Leistungs-FETs als zentraler Bestandteil eines Batterie-Management-System (BMS)

Bild 1: Vereinfachtes Diagramm einer Schaltung, die entscheidet, ob die Leistungs-FETs ein- oder ausgeschaltet werden. Intersil

Hauptzweck eines Leistungs-FET in einem Batterie-Management-System ist, das Akku-Pack bei fehlerhaften Zuständen von einer Last oder einem Ladegerät zu isolieren. Im Folgenden geht es darum, wie sich solche Zustände erfassen lassen und wie der Leistungs-FET einen sicheren Betrieb von Li-Ionen-Batterien gewährleistet.

Das Leistungs-FET-Funktionsspektrum scheint auf den ersten Blick nicht sehr komplex zu sein: Der FET soll eingeschaltet werden, wenn ein Ladegerät oder eine Last angeschlossen ist. Es soll ausgeschaltet werden, wenn etwas schief geht. Die ordnungsgemäße Funktion der Leistungs-FETs erfordert allerdings, dass der Entwickler die Lastbedingungen, die Einschränkungen der Akku-Packs und das Blockschaltbild genau kennt und versteht.

In einem BMS werden die Leistungs-FETs durch die Zellenspannung, den Akku-Pack-Strom, die Temperatur, die Last und Ladungsüberwachungsvergleiche gesteuert. Der Funktionsblock kann auf drei Arten aufgebaut sein:

• Durch diskrete Komponenten, die zusätzlichen Platz auf der Leiterplatte erfordern. Der Entwickler muss dabei jeden untergeordneten Block genau kennen.
• Ein Leistungs-FET-IC, das die meisten untergeordneten Funktionsblöcke integriert und als Companion-IC für einen Zellenüberwachungs-IC (Balancer) hilfreich ist. Ein Leistungs-FET-IC eignet sich für Anwendungen mit hoher Zellenanzahl (>16 Zellen), wie beispielsweise Solarparks und intelligente Netze (Smart Grids).
• Der Leistungs-FET-Funktionsblock befindet sich in einem voll integrierten BMS-IC, wie dem ISL94202, ISL94203 und dem ISL94208 von Intersil.

Jeder Ansatz bietet in etwa die gleiche Funktionalität. Dieser Artikel beschreibt die interne Funktion jedes Unterblocks sowie Design-Überlegungen für verschiedene Anwendungen.

Die Schaltungskonfiguration in Bild 1 zeigt eine High-Side-FET-Konfiguration, die an einen Motor angeschlossen ist. Der Einschaltzustand des Leistungs-FETs hängt von den Zellenspannungen des Akku-Packs, dem Lade- und Entladestrom, der Temperatur und dem Zustand des Überwachungs-IC-Anschlusses ab. Alle Fehler, die von den Unterblöcken gemeldet werden, führen dazu, dass einer oder beide FETs ausgeschaltet werden.

Erkennung der Zellenspannung (U_cell)

Die U_cell-Erkennung ohne Berücksichtigung des Zellenausgleichs ist eine Spannungsmessung, die Überspannung, Unterspannung und offene Zellenbedingungen überwacht. Der Unterspannungszustand ist wichtig für das Erkennen leerer Akku-Packs, um die Zellen vor dem Verlassen des aktiven Bereichs zu schützen. Eine Li-Ionen-Zelle hat einen spannungsaktiven Bereich zwischen 2,5 und 4,2 V. Der aktive Bereich für eine Li-Polymerzelle beträgt 2,5 bis 3,6 V. Die beschränkte Spannung der Zelle legt den Grenzwert für volle und leere Zellen, basierend auf der Batterie-Chemie und dem -Design fest. Das Laden der Zelle über die obere Spannungsgrenze hinaus kann die Zelle beschädigen. Die meisten BMS-ICs überwachen kontinuierlich die Überspannungs- und Unterspannungszustände unabhängig vom Batterieladezustand.

Bild 2: Die Abschaltzeit des FET sollte innerhalb des sicheren Betriebsbereichs des Leistungs-FETs liegen. Intersil

Nachdem alle Zellen des Akku-Packs gemessen wurden, ist es sinnvoll, die gesamte Spannungsdifferenz zwischen der stärksten Zelle und den schwächsten Zellen zu ermitteln. Eine große Differenzspannung im Akku-Pack deutet auf eine offene Zelle oder einen Drahtbruch hin. Die meisten Systeme verfügen über einen Drahtbruch-Test, der mit Sicherheit bestimmt, ob eine Verbindung zwischen dem Messsystem und der Zelle besteht. Diese Tests finden nicht so häufig statt wie die Erfassung der Zellenspannung. Die Zellendifferenzberechnung kann ein Frühindikator für Probleme im System sein.

Bild 3: Einschaltströme können versehentlich den DSC-Grenzwert auslösen. Intersil

Eine offene Zelle liegt vor, wenn sich eine Zelle intern öffnet oder eine externe Verbindung unterbrochen wird. Das Ereignis kann langsam oder abrupt erfolgen. Mögliche Ursachen sind die Alterung, qualitativ minderwertig produzierte Zellen oder ein langer Betrieb in rauen Umgebungen. Eine defekte externe Verbindung ist meist das Ergebnis eines schlecht konstruierten Akku-Packs.

Bild 4: Spannungsabfall des Akku-Packs, wenn der Einschaltstrom in Bild 3 abgegriffen wird. Intersil

Falsche Positivwerte für die maximale Differenzspannung in Zellen können auftreten, wenn ein hoher Einschaltstrom im Akku vorherrscht, sobald dieser an eine Last angeschlossen wird. Der Einschaltstrom, multipliziert mit der Fehlanpassung in der Zellenimpedanz, führt zu einem erheblichen Fehler bei der Zellenspannung. Einige ICs bieten eine zeitliche Verzögerung, bevor sie dieses Ereignis melden, andere wiederum nicht.

Stromerfassung

Bild 5: Lastprofil eines Elektrorollers. Intersil

Die meisten Batteriesysteme, die Strom messen, verfügen über drei Stromkomparatoren: Discharge Short Circuit (DSC); Discharge Over Current (DOC) und Charge Over Current (COC). Jeder Komparator speist eine Verzögerungseinheit, die es erlaubt, dass der Strom für eine bestimmte Zeitdauer größer als der Grenzwert ist, bevor eine Aktion durchgeführt wird.

Bild 6: Zulässige Lade-/Entladungstemperaturbereiche für Lithium-Batterien. Intersil

Eine schnelle Stromentladungserfassung ist erforderlich, um die Leistungs-FETs abzuschalten, bevor die Batterie oder die Leistungs-FETs selbst beschädigt werden. Zehn bis hunderte von Mikrosekunden Verzögerung sind üblich für ein DSC-Ereignis, um die Leistungs-FETs abzuschalten. Die DSC-Verzögerung besteht aus einer zeitlichen Verzögerung und der Zeit, die der Leistungs-FET benötigt, um sich auszuschalten. Ein FET ist ausgeschaltet, wenn das Gate und die Source über einen oder mehrere Isolationswiderstände miteinander verbunden sind. Der Widerstand und die Gate-Kapazität erzeugen eine RC-Schaltung, die die Ausschaltzeit des FETs bestimmt.

Bei der Einstellung der DSC-Ausschaltverzögerung gibt es viele Überlegungen. Die DSC-Abschaltzeit ist begrenzt durch die Zeit, bei der die Batterie und der Schaltkreis beschädigt werden. Zudem darf ein bestimmter Einschaltstrom nicht überschritten werden, wenn eine Last in Betrieb geht oder angeschlossen wird. Die DSC-Abschaltzeit muss mit der Ausschaltzeit des FETs abgeglichen werden. Ein zu schnelles Abschalten des FETs führt zu großen Spannungstransienten an den Zellenmessanschlüssen. Die Anschlüsse, die den Leistungs-FETs am nächsten sind, sind am empfindlichsten für große Spannungsübergänge. Die Transienten ergeben sich aus der induktiven Energie, die in der Leitung zwischen Leistungs-FET und Batterie gespeichert ist, wenn der Akku abrupt von der Last getrennt wird. Die induktive Energie wird in eine offene Last abgeleitet, bis die Spannung weit genug ansteigt, um die ESD-Dioden der angeschlossenen Schaltkreise zu aktivieren. Bei genügend Energie kann das Bauteil überbeansprucht werden. Die in der Leitung gespeicherte Energiemenge ist ein Produkt aus der Induktivität der Leitung und der Stromzufuhr zur Last.

Bild 7: Das Aufladen ist in extremen Temperaturbereichen möglich, wird aber dadurch komplizierter. Intersil

Die meiste Energie fällt bei der Entladung unter Kurzschlussbedingungen an. Eine Filterung an den Zellenspannungsanschlüssen verringert die Wahrscheinlichkeit eines EOS-Ereignisses. Die Leitungen sollten stets so kurz wie möglich gehalten werden. Zudem sollten sie breit genug sein. Dabei ist auf die Größe und Länge der Leitung zwischen Last und Leistungs-FET zu achten. Dies ist ein weiterer Bereich, in dem Hochspannungstransienten auftreten können.

Ein höherer Isolationswiderstand zwischen dem Gate des FET und dem FET-Steueranschluss verringert Spannungstransienten, da die Abschaltzeit des FET erhöht wird. Dies führt auch zu einer höheren Einschaltzeit des Leistungs-FETs über der RC-Zeitkonstante mit der FET-Kapazität. Der Isolationswiderstand ist bei beiden Ereignissen gleich.

Hohe Einschaltströme

Ein zu langsames Ausschalten des Leistungs-FETs beschädigt den FET oder führt zu einer kurzzeitigen Spannungsabsenkung (Brown-Out). Die meisten Datenblätter für Leistungs-FETs weisen eine Kurve auf, die den FET-Strom gegenüber U_DS und der Zeit darstellen (Bild 2). Es ist üblich, dass die DSC-Begrenzung mit der Dauer des Einschaltstroms abgeglichen wird. Der Einschaltstrom kann 100-mal größer sein als der Betriebsstrom. Bild 3 zeigt ein Beispiel eines Einschwingvorgangs. Die Einschaltstromspitze beträgt 270 A. Die Betriebsstromaufnahme beträgt 8 A. Wenn der Einschaltstrom den DSC-Grenzwert auslöst, schalten die FETs zwischen den Ein- und Aus-Zuständen um.

Bild 4 zeigt den resultierenden Spannungsabfall des Akku-Packs, wenn der Einschaltstrom aus Bild 3 den Zellen zugeführt wird. Bild 4 zeigt auch, wie wichtig Zellen mit niedriger Impedanz und Verbindungen zwischen den Zellen sind. Der Einschaltstrom bewirkt, dass die Spannung des Akku-Packs um 10,8 V abfällt. Die Höhe des Einschaltstroms wird durch einen höheren Isolationswiderstand (R_iso1 und Ri_so2) des Leistungs-FETs verringert. Eine Erhöhung des Isolationswiderstands erhöht die Dauer des Einschaltstrom-Ereignisses.

Die DOC-Begrenzung und -Verzögerung ist eine zweite Begrenzung, die vor einer beschädigten Last, einem beschädigten System (Walking Wounded) oder vor einer falschen Last schützt, die an das Akku-Pack angeschlossen wird. Die DOC-Bedingung kann beträchtlich länger sein und erfordert weniger Überlegungen als der DSC.

Die COC-Begrenzung verhindert ein Überladen der Batterie und hindert falsche Ladegeräte am Laden des Akku-Packs. Bild 5 beschreibt das Lastprofil eines Elektrorollers. Der Motor lädt die Batterie, wenn der Stromfluss negativ ist. Der regenerative Strom vom Motor kann wesentlich größer sein als der Ladestrom. Der COC-Grenzwert wird nahe des Ladestroms eingestellt, um zu verhindern, dass der Akku durch das falsche Ladegerät geladen wird. Die meisten Regenerationsströme sind kurz. In Bild 5 stammt der nach 250 s erfasste regenerative Strom vom Roller, der einen Hügel hinunterrollt. Der regenerative Strom bei 280 s entsteht beim Abbremsen des Rollers. Der Ladestrom dieses Akku-Packs beträgt 2 A.

Viele Faktoren bestimmen den Wert des Ladestroms. Der Hauptfaktor ist die Ladungsakzeptanz der Zellen selbst. Andere Faktoren sind die Ladezeit, die Zellenerwärmung und die Batteriealterung.

Temperaturerfassung

Die Erfassung der Zellentemperatur soll sicherzustellen, dass die Batterie keinen Thermal Runaway erleidet. Dieser entsteht durch das Überladen von Zellen, einen Kurzschluss des Akku-Packs oder durch interne Kurzschlüsse in der Zelle selbst. Einige Batterie-Chemien sind anfälliger für einen Thermal Runaway als andere.

Neben der Erkennung eines Thermal Runaway dient die thermische Erfassung auch zur Auswertung, ob eine Batterie sicher geladen oder entladen werden kann. Die meisten Li-Batterien weisen einen empfohlenen Lade-/Entladungstemperaturbereich auf (Bild 6). JEITA ist ein Standard für das Laden von Lithiumzellen. Der Standard fordert eine Verringerung des Ladestroms in Temperaturbereichen, in denen die Zelle weniger stabil oder weniger in der Lage ist, Ladung anzunehmen. Bild 7 zeigt ein Beispiel eines JEITA-Ladestandards. Für die meisten Anwendungen ist das Profil in Bild 6 ausreichend und einfach zu umzusetzen.

Bei eigenständigen BMS-ICs kommt es darauf an, ihre Funktionsblöcke zu verstehen und welche Funktion die Leistungs-FETs in ihrem Betriebsbereich bieten. Einige ICs erlauben das Laden, indem sie sowohl Ladungs-FETs (CFETS) als auch Entladungs-FETs (DFETs) eingeschaltet halten. Andere ICs schalten die CFETs aus. Ein CFET in einer seriellen Leistungs-FET-Konfiguration sollte niemals ausgeschaltet werden, wenn er im Entladungsbereich des Zellentemperaturprofils arbeitet. Beim Betrieb einer Last bei einem ausgeschalteten CFET kann Strom durch die Body-Diode des CFET fließen. Dies erhöht die Verlustleistung des FET, was zu einer höheren FET-Temperatur führt. Werden keine Maßnahmen ergriffen, um die Wärme vom FET abzuleiten (entweder durch das Layout oder durch einen Kühlkörper), kann das Bauteil beschädigt werden. Ein CFET in einer Serienkonfiguration, der ausgeschaltet ist, verringert auch den Stromfluss zur Last, was die Anwendungsleistung beeinträchtigt.

In den meisten kleinen bis mittelgroßen Akku-Packs kommen zwei Thermistoren für die Temperaturüberwachung zum Einsatz. Einer der Thermistoren ist in der Mitte des Akku-Packs angeordnet, wo die Temperatur aufgrund der Zellenisolierung höher ist. Wegen der höheren Betriebstemperaturen altern diese Zellen schneller. Der zweite Thermistor befindet sich an der Außenseite des Akku-Packs, um die Umgebungstemperatur zu erfassen. Die richtige Temperaturerfassung schützt die Batterie vor einem Thermal Runaway und sorgt für eine sichere Ladung oder Entladung.

(ku)