Lösungen für das Management von Lithium-Ionen-Batterien

Im Laufe der Zeit wurden zahlreiche chemische Systeme für Batterien vorgeschlagen. Diese reichten von den ursprünglichen Primärzellen aus Kupfer, Zink und Pappe, die der Italiener Alessandro Volta um 1800 erfand, über die bekannten wiederaufladbaren Blei-Säure-Typen bis hin zu exotischen (und immer noch theoretischen) Quanten-Batterien, die ein Elektrofahrzeug in 90 Sekunden aufladen sollen. Im Moment sind Lithium-/Li-Ionen-Batterien der bevorzugte Typ für Anwendungen in einem breiten Spektrum von Leistungs- und Energieniveaus – von 10 Wh in einem Smartphone bis zu Hunderten von kWh in einem Elektrofahrzeug (EV). Mitunter gibt es Bedenken hinsichtlich der Knappheit von Lithium, denn Volkswagen schätzt die weltweiten Reserven auf nur 14 Mio. Tonnen. Das Unternehmen rechnet aber damit, dass dies beim Stand von 2018 immer noch einen Verbrauch von mehr als 150 Jahren abdeckt.

Das sind die Vor- und Nachteile von Li-Ionen-Akkus

Li-Ionen-Batterien wird es also noch eine Weile geben, und Wissenschaftler und Entwickler arbeiten daran, ihre Leistungsfähigkeit ständig zu verbessern, und zwar sowohl in Bezug auf die Kapazität als auch auf die Sicherheit, die nach wie vor eine wichtige Rolle spielt. Die Attraktivität von Li-Ionen-Batterien beruht hauptsächlich auf ihrer Kombination aus gravimetrischer Energiedichte (Wh/kg), volumetrischer Energiedichte (Wh/Liter) und Kosten (Bild 1). Dies sind kommerziell wichtige Größen, aber es gibt noch weitere Vorteile im Vergleich zu anderen Batterietypen, darunter eine vergleichbar lange Lebensdauer, eine geringe Selbstentladung, eine niedrige Toxizität und eine angenehm hohe Zellspannung von etwa 3,8 V.

Die Nachteile von Li-Ionen-Batterien sind inzwischen durch einige aufsehenerregende Ausfälle bekannt. Die Ladespannung muss sorgfältig kontrolliert werden, die Lade- und Entladeströme müssen überwacht und begrenzt werden (zusammen mit der Zelltemperatur), und der Ladevorgang muss bei oder vor 100 Prozent Kapazität beendet werden. Bei Nichtbeachtung dieser Vorschriften besteht Explosions- oder Brandgefahr. Gleichzeitig sollte das Ladeprofil so zugeschnitten sein, dass die beste Kombination aus Ladezeit bis zu voller Kapazität und geringer Belastung erreicht wird, um eine hohe Zuverlässigkeit der Zellen und eine angemessene Lebensdauer zu gewährleisten.

Bild 2 beschreibt den üblichen Modus mit einem konstanten Strom bei etwa 1 C, z. B. 1 A für eine 1-Ah-Batterie (Punkt 1 im Diagramm), bis die Zelle etwa 70 Prozent Kapazität erreicht (Punkt 2). Danach wird eine konstante Spannung angelegt (Periode 3). Unter dieser Bedingung sinkt der Zellenstrom allmählich, und der Ladevorgang endet, wenn der Wert unter drei bis fünf Prozent des 1-C-Wertes fällt (Punkt 4). Dies gilt für eine herkömmliche kobalthaltige Li-Ionen-Zelle. Die Selbstentladung von Li-Ionen-Batterien ist eher gering, aber einige Systeme erkennen einen eventuellen Spannungsabfall und „füllen“ die Batterie mit einem kurzen Ladezyklus auf.

Ladezustand einer Lithium-Ionen-Batterie

Den Ladezustand (SOC; State of Charge) von 70 Prozent, der einen Wechsel zum Betrieb mit konstanter Spannung auslöst, zu erkennen, ist nicht immer einfach. Anwender können ihn jedoch näherungsweise ermitteln, indem sie das Ladegerät kurzzeitig trennen, die Leerlaufspannung der Zelle messen und diese mit dem erwarteten Wert für 70 Prozent Ladung vergleichen. Dies kann mit einem herausnehmbaren Akkumodul erfolgen, das in das Ladegerät eingesetzt wird. Ist der Akku jedoch in ein Produkt eingebaut und wird geladen, kann es schwierig sein, sicherzustellen, dass keine Last vorhanden ist und die gemessene Leerlaufspannung den tatsächlichen Ladezustand widerspiegelt. Auch beim Entladen ist die Zellenspannung kein gutes Maß für den Ladezustand, da eine Li-Ionen-Zelle eine flache Entladespannungscharakteristik bis zur Erschöpfung aufweist.

Alternativ können die Eigenschaften einer Batterie „erlernt“ und der Ladezustand durch Coulomb-Zählung oder Gasmessung geschätzt werden. Wird der Strom über die Zeit gemessen, kann die zugeführte und entnommene kumulierte Ladung berechnet und der Ladezustand abgeleitet werden. Dies hängt vom anfänglichen Ladezustand ab, der möglicherweise unbekannt ist. Um ein gewisses Maß an Genauigkeit zu erreichen, sollte die Berechnung regelmäßig durch eine nahezu vollständige Entladung neu kalibriert werden. Nutzer von Mobiltelefonen kennen diesen Effekt. Der Kapazitätsverlust bei Temperaturschwankungen und mit zunehmendem Alter ist ebenfalls zu berücksichtigen.

Allgemeiner Batteriezustand einer Lithium-Ionen-Batterie

Der allgemeine Batteriezustand (SOH, State of Health) oder Kapazitätsverlust ist von Interesse, da ein Ladezustand von 100 Prozent eine geringere tatsächliche Laufzeit mit sich bringt, wenn eine Batterie altert oder bei niedrigen Temperaturen zum Einsatz kommt. Eine Batterie mit schlechtem Zustand und verringerter Laufzeit ist in einem E-Werkzeug oder einem tragbaren Gerät vielleicht nur ein Ärgernis. Da aber Li-Ionen-Zellen in einer Vielzahl von Mobilitäts- und Consumer-Anwendungen verbaut sind, kann das SOH-Bewusstsein zu einem Sicherheitsproblem werden. Ein erschöpfter E-Roller auf dem Gehweg ist für den Nutzer ein Problem, und eine Möglichkeit zur vorausschauenden Wartung, die den Nutzer veranlasst, eine Batterie vor dem Ende ihrer Lebensdauer auszutauschen, ist äußerst wünschenswert.

Wie beim Ladezustand ist die Zellenspannung kein gutes Maß für den SOH. Der Innenwiderstand kann ein Indikator sein, der sich aus dem Abfall der Zellenspannung bei einem bestimmten Stromschritt ergibt. Bessere SOH-Berechnungen werden schnell komplexer und erfordern ein Modell der jeweiligen Batterie sowie ihres voraussichtlichen Alters und umgebungsbedingter Verschlechterung. Der Datensatz eines solchen Modells kann im Laufe der Zeit unvorstellbar groß werden, so dass eine Verarbeitung durch maschinelles Lernen (ML) und neuronale Netze erforderlich ist, um genaue Ergebnisse zu erzielen.

Batteriemanagementsysteme

Ein Batteriemanagementsystem (BMS) ist nötig, um das Laden und Entladen sicher und effizient zu steuern und den SOC und SOH mit akzeptabler Genauigkeit zu berechnen. Die Betriebsumgebung ist jedoch mitunter schwierig und unvorhersehbar. Ein großer Teil des Marktes für Li-Ionen-Batterien entfällt auf E-Werkzeuge und Gartengeräte, zu denen inzwischen auch Aufsitzmäher, Kettensägen und Laub-/Schneefräsen gehören. Dann gibt es noch E-Bikes/-Roller und ähnliche Geräte mit Batteriesträngen von bis zu 90 V oder mehr. All diese Geräte befinden sich meist in unkontrollierten Umgebungen, in denen sie Erschütterungen, Verschmutzung, Feuchtigkeit und extremen Temperaturen ausgesetzt sind – und das oft mit zweifelhaften Wartungsplänen.

Die höheren Spannungen bergen auch die Gefahr von Stromschlägen und hohen Energieentladungen. Gleichzeitig besteht der kommerzielle Druck darin, die Batterien und das zugehörige Managementsystem so klein, leicht und kostengünstig wie möglich zu gestalten und dabei ein Maximum an Funktion zu erhalten. Minimale Selbstentladung und ein Ruhemodus sind erforderlich, damit die Geräte nach längerer Lagerung wieder einsatzbereit sind. Sogar eine Funkanbindung wird zunehmend erwartet. Bei Hochleistungsanwendungen, die mehrere große Batterien umfassen, ist auch ein aktiver Zellenausgleich erforderlich. Damit lassen sich die Ladezustände der Zellen ausgleichen, die Betriebszeit maximieren und die Belastung minimieren.

Um all diese Funktionen zu realisieren, bietet sich eine integrierte Lösung an. Qorvo hat ICs für diese Anwendung entwickelt, wobei der Schwerpunkt auf Systemen mit hoher Zellenzahl und hoher Spannung liegt, die derzeit von anderen Anbietern nur unzureichend abgedeckt werden. Der Ansatz besteht darin, die Technik der bestehenden Serie von PAC-ICs (Power-Application-Controller-ICs) mit ARM-Cortex-Prozessoren zu nutzen. Dazu zählen der M0 mit 50 MHz oder der M4F mit 150 MHz, die sich für Anwendungen im unteren bzw. oberen Preissegment eignen. Der M4F verfügt über 128 kByte Flash-Speicher und 32 kByte SRAM (viermal mehr Speicher als die M0-Variante) sowie über mehr GPIOs. Beide sind mit SPI-, UART- und I2C/SMBus-Schnittstellen ausgestattet, der M4F verfügt zusätzlich über eine CAN-Schnittstelle.

Beispiele für BMS-Bausteine: PAC22140 und PAC25140

Zunächst sind zwei BMS-Bausteine erhältlich, der PAC22140 mit dem M0-Prozessor und der PAC25140 mit dem M4F.

Beide Lösungen sind für Systeme mit 20 Zellen optimiert und können Systeme bis zu 10 Zellen unterstützen, mit Überwachung und Ausgleich für einzelne Zellen. Für die notwendigen externen Schutz-MOSFETs im Hochstrompfad sind Gate-Ansteuerungen vorgesehen, die eine Lade-bzw. Entladesteuerung und Abschaltung bei Überlast oder Kurzschluss ermöglichen. Beide Controller enthalten einen Aufwärtswandler, so dass eine Gate-Treiberspannung erzeugt werden kann, die höher als der Batteriewert ist. Dies ermöglicht den Einsatz kostengünstiger n-Kanal-MOSFETs.

Ein besonderes Merkmal beider BMS-Bausteine ist die programmierbare Verstärkung der differentiellen Strommess-Schnittstelle. Diese kann auf die Anwendung zugeschnitten werden, so dass sich Signalpegel und Genauigkeit optimieren lassen, z. B. mit hoher Verstärkung bei niedrigen Stromwerten. Bei Anwendungen mit hohen Strömen kann die Verstärkung niedriger sein, um die Fullscale-Spannung in Grenzen zu halten, oder sie kann mit einem kleineren Messwiderstand höher eingestellt werden, um die Verlustleistung zu minimieren. Ein typischer Wert für den Messwiderstand liegt unter 1 mW und kann sogar durch PCB-Tracking mit entsprechender Temperaturkompensation des Messwerts ermittelt werden.

Beide BMS-ICs enthalten die komplette Stromversorgung zur Unterstützung des Systems, darunter einen Buck-/Abwärts- und Linearregler für interne und externe Hilfsschienen, z. B. für ein stromsparendes Bluetooth-Modul.

Flexible Firmware

In den BMS-Bausteinen sind die Firmware für eine umfassende Lade-/Entladesteuerung und -überwachung sowie Algorithmen zum Zellenausgleich und zur Coulomb-Zählung enthalten. Im Gegensatz zu anderen proprietären Lösungen können Nutzer ihre eigene Firmware entwickeln, um sie an die Endanwendung anzupassen – und vielen wird der ARM-Befehlssatz bereits vertraut sein. Für einfache Anwendungen ist der PAC 22140 leistungsfähig genug, aber der PAC25140 eröffnet mit seiner höheren Prozessorgeschwindigkeit und seinem größeren Speicher die Möglichkeit, mehr Funktionen und ausführlichere Datenanalysen sowie Fehlerprotokollierung durchzuführen. Dies verbessert das Benutzererlebnis und die Möglichkeit, die Batterieeigenschaften im Laufe der Zeit zu „erlernen", um SOC und SOH besser vorherzusagen.

Die Bausteine werden in kompakten 9 mm × 9 mm bzw. 10 mm × 10 mm QFN-Gehäusen ausgeliefert (Bild 4). Qorvo bietet Support mit Software- und Hardware-Entwicklungskits, einer Windows-GUI für die Konfiguration und Überwachung sowie vollständige Dokumentation.

Fazit

Integrierte Hochleistungs-Batteriemanagementsysteme sind jetzt mit den Funktionen, der Größe und dem Preis erhältlich, um sie für den Massenmarkt in tragbare Geräte mit Li-Ionen-Batteriesträngen von bis zu 100 V zu integrieren. Zwei besondere Vorteile sind die Flexibilität und Konfigurierbarkeit der BMS-ICs von Qorvo, die es Entwicklern ermöglichen, ihre eigenen Unterscheidungsmerkmale hinzuzufügen. In Zukunft werden weitere Varianten der PAC-Baureihe vorgestellt, um ein noch breiteres Spektrum von Anwendungen abzudecken. (bs)