Power-Tipp EV-Akkus: So funktioniert das autonome Cell Balancing

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In diesem Power-Tipp erklären wir, wie der Ladungsausgleich zwischen den einzelnen Akkus in der Elektroauto-Batterie funktioniert und stellen einen Baustein vor, mit dem sich durch optimiertes Wärmemanagement die Lebensdauer des Akkus verlängern lässt.

Fertigungsbedingte Unterschiede oder uneinheitliche Betriebsbedingungen führen bei allen mehrzelligen Akkus zu einem ungleichen Altern der einzelnen Zellen. Ein Akku aber kann nur so lange Ladung liefern, bis die schwächste Zelle vollständig entladen ist – auch wenn in den anderen noch genügend Kapazität vorhanden ist.

Man sorgt deshalb für einen Ladungsausgleich (engl. Cell Balancing) zwischen den Zellen, damit sich die Kapazität der Batterie maximal ausschöpfen lässt. Dies steigert die Reichweite bei einem Elektrofahrzeug (EV). Zudem verhindert Cell Balancing das Tiefentladen und Überladen – beides wirkt sich nachteilig für die Lebensdauer der Batterie aus.

Welche Verfahren zum Cell Balancing gibt es?

Man unterscheidet zwischen aktivem und passivem Cell Balancing. Ersteres sorgt mithilfe von DC/DC-Wandlern für die Umverteilung der Ladung zwischen den Zellen. Durch verbesserte Fertigungsverfahren und Klassifizierung sind die Unterschiede zwischen den Zellen innerhalb eines Akkus nur noch gering, sodass man die sich langsam aufbauenden Abweichungen durch regelmäßiges Cell Balancing mit niedrigen Strömen im Griff hat.

Beim passiven Cell Balancing wird die Ladung aus kapazitätsstärkeren Zellen abgeführt und mithilfe eines Widerstands in Wärme umgesetzt, bis das Ladungsniveau in allen Zellen gleich ist. Vorteile dieser Technik liegen in der Einfachheit und niedrigeren Kosten. Eine Gegenüberstellung beider Verfahren zeigt Bild 1.

Ein Problem stellt die beim passiven Cell Balancing entstehende Wärme dar, denn Lithium-Ionen-Akkus altern mit zunehmender Temperatur schneller. Auch wenn ein thermischer Durchbruch verhindert wird, werden die zum Cell Balancing notwendigen Schalter und Widerstände durch eine übermäßige Erwärmung beschädigt.

Es ist deshalb absolut notwendig, beim passiven Cell Balancing den Anstieg der Temperatur sowohl des Akkus selbst als auch des Batteriemanagement-Systems genau zu überwachen.

Schalter für mehr Sicherheit für EV-Batterien

Der BQ79616-Q1 steuert das passive Cell Balancing mithilfe eingebauter Schalter, die sich während des Balancings erwärmen. Der Baustein und die zugehörigen Widerstände bilden Hotpots auf der Leiterplatte.

Um Überhitzungen zu vermeiden, werden die Chip-Temperatur und die Thermistor-Temperatur überwacht. Bei hoher Chip-Temperatur wird eine Fehlermeldung an den Mikrocontroller gesendet, der das Cell Balancing daraufhin unterbrechen kann, bis die Fehlermeldung aufgehoben wird.

Im Verbund mit einem Thermistor unterbricht der Baustein das Balancing automatisch, sobald die Temperatur einen entsprechenden Grenzwert überschreitet. Nachdem die Temperatur gesunken ist, startet das Cell Balancing erneut. Die entsprechende Beschaltung ist in Bild 2 zu sehen.

Übertemperatur und Pausieren des Cell Balancings

Wenn das Cell Balancing pausiert, werden auch sämtliche Balancing-Timer und -Einstellungen angehalten, damit diese nach Ende der Pause wieder zur Verfügung stehen. Um Temperaturanstiege durch externe Balancing-Widerstände zu berücksichtigen, kann der Chip das Balancing auf allen Kanälen unterbrechen, sobald einer der an die GPIO-Pins angeschlossenen Thermistoren eine Grenzwertüberschreitung meldet.

Wird eine Übertemperatur detektiert, wird das Cell Balancing auf sämtlichen freigegebenen Kanälen erst wieder aufgenommen, wenn alle aktiven Thermistoren eine Temperatur unterhalb des gesetzten Grenzwerts registrieren.

Fazit: Das autonome Cell Balancing trägt zur Maximierung der Batterielebensdauer bei und stellt damit einen wichtigen Pluspunkt für EV-Batterien dar. Wenn die Lösung zusätzlich ein Wärmemanagement für den IC und eine Fehlermeldungs-Funktion für den Mikrocontroller mitbringt, sind alle Voraussetzungen für einen schnellen und sicheren, kostenoptimierten Ladungsausgleich gegeben.  (KR)

* Sudhir Nagaraj ist „Systems and Functional Safety Manager“ bei Texas Instruments in Dallas / USA.

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