Bild 1: Lösen sich die Sammelschienen mit denen die Module und Submodule verbunden sind, können hochohmige Verluste entstehen. (Bild: Shutterstock 663873490, Fishman64)
Die Entwicklung eines intelligenten Sensors für eine Elektrofahrzeug-Batterie erfordert sorgfältige Planung, um die damit einhergehenden mechanischen und elektrischen Herausforderungen zu bewältigen. Ein Automobilhersteller verwendet zum Beispiel für verschiedene Modelle unterschiedliche Batteriekonfigurationen.
Die Anpassung des mechanischen Designs der Batterie an die jeweilige Konfiguration ist teuer und kann Verzögerungen in der Entwicklung und Produktion verursachen. Die Spannungs- und Strommessungen müssen genau sein, insbesondere, weil sie in einer rauschbelasteten Umgebung stattfinden. Die Sammelschienen, die die Batteriemodule und Submodule verbinden (Bild 1), können mit Schrauben befestigt sein. Lösen sich diese, verursachen sie hochohmige Verluste und können den gesamten Stromfluss unterbrechen.
Dieser Beitrag wirft einen Blick auf solche Herausforderungen und schlägt eine Lösung vor, die eine flexible Batteriekonfiguration ermöglicht, Kosten spart und die Markteinführung beschleunigt. Mit dieser Lösung wird die Spannung an jeder Zelle mit hoher Genauigkeit für das Reporting und den Abgleich gemessen; die Spannung an den Sammelschienen wird ebenso einfach gemessen und für die Fehlererkennung angezeigt.
Typische Batteriekonfiguration
Zum Beispiel kann eine Elektroauto-Batterie mit 42 A und 402,3 V aus einer Reihe von acht Modulen mit einer Modulspannung von jeweils 50,3 V bestehen.
Bild 2: Ein Beispiel für eines von acht Serienmodulen in einer EV-Batterie. Maxim Integrated
In Bild 2 besteht ein einzelnes Modul aus drei in Reihe geschalteten Gruppen, die durch Sammelschienen (Busbars, BB) verbunden sind. In jeder Gruppe sind vier Blöcke in Serie geschaltet (4S) und jeder Block enthält eine Reihe (Row) von 70 parallel geschalteten Zellen, Dementsprechend lautet die Konfiguration des Moduls: 4S+BB+4S+BB+4S.
In einem herkömmlichen Modul ist der Wechsel von einem 14S- zu einem 12S-Modul problematisch. Das Entfernen der beiden oberen Reihen in Bild 2 lässt den Eingang des IC (VIN) unverbunden. Dies erfordert einen Leiterplattenwechsel, um die VIN mit der Oberseite der Reihe 3 zu verbinden.
Autos haben eine raue und rauschbelastete elektrische Umgebung. Zusätzlich wirkt sich während des Ladevorgangs das Rauschen aus dem Stromnetz (110 VAC, 60 Hz oder 230 VAC, 50 Hz) auf die Spannungsmessung des Autobatteriesatzes mit einem Aliasing-Fehler aus. Daher sind mehrere Filterstufen nötig.
Mangelhafte Sammelschienenkontakte
Eine Kupferstange mit Abmaßen von zirka 0,3175 cm × 5,08 cm × 30,48 cm kann 500 A tragen und weist einen Widerstand von 33 µΩ auf. Dementsprechend verursacht ein Strom von 42 A im Normalbetrieb einen Spannungsabfall von 33 µΩ × 42 A = 1,4 mV. Bei schneller Ladung, zum Beispiel mit 300 A, beträgt der Spannungsabfall nur 33 µΩ × 300 A = 9,9 mV. Natürlich stellt die Sammelschiene unter normalen Umständen kein Problem dar. Wenn sich die Kontakte der Sammelschienen jedoch aus einem beliebigen Grund verschlechtern, kann sich der Widerstand drastisch erhöhen, was wiederum den Batteriebetrieb beeinträchtigt.
Die Lösung
Bild 3: 100-Hz-Notch-Filter: Ein Notch-Pass-Filter dämpft das allgemeine Rauschen der rauen Automobilumgebung. Maxim Integrated
Der MAX17853 von Maxim ist ein flexibles Datenerfassungssystem für das Management von Hoch- und Niederspannungsmodulen. Das System kann 14 Zellenspannungen und eine Kombination aus sechs Temperaturen oder Systemspannungsmessungen mit vollständig redundanten Messpfaden unter 263 μs messen. Eine noch schnellere Messung unter ausschließlicher Verwendung des ADC-Messpfades in nur 156 μs ist möglich. Es gibt 14 interne Balancingschalter mit einem Nennstrom von >300 mA für den Zellenabgleich, die jeweils eine umfangreiche integrierte Diagnose unterstützen. Bis zu 32 Module lassen sich als Daisy-Chain hintereinander schalten, um 448 Zellen zu verwalten und 192 Temperaturen zu überwachen.
Die „Flexpack“-Funktion des ICs von Maxim implementiert per Software die Umleitung der Eingangsspannung von der oberen Reihe in eine beliebige Reihe von Zellen darunter. Damit ist ein Batteriemanagementsystem-Board für mehrere Batteriemodulkonfigurationen nutzbar und macht ein Hardware-Redesign von einem Modell zum anderen überflüssig. Dies senkt die Kosten für die Entwicklung, die Lagerhaltung und die Requalifizierung durch den Automobilhersteller – und verkürzt die Markteinführungszeit.
In konkurrierenden Sigma-Delta-ADC-Architekturen sind die Messungen sequenziell und verursachen einen Overhead in der Software, die die Daten verarbeitet. Die SAR-ADC-Systemarchitektur (Successive Approximation Register) des MAX17853 hat den Vorteil, dass 14 Messreihen praktisch gleichzeitig durchführbar sind. Die Messgenauigkeit lässt sich durch den Einsatz eines digitalen Tiefpass-Rauschfilters weiter verbessern.
Das IC verfügt über zwei Stufen der digitalen Filterung. Ein spezieller Notch-Filter eliminiert Ungenauigkeiten beim Laden durch Herausfiltern der Ladelinienfrequenz (100 Hz / 120 Hz) und vereinfacht das gesamte Systemdesign. Dies verbessert die zeitliche Ausrichtung der Messung mit der Ladeschaltung (Bild 3). Ein Notch-Pass-Filter dämpft das allgemeine Rauschen der rauen Automobilumgebung.
Sammelschienenüberwachung und Kommunikation
Das Bauelement kann neben der Messung der Zellenspannungen auch den Sammelschienenstatus einfach überwachen. Jede Zelle kann zur Zellspannungsmessung oder zur Sammelschienenüberwachung Verwendung finden. Zell- und Sammelschienenspannungen im Bereich von -2,5 V bis +5 V misst das IC differenziell über einen 65-V-Gleichtaktbereich mit einer typischen Genauigkeit von 1 mV (3,6-V-Zelle, 25 °C). Die Sammelschienenmessungen erfolgen mit dem gleichen Zeitstempel wie die Zell- und Temperaturmessungen, was eine zeitsynchrone Messung und Überwachung ermöglicht.
Für eine robuste Kommunikation verwendet das System ein Maxim-Batteriemanagement-UART- oder SPI-Protokoll und ist optimiert, um einen reduzierten Funktionsumfang der internen Diagnose und der Schnellwarnkommunikation durch Embedded-Kommunikations- und Hardware-Alarmschnittstellen zu unterstützen. Auf diese Weise unterstützt es die Anforderungen von ASIL D und FMEA.
Fazit
MAX17853 ist ein aktuelles IC, das eine flexible Batteriekonfiguration ermöglicht. Dies spart Kosten und verkürzt die Zeit bis zur Qualifikation und bis zur Markteinführung des Designs. Mit dieser Lösung wird die Spannung an jeder Zelle mit hoher Genauigkeit für die Auswertung und das Balancing gemessen, während eine Überwachung der Sammelschienen auf Fehler stattfindet.
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Nazzareno Rossetti
Tamer Kira
Daniel Miller
(na)
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