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

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 (Ucell)

Die Ucell-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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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