Wie ESS und BMS von nicht-linearen Thermistoren profitieren

Damit eine zukunftsfähige Transformation der Energieversorgung weg von fossilen Brennstoffen gelingen kann, sind Systemlösungen für die verlässliche Speicherung von Wind-, Sonnen- und Wasserenergie erforderlich. Im Fokus stehen hierbei Energiespeichersysteme (ESS), die als zentrales Element für eine stabile Stromversorgung sorgen, indem sie Spitzen glätten – bei der Einspeisung und Verteilung in das Netz. Kern dieser Systeme sind aktuell vor allem Lithium-Ionen-Batterien. Diese überzeugen durch ihre Stabilität, Schnelligkeit, Leistung und Lebensdauer, erfordern aber Batteriemanagementsysteme (BMS), die die Temperaturentwicklung der einzelnen Batteriezellen genauestens überwachen. Registriert das BMS eine zu hohe Wärmeentwicklung, reduziert es z. B. beim Ladevorgang die zugeführte Stromstärke oder begrenzt die Ladespannung, schaltet im äußersten Fall komplett ab und meldet den Vorfall zeitnah. Auch der Entladevorgang der Batterie wird genauso strikt überwacht und über das BMS gesteuert.

Ein zuverlässiges und exaktes Temperaturmanagement ist damit entscheidend für die Lebensdauer der Batterie und des Gesamtsystems. Lösungen zur präzisen Temperaturmessung in Batteriemanagementsystemen bietet Vishay mit seiner Non-Linear Resistors Division. Welche Resistor-Typen für welche Anwendung infrage kommen, wird in diesem Artikel aufgezeigt.

Besondere Aufmerksamkeit erfordern die oberen Bereiche und der negative Pol einer Batterie, da hier die Wärmeentwicklung in der Regel als erstes erkennbar ist. Als Richtwert gilt, dass die Temperatur dort während des Ladevorgangs nicht um mehr als 3 °C ansteigen sollte. In der Praxis entstehen sogenannte Hotspots an der Kathode, die zu einer inhomogenen Wärmeverteilung der Batteriezelle führt, die wiederum Alterungseffekte der Zelle hervorruft. Um die Messergebnisse so präzise wie möglich zu gestalten und ein unnötiges Drosseln der Energiezufuhr beim Ladevorgang zu vermeiden, arbeiten BMS mit zwei Temperatursensoren, die die Abweichung zwischen dem Anschluss und der Umgebungstemperatur überwachen. Je nach Design können NTC SMDs, Durchsteck-NTCs, RTDs und Thermistor-Baugruppen die richtige Wahl sein.

FPCBs: Flexibel, hitzebeständig, platzsparend und günstig

Für die Temperaturüberwachung von Batteriezellen haben sich flexible Leiterplatten (Flexible Printed Circuit Boards; FPCBs) mit NTC-Thermistoren, glasgeschützte NTC-Heißleiter, bewährt. Sie sind hitzeresistenter und benötigen weniger Platz als starre LeiterpIatten. Zudem ist ihre Herstellung in hohen Stückzahlen günstiger. Besonders geeignet sind NTC SMDs mit weichen Polen, da sie Biegebeanspruchungen und Vibrationen besser standhalten und so zur Stabilität des Gesamtsystems beitragen.

Sichere Verbindung auch bei starken Vibrationen

Bei der Messung von Oberflächentemperaturen, speziell bei Anwendungen, die mit erheblichen Vibrationen, hoher Leistung bzw. hoher Differenzspannung konfrontiert sind, empfehlen die Experten des Broadline-Distributors Rutronik die NTC-Thermistoren der Reihe NTCALUG von Vishay. Dank der Ringzungenanschlüsse können sie einfach durch Schrauben oder Bolzen mit einer Metalloberfläche im System verbunden werden, wodurch eine gute elektrische Isolierung und ein guter thermischer Kontakt mit dem Gehäuse gegeben sind. Sie werden in der Regel direkt auf Kühlkörpern, Batteriepolen und / oder Hochspannungs- / Leistungssammelschienen montiert.

Die thermo-elektrische Leistung der Lasche und der Verbindungsleitungen ist ein kritischer Aspekt der Endbaugruppen. Deswegen steht eine große Auswahl von Standardgrößen und anpassbaren Optionen zur Verfügung, um Entwicklern vielfältige Designmöglichkeiten zu eröffnen. Die NTCALUG-Serie bietet mechanische Lüfterhalterungen für verschiedene Schraubengrößen von M2 bis M8 mit verschiedenen Kabeldurchmessern und aus unterschiedlichen Materialien.

Die Temperaturmessung an Hochspannungs- und Strom-führenden Elementen erfordert eine erhöhte Isolationsspannung zwischen der Erfassungsfläche und den Anschlüssen der NTCs. Dieser Anforderung begegnet die Vishay NTCALUG-Serie mit Isolationsspannungswerten von bis zu 4 kV_AC / 5,6 kV_DC. Aufgrund der Vielzahl an verfügbaren Anpassungsoptionen wie alternative Kabellängen, Drahtabzüge zum Löten oder Verbinden, verstärkte Kabelisolierungen und die Integration beliebiger Anschlüsse für eine einfachere Endmontage oder Verbindung zu Steuerplatinen sind sie für nahezu jedes Design geeignet.

Präzise und schnelle Messung auf engstem Raum

Die Genauigkeit der Temperaturmessung hängt vor allem von der Art des im Bauteil verwendeten Drahtes ab. Thermistoren, deren Drähte über Nickel-Eisen (NiFe)-Legierungen verfügen, wie z. B. Vishays NTCLE317 THT, detektieren mit einer Genauigkeit von ± 0,5 °C. Derzeit sind auf dem Markt keine Drähte mit geringerer thermischer Leitfähigkeit erhältlich. Stärker wärmeleitende Drahtmaterialien wie Kupferlegierungen sind nicht in der Lage, diese ausgezeichnete thermische Entkopplung sicherzustellen.

Wenn Batterien erhöhten Temperaturen ausgesetzt waren, können sie explodieren, Funken erzeugen oder sogar einen Brand verursachen. Umso wichtiger ist es, dass ein BMS schnell und sicher agieren kann. So ermöglicht beispielsweise der maximale Perlen-Durchmesser von 1,6 mm des NTCLE317E4103SBA von Vishay eine schnelle Reaktionszeit von weniger als drei Sekunden. Seine 75 mm langen, flexiblen Leitungen eignen sich besonders für die Installation in engen Bereichen oder bei besonderen Montageanforderungen. Dank dieser Eigenschaften ist das Bauteil ideal für die Temperaturmessung bei Batteriezellen, -Packs und -Managementsystemen.

Eingebaute Sicherheit und hohe Energieaufnahme

Robuste Stabilität und Langlebigkeit sind nicht nur für die Batterien selbst entscheidende Eigenschaften. Um Wartungskosten möglichst gering zu halten, steht auch bei Energiespeichersystemen und BMS eine lange Lebensdauer im Fokus – trotz der Belastung durch hohe Lade- und Entladeströme oder Spannungsspitzen verursacht durch eine hohes di/dt bei induktiven Lasten. Für die Begrenzung von Einschaltströmen während des Lade- oder Entladevorgangs von DC-Link-Schaltungen oder Stromrichtern kommen beispielsweise Leistungswiderstände oder PTC-Thermistoren zum Einsatz. Die speziell entwickelte PTC-Thermistor-Serie PTCEL von Vishay bietet gegenüber anderen Widerstandstechnologien einige wesentliche Vorteile: Sie verfügt über eine hohe Fähigkeit zur Energieaufnahme (bis zu 240 J) und bewältigt bis zu 100.000 Einschaltzyklen mit nicht schaltenden Spitzenwerten von bis zu 2 kV. Im Falle von Überlastbedingungen zeigen sie eine selbstschützende Eigenschaft ohne Überhitzungsrisiko.

Ladevorgang perfekt managen

Die beim Laden einer Batterie entstehende Wärme ist eine unerwünschte, aber noch nicht vermeidbare exothermische Begleiterscheinung einer endothermischen Reaktion. Entsprechend müssen Lösungen installiert werden, um die Betriebstemperatur der Batterie in einem optimalen Bereich zu halten. Dafür ist es unerlässlich, die Temperatur des gesamten Systems bis zur einzelnen Batteriezelle möglichst genau und zielgerichtet zu messen und zu überwachen. Wenn die Temperatur nicht kontrolliert wird und die Ladespannung den spezifizierten Bereich der Batterie überschreitet, kann das die Lebensdauer verringern oder sogar zu dauerhaften Schäden an der Batterie führen. Auch extreme Umgebungstemperaturen können solche negativen Effekte auf die Batterie haben. Veränderungen der Zell-Chemie und Veränderungen am Separator und den Elektroden bis hin zur Ausgasung können ebenfalls zu einem Ausfall führen. (neu)