So warten Sie den Lithium-Ionen-Akku

Lithium-Ionen-Batterieanwendungen wurden in unser Leben integriert. Wir können elektrische Motorräder, tragbare Elektrowerkzeuge und Plug-in-Hybridfahrzeuge haben. Immer wenn es um Strom geht, gibt es lithium-ionen-batterien. Die Tatsache, dass lithium-ionen-akkus Schutzschaltungen für diese Batterien entwickeln, war noch nie so wichtig.

Der Leistungs-FET ist ein wichtiges Sicherheitsmerkmal im Batteriemanagementsystem (BMS), dessen Hauptzweck darin besteht, den Akku unter abnormalen Bedingungen von der Last oder dem Ladegerät zu trennen. In diesem Artikel wird erläutert, wie der Block angewendet wird und wie er auf den Leistungs-FET angewendet wird, um einen sicheren Betrieb des Li-Ion-Akkus zu gewährleisten.

Der Leistungsblock FET scheint nicht kompliziert zu sein: Schalten Sie den FET ein, wenn das Ladegerät oder die Last angeschlossen ist. Schalten Sie den FET aus, wenn ein Fehler auftritt. Um ordnungsgemäß als Leistungs-FET zu funktionieren, müssen Konstrukteure die Lastbedingungen, die Grenzwerte für Akkus und die Funktionsblockschaltungen verstehen.

In Batteriemanagementsystemen werden Leistungs-FETs durch Vergleiche von Zellenspannung, Batteriestrom, Temperatur, Last und Ladungsüberwachung gesteuert. Funktionsblöcke werden im System auf drei Arten aufgebaut: (1) durch diskrete Komponenten, die zusätzlichen Platz auf der Platine erfordern, und der Konstrukteur benötigt ein tiefes Verständnis für jeden Unterblock. (2) Integrieren Sie den Leistungs-FETIC der meisten Unterfunktionsblöcke und verwenden Sie ihn als Begleit-IC für Mehrkernmonitore / Equalizer. Power-FETICs sind sehr nützlich in Anwendungen mit hoher Zellzahl ("16 Zellen") wie Solarparks und Smart Grids. (3) Leistungs-FET-Funktionsblöcke in vollständig integrierten BMSICs wie ISL94202, ISL94203 und ISL94208. Die Funktionen dieser drei Schemata sind ungefähr gleich. In diesem Artikel werden die eigentlichen Funktionen der einzelnen Unterblöcke und die Entwurfsüberlegungen für verschiedene Anwendungen erläutert.

Betrachten Sie die Schaltungskonfiguration von Abbildung 1. Das System ist eine High-Side-Serien-FET-Konfiguration, die an den Motor angeschlossen ist. Der Einschaltzustand des Leistungs-FET hängt von der Zellenspannung des Akkus, den Lade- und Entladeströmen, der Temperatur und dem Zustand der Monitorstifte ab. Jeder vom Unterblock gemeldete Fehler führt dazu, dass einer oder beide FETs ausgeschaltet werden.

Vcell Erkennung

Die Vcell-Erkennung, bei der der Zellausgleich nicht berücksichtigt wird, ist eine Spannungsmessung zur Überwachung von Überspannung, Spannung und Bedingungen offener Zellen. Der Unterspannungszustand ist wichtig, um den Leerlaufzustand des Akkupacks zu erkennen und zu verhindern, dass die Zelle aus dem aktiven Spannungsbereich (acTIveregion) entweicht. Die aktive Fläche der Lithium-Ionen-Batterie beträgt 2,5 V bis 4,2 V. Die aktive Fläche der lithium-polymer-batterie beträgt 2,5 V bis 3,6 V. Abhängig von der Chemie und dem Design bestimmt die Grenzspannung der Zelle die Grenzwerte für Volllast- und Leerlaufzellen. Überschreiten Sie beim Laden des Akkus nicht die obere Spannungsgrenze. Andernfalls kann der Akku beschädigt werden. Die meisten BMSICs überwachen kontinuierlich die Überspannung und unter Spannungsbedingungen, unabhängig vom Ladezustand der Batterie.

Nach dem Messen aller Zellen im Akkupack ist es hilfreich, die gesamte Spannungsdifferenz zwischen der stärksten und der schwächsten Zelle anzugeben. Große Spannungsunterschiede im Akkupack können Ereignisse mit offenen Zellen oder offenen Leitungen identifizieren. Die meisten Systeme verfügen über einen Open-Line-Test, um sicherzustellen, dass das Messsystem mit Drähten an die Zellen angeschlossen ist. Der Open-Line-Test ist nicht so häufig wie die Messung der Zellenspannung, und das Ergebnis der Berechnung der Zellenspannungsdifferenz kann als Frühwarnung vor einem Systemausfall verwendet werden.

Ein Open-Cell-Ereignis ist ein interner offener Stromkreis oder ein externer Verbindungsschaden. Das Auftreten eines Vorfalls kann langsam oder plötzlich sein. Mögliche Ursachen für Ereignisse offener Zellen sind Alterung, schlechte Qualität der Zellherstellung oder Langzeitbetrieb in rauen Umgebungen. Externe Verbindungsschäden werden im Allgemeinen durch eine schlechte Batteriepackkonstruktion verursacht.

Wenn der Akku an die Last angeschlossen wird, wird ein großer Einschaltstrom erzeugt, und es kann ein Fehlalarm der maximalen Zellenspannungsdifferenz auftreten. Der Einschaltstrom, der aufgrund einer Fehlanpassung der Zellimpedanz multipliziert wird, kann zu einer starken Fehlanpassung der Zellenspannung führen. Einige Chips haben eine Verzögerung bei der Meldung von Ereignissen, andere nicht.

Stromerkennung

Die meisten zur Strommessung verwendeten Batteriesysteme verfügen über drei Stromkomparatoren: Entladekurzschluss (DSC), Entladung über Strom (DOC) und Ladung über Strom (COC). Jeder Komparator erzeugt eine Verzögerung, die es ermöglicht, dass der Strom für einen bestimmten Zeitraum über dem Grenzwert liegt, bevor Maßnahmen ergriffen werden.

Die Last wird weniger gesteuert als das Ladegerät. Daher ist eine schnelle Stromentladungserkennung erforderlich, um den Leistungs-FET auszuschalten und Schäden an der Batterie oder am Leistungs-FET selbst zu vermeiden. Wenn ein DSC-Ereignis auftritt, wird der Leistungs-FET häufig für zehn bis Hunderte von Millisekunden ausgeschaltet. Die DSC-Verzögerung besteht aus der Zeitverzögerung und der Zeit, die der Leistungs-FET zum Ausschalten benötigt. Der Leistungs-FET wird ausgeschaltet, wenn das Gate und die Source durch einen Isolationswiderstand verbunden sind. Der Widerstand und der Gatekondensator bilden die RC-Schaltung und bestimmen die Ausschaltzeit des FET.

Beim Einstellen der gesamten DSC-Ausschaltverzögerung sind viele Faktoren zu berücksichtigen. Die DSC-Ausschaltzeit wird durch die Zeit bestimmt, zu der die Batterie und der Stromkreis beschädigt sind, verglichen mit der Zeit, zu der der Einschaltstrom fließen darf, wenn die Last aktiviert oder angeschlossen wird. Die DSC-Ausschaltzeit muss mit der Ausschaltzeit des FET abgeglichen werden. Eine übermäßige FET-Ausschaltgeschwindigkeit kann große Spannungstransienten an den Zellenmessstiften verursachen. Der Pin, der dem Leistungs-FET am nächsten liegt, ist am anfälligsten für große Spannungstransienten. Diese transienten Ereignisse sind die induktive Energie, die in der Spur zwischen dem Leistungs-FET und der Batterie gespeichert ist. Dies ist das Ergebnis einer Divergenz, wenn sich der Akku plötzlich von der Last trennt. Die Induktorenergie divergiert von der offenen Last, bis die Spannung ausreichend ansteigt, um die ESD-Diode des angeschlossenen Stromkreises zu aktivieren. Wenn die Energie ausreicht, wird das Bauteil einer übermäßigen elektrischen Belastung ausgesetzt. Die in der Spur gespeicherte Energiemenge ist das Produkt aus der Induktivität der Spur und dem zur Last fließenden Strom. Die in der Spur gespeicherte Energie ist unter Entladungskurzschlussbedingungen am höchsten. Durch Filtern am Zellenspannungsstift wird die Wahrscheinlichkeit von EOS-Ereignissen verringert. In der Praxis sollte die Spur so kurz wie möglich und so breit wie möglich sein. Die Größe und Länge des Kabels zwischen der Last und dem Leistungs-FET sollte ebenfalls sorgfältig ausgewählt werden. Dies ist ein weiterer Faktor, der transiente Hochspannungsereignisse verursachen kann.

Durch Erhöhen des Isolationswiderstandswerts zwischen dem FET-Gate und dem FET-Steuerstift wird die Größe des Spannungsübergangs durch Verlängerung der FET-Ausschaltzeit verringert. Gleichzeitig verlängert dies die Einschaltzeit des Leistungs-FET um die RC-Zeitkonstante, an der die FET-Kapazität beteiligt ist. Bitte beachten Sie, dass es in beiden Fällen Isolationswiderstände gibt.

Eine zu langsame Abschaltgeschwindigkeit des Leistungs-FET kann dazu führen, dass der Leistungs-FET beschädigt oder abgeschaltet wird. Wie in Abbildung 2 dargestellt, bieten die meisten Leistungsdatenblätter für Leistungs-FETs eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen FET-Strom und VDS sowie der Dauer. Stellen Sie sich einen 20-V-Akku mit einem Kurzschlussstrom von 100 A vor. Die folgende Abbildung zeigt, dass der FET unter dieser Bedingung 1 Millisekunde lang laufen kann.

In der Praxis wird die DSC-Grenze normalerweise mit der Einschaltstromdauer ausgeglichen. Der Einschaltstrom kann das 100-fache oder mehr des Betriebsstroms betragen. Fig. 3 zeigt ein Beispiel eines transienten Einschaltstromereignisses mit einer Einschaltstromspitze von 270 A und einer Betriebsstromaufnahme von 8 A. Wenn der Einschaltstrom die DSC-Grenze überschreiten darf, schaltet der FET zwischen dem Ein- und dem Ausschaltzustand um.

Die Entladung über Stromgrenze und Verzögerung sind die sekundären Grenzen, die die beschädigte Last oder das beschädigte System (das nach einer Beschädigung noch läuft) identifizieren oder die falsche Last an den Akku anschließen. DOC-Bedingungen bestehen viel länger und erfordern weniger zu berücksichtigende Faktoren als DSC.

Die Überstromgrenze verhindert, dass der Akku überladen und den Akku mit dem falschen Ladegerät aufgeladen wird. Durch die COC-Verzögerung kann in kurzer Zeit ungeregelte Ladung zur Batterie fließen. Abbildung 5 zeigt die Lastkurve eines Scooters. Der Motor lädt die Batterie auf, wenn der Strom negativ ist. Der regenerative Strom vom Motor kann erheblich größer sein als der Ladestrom. Die Einstellung des COC-Grenzwerts liegt nahe am Strom des Ladegeräts, um zu verhindern, dass der Akku mit dem falschen Ladegerät aufgeladen wird. Die meisten regenerativen Ströme haben eine kurze Dauer. In Fig. 5 ist der nach 250 Sekunden aufgezeichnete Regenerationsstrom der Fall, wenn das Motorrad bergab fährt. Der Regenerationsstrom bei etwa 280 Sekunden ist der Fall, wenn das Motorrad zum Stillstand kommt. Der Ladestrom dieses Akkus beträgt 2A.

Die Einstellung des Ladestroms beinhaltet viele Faktoren. Der Hauptfaktor ist die Ladungsakzeptanz der Zelle selbst. Weitere Faktoren sind Ladezeit, Zellenheizung und Batteriealterung.

Temperaturprüfung

Der Hauptgrund für die Erfassung der Zelltemperatur besteht darin, sicherzustellen, dass die Batterie kein thermisches Durchgehen erreicht. Die Bedingungen, die ein thermisches Durchgehen verursachen können, sind Überladung der Zelle, Kurzschluss zum Batteriepack oder interner Kurzschluss der Zelle selbst. Einige chemische Batterien sind relativ anfällig für thermisches Durchgehen.

Neben der thermischen Durchgehenerkennung wird in der Praxis auch die thermische Erkennung verwendet, um festzustellen, ob der Akku sicher geladen oder entladen wird. Die meisten Lithiumbatterien bieten einen empfohlenen Lade- / Entladetemperaturbereich. In Anwendungen wie Notebooks kann es wünschenswert sein, in der einzigen zulässigen Entladungstemperaturzone zu laden. JEITA ist ein lithium-batterieladestandard. Der Standard befürwortet die Reduzierung des Ladestroms in einer Temperaturzone, in der die Zelle nicht sehr stabil ist oder weniger Ladung aufnehmen kann.

Für eigenständige BMSICs ist es wichtig, die Funktionsblöcke und Leistungs-FETs zu verstehen, die ihre Aktivitäten im Arbeitsbereich ausführen. Einige ICs ermöglichen das Laden, wenn sowohl der Lade-FET (CFET) als auch der Entladungs-FET (DFET) eingeschaltet sind. Andere ICs schalten den CFET aus. Der CFET darf in einer Reihenstrom-FET-Konfiguration niemals ausgeschaltet werden, wenn das Zelltemperaturprofil nur den Betrieb des Entladungsbereichs zulässt. Wenn die Last bei ausgeschaltetem CFET betrieben wird, kann Strom durch die Body-Diode des CFET fließen. Dies erhöht die Verlustleistung des FET, wodurch die FET-Temperatur ansteigt. Wenn keine Maßnahmen ergriffen werden, um die vom FET erzeugte Wärme zu eliminieren, z. B. durch ein Schaltungslayout oder die Verwendung eines Kühlkörpers, können die Komponenten beschädigt werden. Das Herunterfahren des CFET bei Betrieb in einer Serienkonfiguration reduziert auch den Stromverbrauch der Last, was sich auf die Anwendungsleistung auswirken kann.

Die meisten kleinen und mittleren Akkus verwenden zwei Thermistoren zur Überwachung der Temperatur. Einer der Thermistoren befindet sich in der Mitte des Batteriepacks, und die Temperatur ist hier aufgrund der Isolierung von den Batteriezellen höher. Diese Zellen altern aufgrund der höheren Betriebstemperaturen schneller. Der zweite Thermistor befindet sich außerhalb des Akkus und wird hauptsächlich zur Messung der Umgebungstemperatur verwendet. Die richtige Temperaturerfassung verhindert, dass der Akku thermisch entweicht, und stellt sicher, dass er sicher geladen oder entladen werden kann.

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