Moderne Batteriemonitore, Zellenladungsausgleich und I/O-Isolierung für robuste BMS-Kerne

Wiederaufladbare Batterien (Akkus) sind grundlegende Elemente eines Batterie-Energiespeichersystems (BESS). Verschiedene chemische Zusammensetzungen werden zunehmend kombiniert und in Paketen mit Dutzenden, Hunderten oder sogar Tausenden von Zellen verwendet, um einen effizienteren Betrieb bei höheren Spannungen zu gewährleisten. Für Entwickler eines Batteriemanagementsystems (BMS) stellt diese Anordnung mehrere Herausforderungen dar, um optimale Performance, Effizienz, Zuverlässigkeit und Sicherheit zu erreichen.

Beispielsweise erfordert die Entwicklung oder Auswahl der integrierten Schaltkreise (ICs), die für die Anforderungen dieser Anwendung erforderlich sind, ein tiefgreifendes Verständnis der Batteriechemie, der Ladetechnik, der Überwachung, des Lastausgleichs, der Isolierung, der Sicherheit und der Kommunikationstechniken, um eine effektive Implementierung zu gewährleisten.

Um diese Herausforderungen zu bewältigen, haben Anbieter viele der erforderlichen Funktionen in weitgehend prozessorunabhängige, spezialisierte ICs integriert. Viele dieser ICs unterstützen verschiedene Lithium-basierte Batteriechemien sowie Nicht-Lithium-Zellen. Sie erfassen Daten zu Batteriezellen und treffen optimale Entscheidungen und Maßnahmen zum Batteriemanagement in Echtzeit. Sie liefern außerdem Daten über den Status und Zustand der Zellen an den Systemprozessor.

Dieser Artikel bietet einen kurzen Überblick über die besonderen Anforderungen an Mehrzellen-Akkupacks. Anschließend werden hochentwickelte, anwendungsspezifische, optimierte ICs von Analog Devices vorgestellt und beschrieben, wie diese zur Erfüllung dieser Anforderungen eingesetzt werden können.

Pakete mit einer hohen Anzahl an Zellen bringen zusätzliche Herausforderungen mit sich.

Der grundlegende Schaltplan eines Akkus, der aus zahlreichen Zellen besteht, die für eine höhere Spannung in Reihe und für einen höheren Strom parallel geschaltet sind, ist täuschend einfach. Es scheint so zu sein, dass die Anordnung lediglich eine Erweiterung eines Pakets aus einer oder wenigen Zellen ist, die nur wenig Verwaltung erfordern. Diese Pakete mit hoher Zellenzahl werden in Anwendungen wie Elektrowerkzeugen, die 18 V oder 48 V benötigen, Elektrofahrzeugen (EVs), die 400 V oder 800 V benötigen, und BESSs, die in der Regel 1500 V benötigen, eingesetzt.

Die Realität dieser größeren Akkupakete ist, dass sie Feinheiten und Komplexitäten aufweisen, die weit über das hinausgehen, was auf ihrem Schaltplan zu sehen ist. Die Herausforderung für das Management steigt exponentiell mit der Anzahl der Zellen und Pakete.

Zunächst müssen die einzelnen Zellen hinsichtlich Endspannung, Lade-/Entladungsprofil, Ladezustand (SoC), Temperatur und Anzeichen für einen bevorstehenden Ausfall überwacht werden. Darüber hinaus müssen die verschiedenen Zellen gemeinsam verwaltet werden, wobei ihre Unterschiede zu beachten und zu berücksichtigen sind.

Das Fehlen einheitlicher Vorschriften erschwert die Verwaltung von Batteriezellen zusätzlich. Die geeignete Strategie hängt auch von der Zellchemie ab. Es gibt Unterschiede zwischen den wichtigsten chemischen Zusammensetzungen, wie beispielsweise Lithium-Ionen (Li-Ionen) und Blei-Säure, sowie innerhalb einer bestimmten chemischen Zusammensetzung, wie beispielsweise den verschiedenen Li-Ionen-Formulierungen. Daher muss eine hochrangige BMS-Strategie auf die von ihr verwaltete Zellchemie zugeschnitten sein.

Aufgrund der großen Anzahl von Zellen in Batteriepacks mit höherer Spannung und höherer Kapazität und der zahlreichen Sicherheitsanforderungen, die diese Pakete erfüllen müssen, sind die lokale Überwachung und Verwaltung der Zellen die praktikabelste technische Lösung. Zwar gibt es in der Regel einen Host-Prozessor für das System, dieser kann jedoch in der Regel nur übergeordnete Überwachungsrichtlinien an die lokale Zellüberwachung weitergeben und die Gesamtleistung des Akkupacks bewerten. Die Überwachung und Verwaltung der einzelnen Akkuzellen erfolgt über eine autonome Elektronik, die Echtzeitfunktionen bereitstellt und weitgehend ohne Eingriff eines Prozessors auf Systemebene arbeitet.

Passiver versus aktiver Zellenausgleich

Der Zellenausgleich ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der Integrität eines Mehrzellenpakets und dafür, dass einige Zellen nicht überlastet werden, während andere nicht ausreichend genutzt werden. Es verhindert Schäden an Akkuzellen und -paketen und maximiert so die Leistung. Der Ladungsausgleich sorgt dafür, dass alle Zellen innerhalb eines Akkus gleichzeitig ihre volle Kapazität erreichen, wodurch Überladung, ungleichmäßiger Ladezustand, übermäßige Entladung und vorzeitiger Verschleiß verhindert werden und somit letztlich die Lebensdauer des Akkus verlängert wird.

Es gibt zwei Ansätze zum Ausgleich: den aktiven und den passiven. Der aktive Ladungsausgleich ist genauer und schneller als passives Balancing, aber komplizierter zu implementieren. Er verwendet eine aktive Schaltung, um die Ladung zwischen den Zellen in einem Akku-Pack neu zu verteilen und sicherzustellen, dass alle Zellen denselben Ladezustand (SoC) aufweisen. Diese Schaltung überwacht die Spannung jeder Zelle und passt den Lade- und Entladestrom entsprechend an.

Im Gegensatz dazu basiert der passive Ausgleich auf dem Ohmschen Gesetz und Ausgleichswiderständen, um alle Zellen auf denselben Ladezustand zu bringen. Der passive Ladungsausgleich ist nicht nur ungenauer und langsamer als der aktive Ausgleich, sondern leitet auch überschüssige Energie aus einer stärker geladenen Zelle ab (verschwendet sie).

Beginnen Sie mit der Überwachung mehrerer Zellen

Es gibt zwar viele ESS-Lösungen auf dem Markt, aber zwei wesentliche Funktionen eines BMS, die „nah am Geschehen“ sind, sind die Überwachung und der Ausgleich einzelner Zellen. Ein IC wie der ADES1830CCSZ (Abbildung 1), ein 16-Kanal-Batteriemonitor für mehrere Zellen und verschiedene Chemikalien, erfüllt diese Funktionen und bietet darüber hinaus viele wichtige Merkmale, die das gesamte Systemdesign und den Betrieb unterstützen und vereinfachen.

Abbildung 1: Der Multizellen- und Multichemie-Batteriezellenmonitor ADES1830CCSZ dient als grundlegender Baustein für ein umfassendes BMS. (Bildquelle: Analog Devices)

Dieser Mehrzellen-Batteriestapelmonitor misst bis zu 16 in Reihe geschaltete Batteriezellen mit einem Gesamtmessfehler über die gesamte Lebensdauer (TME) von weniger als 2 mV über den gesamten Temperaturbereich; der ansonsten identische ADES1831CCSZ hat einen etwas höheren TME von 5 mV. Der Messbereich von -2 V bis 5,5 V eignet sowohl den ADES1830 als auch den ADES1831 für die meisten Batteriechemien.

Um die Konsistenz bei der Überwachung von Paketen mit einer großen Anzahl von Zellen zu gewährleisten, können alle Zellen gleichzeitig und redundant mit zwei integrierten Analog/Digital-Wandlern (ADCs) gemessen werden. Diese ADCs arbeiten kontinuierlich mit einer hohen Abtastrate von 4,096 Megasamples pro Sekunde (MS/s), was eine reduzierte externe Analogfilterung und aliasfreie Messergebnisse ermöglicht. Bei Bedarf kann eine zusätzliche Rauschunterdrückung durch nachgeschaltete programmierbare IIR-Filter (Infinite Impulse Response) erreicht werden. Der ADES1830 und der ADES1831 verfügen außerdem über eine passive Lastausgleichsfunktion mit individueller Pulsweitenmodulation (PWM) zur Steuerung des Tastverhältnisses und unterstützen einen Entladestrom von bis zu 300 Milliampere (mA) pro Zelle.

Obwohl eine einzelne ADES1830- oder ADES1831-Komponente nur 16 in Reihe geschaltete Zellen unterstützt, können mehrere Komponenten miteinander verbunden werden, um Zellen in langen Hochspannungs-Batterieketten gleichzeitig zu überwachen. Um diese Verbindung zwischen den ICs zu erleichtern, verfügt jede Komponente über eine isolierte serielle Schnittstelle (isoSPI) für schnelle, HF-unempfindliche Fernkommunikation, wobei die Isolierung durch vom Benutzer ausgewählte Kondensatoren oder Transformatoren gewährleistet wird.

Auf diese Weise kann eine einzige Host-Prozessorverbindung Daten lesen und die gesamte Kette überwachen. Diese serielle Schnittstelle kann bidirektional betrieben werden, wodurch ihre Integrität auch bei einer Störung entlang der Kommunikationsstrecke gewährleistet ist.

Um die Anwendbarkeit dieser Multizellenmonitore zu optimieren, bietet Analog Devices das Evaluierungsboard EV-ADES1830CCSZ an (Abbildung 2, links). Für zusätzlichen Realismus können mehrere Evaluierungsboards über die isoSPI-Schnittstelle miteinander verbunden werden, um eine lange Reihe von Zellen in einem Stapel zu überwachen (Abbildung 2, rechts).

Abbildung 2: Das Evaluierungsboard EV-ADES1830CCSZ für den ADES1830 und ADES1831 (links) umfasst Mehrkanaleingänge für Zellspannungsmessungen, Zellenausgleichsschaltungen und isoSPI-Port-Vernetzung (rechts). (Bildquelle: Analog Devices)

Verbesserter Zellenausgleich für optimale Leistung

Die Optimierung der Performance größerer Mehrzellen-Packs erfordert einen verbesserten Zellenausgleich. Um dieser Herausforderung zu begegnen, bietet Analog Devices den ADES1754GCB/V+ (Abbildung 3) an, ein 14-Kanal-Datenerfassungssystem mit Hochspannungs-Akkuausgleich für verschiedene Chemikalien, das für die Verwaltung von Hoch- und Niederspannungs-Batteriemodulen entwickelt wurde.

Abbildung 3: Der ADES1754GCB/V+ ist ein 14-Kanal-Hochspannungs-Datenerfassungs-IC für verschiedene Chemikalien, der moderne Akkuausgleichstechniken unterstützt. (Bildquelle: Analog Devices)

Dieses System kann 14 Zellenspannungen und eine Kombination aus sechs Temperaturen mit vollständig redundanten Messmodulen in 162 Mikrosekunden (μs) messen. Alternativ kann es alle Eingaben ausschließlich mit der ADC-Messengine in 99 μs bewerten.

Für einen aktiven Zellenausgleich gibt es 14 interne Ausgleichsschalter, die für einen Zellenausgleichsstrom von über 300 mA ausgelegt sind und zur Unterstützung umfangreicher integrierter Diagnosefunktionen geschaltet werden können. Mit diesen Schaltern kann der IC so konfiguriert werden, dass er einen automatischen Ladungsausgleich mit einzelnen Zellen-Timern oder anhand der Zellspannung durchführt. Der IC verfügt außerdem über einen Notentladungsmodus.

Bis zu 32 Komponenten können verkettet werden für das Management von 448 Zellen und die Überwachung von 192 Temperaturen. Zellen- und Sammelschienenspannungen im Bereich von -2,5 V bis +5 V werden differenziell über einen Gleichtaktbereich von 65 V gemessen, mit einer typischen Genauigkeit von 100 μV. Für eine robuste Kommunikation verwendet das System das UART-Protokoll für das Batteriemanagement von Analog Devices und unterstützt eine I²C-Controller-Schnittstelle für die Verwaltung externer Geräte.

Wie für den ADES1830 und den ADES1831 bietet Analog Devices das Evaluierungsboard ADES1754EVKIT# (Abbildung 4, links) an, um die Erfahrung der Implementierung zu verbessern und die Einrichtungszeit zu verkürzen. Der physische Aufbau der Platine (Abbildung 4, rechts) ist für eine effiziente Verbindung mit mehreren Akkuzellen sowie für isolierte Prozessor-I/O optimiert.

Abbildung 4: Das ADES1754EVKIT# (links) beschleunigt den Prozess der Implementierung für den ADES1754; sein physikalisches Layout (rechts) ist für eine effiziente Verbindung mit mehreren Batteriezellen sowie isolierten Prozessor-I/Os optimiert. (Bildquelle: Analog Devices)

Das Kit bietet eine praktische Plattform zur Bewertung der Merkmale und Funktionen des IC sowie seiner elektrischen Parameter. Die vertikalen Kommunikationsanschlüsse des Kits ermöglichen zusammen mit dem Batteriepack-Stecker mit Schnappverriegelung den schnellen Aufbau und die Bewertung eines Systems mit bis zu 32 in Reihe geschalteten Komponenten.

Kommunikation und Sicherheitsisolierung vervollständigen den BMS-Kern

Aufgrund der offensichtlichen Sicherheitsbedenken im Zusammenhang mit hohen Batteriepack-Spannungen ist vorgeschrieben, dass die Kommunikationsverbindung zwischen dem BMS-Controller und den einzelnen Batterieüberwachungsgeräten eine galvanische (ohmsche) Trennung aufweist. Einige Mess- und Überwachungs-ICs bieten diese Isolierung direkt, viele jedoch nicht.

Um diese Anforderung in Fällen zu erfüllen, in denen sie nicht integraler Bestandteil der Schaltung ist, bietet Analog Devices den einkanaligen ADBMS6821 (Abbildung 5, links) und den zweikanaligen ADBMS6822 an. Diese Drop-in-kompatiblen, AEC-Q100-zertifizierten ICs implementieren bidirektionale isoSPI-Kommunikation und isolieren so Geräte über eine einzige verdrillte Doppelverbindung für jede Datenverbindung (Abbildung 5, rechts).

Abbildung 5: Der einkanalige ADBMS6821 (links) und der zweikanalige ADBMS6822 enthalten die erforderlichen Funktionsblöcke für die bidirektionale isoSPI-Kommunikation und lassen sich einfach über eine bidirektionale Schleife auf verdrillten Kabeln anschließen (rechts). (Bildquelle: Analog Devices)

Im Betrieb codiert jeder Transceiver logische Zustände in Signale, die über die Isolationsbarriere an einen anderen Transceiver übertragen werden. Die empfangende Komponente decodiert die Übertragung und versetzt den Peripheriebus in die entsprechenden Logikzustände.

Der Transceiver fungiert als Brücke zwischen dem SPI-Port des BMS-Mikrocontrollers und den isoSPI-Ports der einzelnen Batteriepack-Monitore. Er übersetzt Standard-SPI-Signale (CS, SCK, PICO und POCI) in Impulse, die bidirektional über verdrillte Kabel gesendet werden können.

Die Komponenten unterstützen Datenraten von 2 Megabit pro Sekunde (Mbit/s) und Kabellängen von 100 Metern (m) bei sehr geringer Empfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen (EMI) und sehr geringen Emissionen. Entwickler können je nach erforderlicher Nennspannung, verfügbarem Platz, gesetzlichen Vorschriften und anderen technischen Faktoren entweder Kondensatoren oder Transformatoren für die Trennbarriere verwenden.

Als weiterer Vorteil können die Transceiver mit anderen modernen Stapelmonitor-Lösungen der ADBMS-Familie von Analog Devices gekoppelt werden, um die Zellenspannungs- und Sensorüberwachung auch bei ausgeschaltetem BMS-Controller zu ermöglichen, was zu einem energiesparenden Zellenüberwachungsdesign (LPCM) führt.

Wie bei anderen BMS-Komponenten ist ein Evaluierungsboard eine wertvolle Ergänzung für Entwickler, um Funktionen zu untersuchen, zu testen und zu überprüfen. Für diese Transceiver ist ein voll funktionsfähiges Evaluierungsboard, das EVAL-ADBMS6822DEC (Abbildung 6), erhältlich. Es fungiert als dualer SPI-zu-2-Draht-isoSPI-Adapter mit dem zweikanaligen ADBMS6822, kann aber auch mit dem einkanaligen ADBMS6821 verwendet werden.

Abbildung 6: Als dualer SPI-zu-2-Draht-isoSPI-Adapter erleichtert das EVAL-ADBMS6822DEC die Entwicklung und Bewertung einer isolierten Verbindung zwischen dem BMS-Prozessor und einzelnen Zellenmonitorkomponenten. (Bildquelle: Analog Devices)

Mit diesem Evaluierungsboard können mehrere ADBMS68xx-Batteriemonitore über Daisy-Chain-Verbindungen miteinander verbunden werden. Das Board verfügt außerdem über einen reversiblen isoSPI-Port, der einen redundanten Kommunikationspfad zu den Peripherieeinheiten ermöglicht. Die Leiterplatte, die Bauteile und die Steckverbinder sind für eine geringe EMI-Empfindlichkeit und -Emission optimiert.

Fazit

Das ordnungsgemäße, effektive und effiziente Management von Akkupacks mit einer großen Anzahl von Akkuzellen und entsprechend hohen Spannungen ist eine komplexe Angelegenheit mit vielen konstruktiven Feinheiten. Optimierte, anwendungsspezifische ICs von Analog Devices bieten eine Vielzahl von Lösungen, um die erforderlichen technischen und regulatorischen Anforderungen zu erfüllen.