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Power-FETs trennen die Batterie im Fehlerfall entweder vom Ladegerät oder von der Last : Ausgabe 08/2017, 10.05.2017

Mehr Sicherheit für Li-Io-Batterien

Aktuelle Fehlfunktionen von Lithium-Ionen-Batterien weisen unmissverständlich darauf hin, dass das Batteriemanagementsystem dieses Batterietyps erheblich sicherer als bisher gestaltet werden muss.

Autor: Henning Wriedt, USA-Korrespondent

Bilder: Wriedt

In einem sehr aktuellen Whitepaper von Intersil weist der Autor unter anderem darauf hin, dass der Power-Feldeffekttransistor (FET) in einem Batteriemanagementsystem (BMS) eine besonders wichtige Funktion ausübt. Dieser FET soll bei unsicheren Funktionen des BMS die Batterie entweder von der Last oder der Ladeeinheit trennen. Das White-Paper erläutert die entsprechenden Monitorblöcke und wie sie auf den Status des Power-FETs wirken, damit die Lithium-Ionen-Batterien auf jeden Fall sicher betrieben werden.

Entweder mit diskreten Komponenten oder einem Power-FET-IC

Der Funktionsblock des Power-FETs erscheint übersichtlich: Der FET wird eingeschaltet, sobald eine Last oder die Ladeeinheit aktiv sind – oder abgeschaltet, wenn etwas schiefgeht. Damit die Power-FETs richtig funktionieren, muss der Schaltungsentwickler die Lastbedingungen, die Limitierungen der Batterie sowie das Funktionsblockschaltbild sehr gut verstehen. In einem BMS lassen sich die Power-FETs durch die Zellenspannung, den Batteriestrom sowie die Temperatur, die Last- und Lademonitorvergleiche steuern. Der entsprechende Funktionsblock wird in verschiedenen Versionen aufgebaut: entweder durch diskrete Komponenten, oder mit einem Power-FET-IC, der die meisten der Unterfunktionsblöcke integriert und sich als zusätzlicher IC für einen Multizellenmonitor/-ausgleicher anbietet. Ein Power-FET-IC eignet sich vorteilhaft in Batterieapplikationen mit zahlreichen Zellen (>16) in Solarfarmen und smarten Netzen.

Abschaltung der FETs bei Fehlfunktion

Den Funktionsblock eines Power-FETs findet man in voll integrierten BMS-ICs, wie zum Beispiel bei den Schaltungen ISL94202, ISL94203 und dem ISL94208. Jeder dieser ICs weist grundsätzlich die gleiche Funktionalität auf, wobei das Whitepaper die innere Funktionsweise eines jeden Unterblocks sowie Designüberlegungen für verschiedene Applikationen detailliert erläutert. Mit einem Blick auf die Schaltungskonfiguration erkennt man eine «high-side» und serielle FET-Konfiguration mit einem Motor. Der Ein-Zustand des Leistungs-FETs hängt von den Zellenspannungen der Batterie, dem Lade- und Entladestrom, der Temperatur und dem Status des Monitoranschlusses ab. Sobald einer der Unterblöcke eine Fehlmeldung abgibt, werden einer oder beide FETs abgeschaltet.

Unterspannung sollte man vermeiden

Die Vcell-Messung, ohne Beachtung des Zellenausgleichs, betrifft die Überwachung der Über- und Unterspannungen sowie des Zustandes «Offene Zelle». Eine Unterspannung sollte man vermeiden, damit die Zellen nicht aus ihrem aktiven Bereich fallen. Eine Lithium-Ionen-Batterie hat einen aktiven Spannungsbereich von 2,5 bis 4,2 V. Für eine Lithium-Polymer-Zelle sind diese Werte 2,5 und 3,6 V. Die Limitierungen für eine leere und volle Batteriezelle ergeben sich durch die Batterie­chemie und das Batteriedesign. Eine Ladung über obere Spannungslimits hinaus sollte man vermeiden, weil sonst die Zellen Schaden nehmen können. Die meisten BMS-ICs überwachen kontinuierlich die Spannungskonditionen, und zwar unabhängig vom Batterieladezustand. Weitere wichtige Einzelheiten finden sich im Bericht.

Die meisten Batteriesysteme, die Strommessungen durchführen, verfügen über drei Stromkomparatoren, die den DSC (Entladekurzschlussstrom), den DOC (Entladeüberstrom) und den COC (Ladeüberstrom) messen. Jedem Komparatorsignal folgt eine Verzögerung, wodurch der Strom für eine bestimmte Zeit grösser als das Limit sein kann, bevor entsprechende Funktionen ausgelöst werden.

Lasten stehen weniger im Zentrum als Ladeeinheiten. Es braucht eine schnelle Entladestromreaktion, bevor die Batterie oder sogar der Leistungs-FET Schaden nehmen. Einige Hundert Mikrosekunden Verzögerung werden im Allgemeinen für ein DSC-Ereignis als ausreichend erachtet, um die Leistungs-FETs rechtzeitig abzuschalten.

Die meisten Datenblätter von Leistungs-FETs zeigen ein typisches Datendiagramm, das das Verhältnis zwischen FET-Strom, VDS und Zeitspanne illustriert. Der Bericht beschreibt eine 20-V-Batterie, die einen Kurzschlussstrom von 100 A liefern kann. Die entsprechende Grafik zeigt, dass der FET diese Situation 1 ms lang überstehen kann. Zahlreiche weitere und wertvolle Informationen kann man dem Whitepaper entnehmen.

Zwei Thermistoren

In den meisten kleinen und etwas grösseren Batterieeinheiten überwachen zwei Thermistoren die Temperaturen. Einer befindet sich im Zentrum der Batterieeinheit, wo die Temperatur durch die Zellenisolierungen höher ist. Durch diese höhere Temperatur altern diese Zellen schneller als die äusseren, deren Temperatur der zweite Thermistor misst. Ausreichend genaue Temperaturmessungen verhindern thermische Probleme und ermöglichen ein sicheres Laden oder Entladen.

Das Whitepaper «Putting Safety into Li-ion Battery Packs» steht zum Download bereit. 

Whitepaper: 08_17.01.pdf

Infoservice

Intersil Corp.
1001 Murphy Ranch Road, Milpitas, CA 95035, USA
Tel. 001 408 432 8888
www.intersil.com



Die Abschaltzeit eines FET sollte im sicheren Betriebsbereich des Leistungs-FET liegen


Vereinfachtes Schaltungsdiagramm für die Steuerung der Leistungs-FETs


Das Überwachen von Batterien erhöht deren Sicherheit und verlängert die Lebensdauer