Lithium-Ionen-Batterien sind zentrale Bausteine aktueller Energiespeichersysteme.(Bild: ADi)
Lithium-Ionen-Batterien sind leistungsstark – und potenziell gefährlich. Nur ein durchdachtes Batteriemanagement schützt vor Ausfällen und maximiert die Performance. Eine Controller-Lösung von ADI zeigt, wie ESS sicher und effizient werden.
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Lithium-Ionen- und andere Batteriechemien sind nicht nur Schlüsselelemente in der Automobilwelt, sondern werden vor allem auch für Energiespeichersysteme (ESS) verwendet. Beispielsweise können Gigafactories pro Tag mehrere Megawattstunden aus erneuerbaren Energiequellen erzeugen.
Wie können wir die unterschiedlichen Belastungen des Energienetzes über 24 Stunden hinweg erfassen und managen? Bewerkstelligen lässt sich dies mit batteriebasierten, netzunterstützenden Energiespeichersystemen (BESS).
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Was macht Lithium-Ionen-Batterien riskant?
Um Lithium-Ionen-Zellen sicher nutzen zu können, ist ein Batteriemanagementsystem (BMS) erforderlich. Ein BMS ist unverzichtbar, weil Li-Ionen-Zellen Gefahren in sich bergen. So können Lithium-Ionen-Zellen beim Überladen thermisch durchgehen und explodieren. Beim übermäßigen Entladen finden in den Zellen chemische Reaktionen statt, die deren Fähigkeit, die Ladung zu halten, dauerhaft beeinträchtigen. In beiden Fällen kommt es zum Verlust von Batteriezellen auf gefährliche und teure Weise.
Ferner ist ein BMS erforderlich, da Li-Ionen-Zellen häufig zu einem Batterie-Pack gestapelt werden. Das Aufladen gestapelter Zellen erfolgt häufig in einer Reihenschaltung mit einer parallel zum Stack geschalteten Konstantstromquelle. Dies bringt jedoch eine Herausforderung beim Battery Balancing mit sich, was bedeutet, alle Zellen auf dem gleichen Ladezustand (SOC - State Of Charge) zu halten. Wie aber lassen sich alle Zellen vollständig laden oder entladen, ohne eine einzelne Zelle des Batteriestapels zu überladen oder zu überentladen? Balancing ist einer der vielen entscheidenden Vorteile eines guten BMS.
The Automotive Battery Congress
Die Elektromobilität wird in den nächsten Jahren einer der Haupttreiber in der Automobilindustrie sein. Dabei spielt die Batterie eine der wichtigsten Rollen bei der weltweiten Verbreitung von Elektrofahrzeugen, wobei die entscheidenden Faktoren die Reichweite der Batterie, die Lademöglichkeiten und die Finanzierung der Produktionskosten sind. Alle diese Themen vereint die nächste Ausgabe der „The Automotive Battery“ vom 1. Juli bis 2. Juli 2026 in München.
Überwachung von Zellparametern wie Zellspannung, Zelltemperatur und Stromfluss in und aus der Zelle.
Berechnung des SOC durch Messung der genannten Parameter sowie des Lade- und Entladestroms in Ampere-Sekunden (As) mit einem Coulomb-Zähler.
Cell Balancing (passiv), um sicherzustellen, dass alle Zellen den gleichen SOC-Wert haben.
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ADI verfügt über eine umfangreiche BMS-Bausteinfamilie (ADBMSxxxx). Der Batteriemonitor ADBMS1818 beispielsweise eignet sich für Industrie- und BESS-Anwendungen und kann einen Batteriestapel mit 18 Zellen messen.
Welche Rolle spielt der Mikrocontroller im BMS?
Für den Betrieb eines ADBMS-ICs ist ein Mikrocontroller (MCU) erforderlich. Dieser kommuniziert mit dem BMS, empfängt die Messdaten und macht Berechnungen zur Bestimmung des SOC und anderer Parameter. Es können zwar die meisten Mikrocontroller mit einem BMS kommunizieren, doch es eignen sich nicht alle dafür. Ein Mikrocontroller mit einer hohen Rechenleistung ist wünschenswert.
Die vom BMS zurückgemeldeten Datenmengen können sehr groß sein, insbesondere wenn ein großer Zellenstapel erforderlich ist (manche Zellenstapel erreichen 1500 V und bestehen aus bis zu 32 Zellen-Batteriewächtern des Typs ADBMS1818, die per Daisy Chain verbunden sind). In diesem Fall muss der Mikrocontroller über eine ausreichend große Bandbreite verfügen, um mit den BMS-ICs im System zu kommunizieren und die Ergebnisse zu verarbeiten.
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Als Teil der BMS-Plattformlösung verfügt der Mikrocontroller MAX32626 über zwei Versorgungsquellen, die über einen PowerPath-Controller administriert werden. Der PowerPath-Controller priorisiert die Versorgungsquelle auf Basis des Strombedarfs des Boards (angeschlossene Peripheriegeräte, Verarbeitungslast usw.).
Die meisten Überwachungs-ICs von ADI gibt es in einer stapelbaren Architektur für Hochspannungssysteme. Dies bedeutet, dass mehrere analoge Eingangsstufen (AFEs) per Daisy Chain verbunden werden können. Daher ist ein Hauptmerkmal des BMS-Steuerungsboards, welches als Energiespeicher-Steuerungseinheit (ESCU) bezeichnet wird, dass es mit mehreren AFEs gleichzeitig arbeiten kann.
Bild 1 zeigt ein typisches BMS-Blockdiagramm. Die ESCU ist blau unterlegt. Obwohl die ESCU nicht für Anwendungen der funktionalen Sicherheit optimiert ist, können Anwender Schutzschaltungen und/oder Redundanzen implementieren und so bestimmte Anforderungen an die Sicherheitsintegritätsstufe (SIL) erfüllen.
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Bild 1: Vereinfachtes BMS-Blockdiagramm für BMS-Lösungen von ADI.(Bild: ADI)
Was bietet die ESCU-Hardware im Detail?
Die ESCU von ADI verfügt über Schnittstellen zu einer Vielzahl von BMS-Devices (AFE, Gasanzeige, isoSPI-Transceiver). Ein Highlight der Hardware und der Bauteile des BMS-Controller-Boards ist die On-Board-MCU. Der Arm-Cortex-M4 MAX32626 eignet sich für Energiespeicheranwendungen. Das Bauteil benötigt nur wenig elektrische Leistung und ermöglicht hohe Geschwindigkeit, da es über einen internen Oszillator verfügt, der mit Frequenzen bis 96 MHz arbeitet. Im Energiesparmodus kann der MAX32626 mit Geschwindigkeiten bis 4 MHz betrieben werden, um Energie zu sparen. Außerdem verfügt der Arm-Cortex-M4 über Energieverwaltungsfunktionen wie 600 nA Strom im Low-Power-Modus und eine aktivierte Echtzeituhr (RTC). Der MAX32626 beinhaltet außerdem eine Auswahl an Peripherie wie SPI, UART, I2C, 1-Wire-Schnittstelle, USB 2.0, PWM-Engines, 10-Bit-ADC und viele andere. Eine Trust Protection Unit (TPU) mit aktuellen Sicherheitsfunktionen ist in dieser MCU integriert. Die ESCU verfügt über mehrere Schnittstellen:
SPI, I2C und CAN.
isoSPI für robuste und sichere Informationsübertragung über eine Hochvolt-Strecke.
USB-C zur Stromversorgung des Boards und zum Flashen der MCU.
JTAG für Mikrocontroller-Programmierung und -Debugging.
Arduino-Anschluss (ermöglicht mehr Flexibilität für die Erweiterung mit Arduino-kompatiblen Boards, wie beispielsweise ein Ethernet-Shield, Sensor-Boards oder sogar ein Proto-Shield).
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Weiter enthält die ESCU den isoSPI-Transceiver LTC6820 für die isoSPI-Kommunikation mit den BMS-ICs per Daisy Chain mit nur einem Transformator. Dadurch wird sichergestellt, dass das Board vollständig von den an Hochvolt-Batteriestapel angeschlossenen BMS-ICs isoliert ist.
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Ein Zweifach-isoSPI-Transceiver ermöglicht eine redundante und reversible isolierte Kommunikation, bei der die Host-MCU die Kommunikationsanschlüsse wechselt, um die Signalintegrität zu überwachen. Eine künftige Entwicklung des Boards wird den ADBMS6822 (zweifacher isoSPI-Transceiver) für höhere Datenraten und Unterstützung der Low-Power-Cell-Monitoring-Funktion (LPCM) enthalten, die in den neuesten BMS-ICs von ADI vorhanden ist).
Die Stromversorgung kann entweder über eine Gleichstrombuchse oder über einen USB-Anschluss erfolgen, der über eine USB 2.0-Schnittstelle mit dem PC verbunden ist (ein USB-C-Anschluss ist verfügbar).
Eine Priorisierungsschaltung mit dem LTC4415 verwaltet und wählt die Versorgungsquelle aus. Sie wählt zwischen DC-Buchsen- und USB-C-Eingang, je nach der Belastung des Controllers und der Peripheriegeräte. Wenn zum Beispiel ein Arduino Shield angeschlossen ist und läuft, steigt die Stromaufnahme des Boards über das hinaus, was USB-C liefern kann. Die ideale Diode-OR-Architektur des LTC4415 schaltet dann um und wählt die Gleichstrombuchse als Versorgunganschluss.
Die Stromversorgungskette bietet verschiedene Spannungsversorgungen (3,3 V, 2,5 V und 5 V), die über Steckbrücken konfigurierbar sind.
In puncto Sicherheit und Schutz steuert der MAX32626 einen integrierten isolierten Gate-Treiber (ADuM4120). Der Gate-Treiber wiederum steuert einen mit einem externen Schütz verbundenen N-FET (der sich beispielsweise auf dem Batterie-Board befindet). Dies bietet eine Schutzfunktion, da die MCU den MOSFET über den ADuM4120 ein- und ausschaltet, um die Schütze zu öffnen und die Batterien im Not- oder Fehlerfall zu trennen.
Im Blockdiagramm in Bild 2 sind die Hauptelemente der ESCU hervorgehoben.
Bild 2: Hardware-Blockdiagramm der ESCU.(Bild: ADI)
Die Leiterplatte ist 10 cm × 9 cm groß. Die wichtigsten Schnittstellen zeigt Bild 3.
Bild 3: Die Oberseite der ESCU mit den wichtigsten Schnittstellen.(Bild: ADI)
Wie funktioniert die BMS-Softwarelösung von ADI?
Auf der Softwareseite bietet ADI eine Komplettlösung inklusive Open-Source-GUI (Graphical User Interface) an, die zur Kommunikation mit dem Controller-Board verwendet werden kann. Die GUI arbeitet mit bis zu drei Batteriemanagementsystemen, die mit der Daisy Chain verbunden sind. Die GUI kommuniziert mit der MCU über ein gut definiertes Open-Source-Kommunikationsprotokoll, das leicht erweitert werden kann. Das Protokoll definiert Nachrichten, die über die serielle Schnittstelle an die MCU gesendet werden. Die Nachrichten sind durch eine zyklische Redundanzprüfung (CRC) geschützt, um Fehler zu erkennen.
Die entsprechenden Meldungen ermöglichen es Benutzern, die Verbindung mit der MCU in geordneter Weise herzustellen und zu trennen, Systemparameter einzustellen, Messungen durchzuführen, Fehler zu aktivieren und zu überprüfen und alle erforderlichen Befehle in das ADBMS-Bauteil zu schreiben. Der Anwendungscode in der MCU nutzt freie RTOS-Threads, um parallele Operationen durchzuführen. Dies ist nützlich, weil ein Mess-Thread parallel zu einem Fehlerprüfungs-Thread laufen kann, so dass eine Fehlerintervallzeit implementiert werden kann.
Eine Software-Schnittstelle, die in Python geschrieben ist, wird mit dem BMS-Controller-Board geliefert. Die wichtigsten Benutzerbereiche sind die System-Registerkarte,BMS-Messkarten und der Referenz-Registerkarte.
Die System-Registerkarte ist die Haupt-Landing-Page der Anwendung (Bild 4). Sie ermöglicht es Benutzern, die serielle PC-Kommunikation herzustellen, die Anzahl der angeschlossenen AFE-Boards auszuwählen und das Messintervall sowie die Schwellenwerte für die Über- und Unterspannungsprüfung festzulegen. Nachdem die Benutzer auf „Verbinden“ geklickt haben, können sie mit den Messungen beginnen. Wenn beide Systemstatus-LEDs grün leuchten (Bild 4), erscheinen die Messungsregisterkarten je nach der vom Benutzer eingegebenen Anzahl von Boards.
Bild 4: System-Registerkarte der Benutzer-Anwendung.(Bild: ADI)
Auf den BMS-Registerkarten werden die von der ESCU verarbeiteten Messungen für jedes angeschlossene AFE angezeigt (Bild 5). Die BMS-Registerkarten enthalten die Zellen- und GPIO-Spannungen, den Status und die Fehlermeldungen des AFE-Boards. Die Messung der Zellenspannung wird auch grafisch dargestellt und in Echtzeit aufgezeichnet.
Bild 5: BMS-Messkarten.(Bild: ADI)
Die grafische Benutzeroberfläche enthält eine Referenz-Registerkarte mit einem Blockdiagramm des Boards und Schaltplänen. Die Schaltpläne und Gerber-Dateien sowie die Evaluierungs-Firmware, die grafische Benutzeroberfläche und das Benutzerhandbuch sind Open-Source und werden von ADI bereitgestellt.
Komplettlösung für Energiespeichersysteme im Fokus
Auf dem sich schnell entwickelnden Energiemarkt besteht ein dringender Bedarf an BESS. Besonders groß ist der Bedarf an einsatzbereiten Komplettlösungen. Um die Markteinführung zu beschleunigen und Verzögerungen zu vermeiden, ist entsprechender Support erforderlich. ADI ist bereit, mit seinem ESU diese Forderung in vollem Umfang zu erfüllen. Das Board verfügt über die wichtigsten Funktionen, die für BESS erforderlich sind, und repräsentiert eine vollständige Grundlage mit Flexibilität für weitere Entwicklungen.
Mit der BMS-Controller-Lösung von ADI können Anwender:
Mehrere AFEs gleichzeitig evaluieren, da die Lösung auf stapelbare und skalierbare Architekturen ausgerichtet ist. Ein zusätzliches isoSPI-Transceiver-Boards ist nicht erforderlich.
Ein lückenloses Debugging des BMS-Systems durch On-Board-JTAG, Status-LEDs und verschiedene Anschlüsse und Schnittstellen durchführen.
Die Markteinführungszeit durch Nutzung von Open-Source-Hardware und –Software verkürzen.
Das BMS-Controller-Board von ADI verfügt über die wichtigsten Funktionen, die für BESS erforderlich sind. Zudem ist es eine flexible Basis für zukünftige Entwicklungen. (bs)
