Schwerpunkte

Batteriemanagement

Ladezustand zuverlässig vorhersagen

12. März 2021, 14:30 Uhr   |  Stefano Gallinaro


Fortsetzung des Artikels von Teil 1 .

Überwachung mehrerer Zellen

Eine neue Art der Batterieüberwachung ist die Kombination eines 18-Zellen-Überwachungs- und Balance-ICs mit einem Mikrocontroller zu einem SPI Slave Isolated Interface. Der mehrzellige Batteriesatzwächter (Battery Stack Monitor, Bild 2) misst bis zu 18 in Reihe geschaltete Batteriezellen mit einem gesamten Messfehler von weniger als 2,2 mV. Aufgrund des Zellenmessbereichs von 0 bis 5 V eignet sich der Batteriesatzwächter für die meisten Batterie-Chemien. Alle 18 Zellen sind innerhalb von 290 µs messbar und es können niedrigere Datenerfassungsraten für eine hohe Rauschunterdrückung gewählt werden. Mehrere Batteriesatzwächter lassen sich in Reihe schalten, was eine gleichzeitige Zellenüberwachung von langen, hochspannungsführenden Batterieketten ermöglicht.

An jedem Stack-Monitor befindet sich eine isoSPI-Schnittstelle für schnelle, HF-immune Kommunikation über große Distanzen. Mehrere Bauteile sind in einer Daisy Chain mit einer Host-Prozessor-Verbindung für alle Bauteile verbunden. Die Daisy Chain lässt sich bidirektional betreiben, was die Kommunikations-Integrität auch im Falle eines Fehlers auf dem Kommunikationspfad sicherstellt. Das IC kann direkt vom Batteriesatz (Battery Stack) oder von einer isolierten Spannungsquelle versorgt werden. Es enthält passives Balancing für jede Zelle mit individueller PWM-Tastverhältnissteuerung für jede Zelle. Weitere Leistungsmerkmale sind ein Onboard 5-V-Regler, neun General-Purpose-I/O-Leitungen und ein Sleep-Mode, in welchem die Stromaufnahme auf 6 µA reduziert wird.

Aufgrund der kurz- und langfristigen Genauigkeitsanforderungen der BMS-Anwendung nutzt das Bauteil eine Buried-Zener-Wandlungsreferenz statt einer Bandgap-Referenz. Dies liefert eine stabile Primärspannungsreferenz mit geringer Drift (20 ppm/√kHr), niedrigem Temperaturkoeffizienten (3 ppm/K), niedriger Hysterese (20 ppm) und hoher Langzeitstabilität. Die Genauigkeit und Stabilität sind entscheidend, da sie die Basis für alle nachfolgenden Batteriezellenmessungen bilden und sich Fehler akkumulieren und auf die Daten-Glaubwürdigkeit, Algorithmus-Konsistenz und Systemleistungsdaten auswirken.

Obwohl eine hochgenaue Referenz ein notweniger Bestandteil für hohe Leistung ist, reicht dies alleine nicht aus. Die A/D-Wandlerarchitektur und ihr Betrieb müssen Spezifikationen in einer Umgebung mit elektrischen Störungen erfüllen, was aus den pulsbreitenmodulierten (PWM) Transienten des Hochstrom/Spannungs-Inverters des Systems resultiert. Die genaue Beurteilung des Lade- und Gesundheitszustands der Batterien erfordert auch korrelierte Spannungs-, Strom- und Temperaturmessungen.

Um das Systemrauschen abzuschwächen, bevor es die Leistungsdaten des Battriemanagemensystems (BMS) beeinträchtigt, nutzt der Stack-Monitor-Wandler eine Delta/Sigma-Topologie, unterstützt durch sechs vom Anwender wählbare Filteroptionen zur Adressierung rauschbehafteter Umgebungen. Das Delta/Sigma-Konzept verringert den Einfluss von elektromagnetischen Störungen und anderes transientes Rauschen, indem es von Natur aus viele Samples pro Wandlung mit einer mittelwertbildenden Filterfunktion nutzt.

Zellen im Ungleichgewicht

Cell Balancing ist in allen Systemen nötig, die große Batteriepacks verwenden, die entweder als Gruppe oder als Module angeordnet sind. Ein Beispiel dafür sind große Energiespeicher-Einheiten, die zur Versorgung der Mikronetze und Teilnetze im Krankenhaus verwendet werden. Obwohl die meisten Lithiumzellen beim Kauf gut abgestimmt sind, verlieren sie mit zunehmendem Alter Kapazität. Der Alterungsprozess kann von Zelle zu Zelle unterschiedlich verlaufen, was auf mehrere Faktoren zurückzuführen ist, beispielsweise Gradienten der Batteriesätze. Der Gesamtprozess verschlimmert sich, wenn eine Zelle außerhalb ihrer SOC-Grenzen arbeiten kann und dadurch vorzeitig altert und zusätzliche Kapazität verliert. Diese Unterschiede in der Kapazität, kombiniert mit kleinen Differenzen bei der Selbstentladung und Lastströmen, führen zu einem Zellenungleichgewicht.

Um das Zellenungleichgewicht zu beheben, unterstützt das Stapelmonitor-IC direkt die passive Balancierung (mit einem benutzerdefinierten Timer). Passives Balancing ist eine kostengünstige Methode, um den Ladezustand für alle Zellen während des Batterieladezyklus zu normalisieren. Durch die Entnahme von Ladung aus den Zellen mit geringerer Kapazität stellt passives Balancing sicher, dass diese Zellen nicht überladen werden. Das IC kann auch für aktives Balancing verwendet werden – eine kompliziertere Methode, bei der Ladung zwischen Zellen durch den Lade- oder Entladezyklus ausgetauscht wird.

Unabhängig davon, ob mit einem aktiven oder passiven Konzept gearbeitet wird, erfordert Cell Balancing eine hohe Messgenauigkeit. Mit steigendem Messfehler muss auch das vom System festgelegte Guardband erhöht werden. Daher ist die Wirksamkeit der Balancing-Leistungsfähigkeit begrenzt. Wenn der SOC-Bereich weiter eingeschränkt wird, steigt auch die Empfindlichkeit gegenüber diesen Fehlern. Der gesamte Messfehler von weniger als 1,2 mV liegt deutlich unter den Systemanforderungen.

Autor:Stefano Gallinaro ist Stratetic Marketing Manager bei Analog Devices

Schlagworte:USV, Batterien, Überwachung, Cell Balancing

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Originalpublikation:Dieser Artikel erschien zuerst in der Medizin+elektronik 5/2019 vom 6. September 2019.

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2. Überwachung mehrerer Zellen

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