der die MOSFET-Leistungsstufe über den ADuM7223 treibt. Wenn sich der Betrieb von Laden auf Entladen ändert, schaltet auch die Polarität des Eingangsverstärkers im AD8452 um, der den Batteriestrom misst. Schalter in den CC- und CV-Verstärkern wählen das korrekte Kompensationsnetzwerk und der AD8452 ändert seinen PWM-Ausgang in den Aufwärtswandelmodus. Diese ganze Funktion wird über einen einzigen Pin und digitale Standardlogik gesteuert. In dieser Implementation überwacht der A/D-Wandler AD173-8 das System, ist aber kein Bestandteil der Regelschleife. Die Abtastrate hängt nicht mit der Leistung der Regelschleife zusammen, sodass ein einziger A/D-Wandler in einem Mehrkanalsystem den Strom und die Spannung von vielen Kanälen messen kann. Dies gilt auch für den D/A-Wandler, so dass ein preiswerter D/A-Wandler, wie der AD5689R mehrere Kanäle regeln kann. Außerdem ist nur ein einziger Prozessor nötig, um die CV- und CC-Grenzwerte sowie die Betriebs- und organisatorischen Aufgaben einzustellen. Er kann sich mit vielen Kanälen verbinden, ohne zum Leistungsengpass in der Regelschleife zu werden.

Ein Wechsel von CC auf CV erfolgt störungsfrei und innerhalb von 500 µs, und der Stromanstieg von 1 A auf 20 A benötigt weniger als 150 ms. Allerdings können diese Werte abhängig von der Konfiguration noch wesentlich schneller sein. Bild 3 zeigt den Wirkungsgrad im CC-Entlade-Modus bei 10 A und 20 A als Beispiel.

Geringere Batteriekosten

Batteriekosten zu senken, ist eine Aufgabe, die den gesamten Herstellungsprozess betrifft. Das hier beschriebene System erlaubt eine kostenreduzierte Batterieformation, ohne dabei die Leistungsfähigkeit einzuschränken. Grund dafür ist eine erhöhte Genauigkeit, die weniger und kürzere Kalibrierzyklen erlaubt, was sich wiederum in einer längeren Funktionszeit bemerkbar macht. Zusätzlich tragen ein einfacheres Design und kleinere Leistungselektronik-Komponenten aufgrund der höheren Schaltfrequenzen auch zu geringeren Systemkosten bei. Um höhere Ausgangsströme zu generieren, lassen sich auch Kanäle mit geringem Aufwand kombinieren. Diese Methode minimiert auch die Kosten der Software-Entwicklung, da die gesamte Regelung im analogen Bereich erfolgt, was die Notwendigkeit für komplizierte Algorithmen eliminiert. Und schließlich reduziert die Energierückgewinnung, gekoppelt mit einem hohen Systemwirkungsgrad, die Betriebskosten signifikant.

Energierückgewinnung

Bild 5: Batterie-Testsystem mit Energierückgewinnung für das AC-Netz. Analog Devices

Verglichen mit einer Architektur, die Batterien mit resistiven Lasten entlädt, kann ein System, das mit dem AD8452 aufgebaut ist, Strom und Spannung der Batterie regeln und diese Energie in einen gemeinsamen Bus zurückspeisen. So kann das System sie für weitere Batteriepakete für deren Ladezyklus nutzen. Jeder Batteriekanal kann dabei entweder im Lademodus sein und Energie aus dem DC-Bus ziehen, oder im Entlade-Modus und Energie zurück in den DC-Bus speisen. Einfach konzipierte Systeme, die eine unidirektionale AC/DC-Stromversorgung haben (Bild 4), können nur Strom aus dem Wechselstromversorgung in den DC-Bus speisen. Das bedeutet, dass das System sorgfältig ausbalanciert sein muss, um sicherzustellen, dass der Nettostrom aus der AC/DC-Stromversorgung immer positiv ist. Das Einspeisen höherer Energie in den DC-Bus als die von den Ladekanälen verbrauchte, resultiert in einer erhöhten Busspannung, was manche Komponenten schädigen könnte.

Ein bidirektionaler AC/DC-Wandler löst dieses Problem, indem er wie in Bild 5 dargestellt, Energie zurück in das AC-Netz speist. So können sämtliche Kanäle zuerst in den Lademodus gesetzt werden, gefolgt vom Entlademodus, und der Stromzurückspeisung in das Netz. Jedoch erfordert dies einen komplexeren AC/DC-Konverter, bietet aber zusätzliche Flexibilität für die Systemkonfiguration und es gibt keine Notwendigkeit, die Lade- und Entladeströme sorgfältig auszubalancieren, um einen stets positiven Strom von der Stromversorgung sicherzustellen.

Mit effizienter Energierückgewinnung

Um die Vorteile der Energierückgewinnung weiter zu illustrieren, betrachtet man einen Batteriesatz mit zwei 3,2-V-Batterien mit 15 A Kapazität. Diese Batterien können ungefähr 48 Wh speichern. Um eine komplett entladene Batterie mit angenommener Ladeeffizienz von 90 Prozent wieder aufzuladen, muss das System etwa 53,3 Wh Energie für jede Batterie liefern. Im Entlademodus entnimmt das System 48 Wh und wandelt die Energie in Wärme in einem Widerstand oder speist sie zurück in den Bus. Gibt es keine Rückgewinnung benötigt man etwa 107 Wh um beide Batterien aufzuladen. Kann ein System jedoch Energie mit einem Wirkungsgrad von 90 Prozent zurückgewinnen, sind die 43,2 Wh der ersten Batterien nun zum Laden der zweiten Batterie verfügbar. Es sind also weiterhin 53,3 Wh notwendig, aber nun kommen 43,2 Wh von der sich entladenden Batterie, so dass man nur mehr die verbleibenden 10,1 Wh braucht. Dies resultiert in einer Energieeinsparung von über 40 Prozent.

Fazit

Ein Schaltnetzteil bietet eine preisgünstige Hochleistungslösung für die Fertigung von modernen wiederaufladbaren Batterien. Der AD8452 vereinfacht die Systementwicklung mit einem Systemfehler von maximal 0,02%, einem Wirkungsgrad von über 90 Prozent. Seine Fähigkeit, Energie zurück zu gewinnen, spart im Vergleich zu Systemen, die entladene Energie nicht wiederverwenden, über 40 Prozent an Energie. Er hilft, Engpässe in der Produktion wiederaufladbarer Batterien zu beseitigen und macht Hybrid- und Elektrofahrzeuge umweltfreundlich indem er mit ihrem Herstellungsprozess beginnt.

(prm)

(prm)