Analogtipp Nano-IQ-Schaltungen für das Batteriemanagement (Teil 1)

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Der Ruhestrom ist besonders bei batteriebetriebenen Geräten wichtig. Ein geringer Ruhestrom sorgt für eine längere Batterielebensdauer. Andererseits ist für spezielle Funktionen eines ICs wie Wake up eine untere Grenze gegeben. Im Analogtipp werden verschiedene Entwurfsmechanismen vorgestellt, um diese Herausforderung zu lösen.

Das Minimieren der bei allen integrierten Schaltungen unweigerlich auftretenden Ruheströme (engl. Quiescent Current, I_Q) ist besonders in batteriebetriebenen Systemen wichtig, um die Ladeintervalle von Akkus oder die Lebensdauer nicht wiederaufladbarer Batterien zu verlängern. Häufig bieten Bauelemente die Möglichkeit, in Betriebspausen in eine Standby- bzw. Stromspar-Betriebsart zu wechseln, in der die sonst im Milliampere-Bereich liegende Stromaufnahme auf Werte im Mikro- oder gar Nanoampere-Bereich zurückgeht.

In zahlreichen batteriebetriebenen Produkten, wie Elektrowerkzeugen oder E-Bikes, muss der Ingenieur den I_Q-Wert gegen die Funktionalität des Batteriemanagement-Systems (BMS) in den verschiedenen Power-Modi abwägen. Wird es gerade verwendet, kann ein Elektrowerkzeug einige Ampere an Strom aufnehmen, sodass die Stromaufnahme des BMS nicht ins Gewicht fällt. Allerdings kann dieses Werkzeug auch mehrere Stunden oder Tage unbenutzt bleiben, sodass die Höhe des vom BMS aufgenommenen Stroms in diesem Bereitschaftsstatus große Bedeutung erlangt.

Auch im Sleep-Modus müssen bestimmte Funktionen aktiv bleiben. So muss ein Spannungsregler den System-Mikrocontroller speisen und in bestimmten Intervallen sind mit A/D-Wandlern Spannungs-, Strom- und Temperaturmessungen vorzunehmen. Die Stromaufnahme geht in diesem Zustand um den Faktor 10 oder mehr zurück, aber dennoch kann das jeweilige System auf Tastendruck umgehend aktiviert werden.

Bei für industrielle Anwendungen vorgesehenen Monitor-Bausteine lassen sich mehrere Sleep-Modi wählen. Zum Beispiel lässt sich festlegen, ob die Schutzfunktionen aktiv bleiben sollen und ob der Low-Dropout-Regler eingeschaltet bleiben soll, damit der Speicherinhalt des Mikrocontrollers erhalten bleibt und der Baustein nicht mehr Milli- sondern nur noch Mikrosekunden zur Reaktivierung benötigt. Ebenso können die Intervalle festgelegt werden, in denen Spannungs-, Strom- und Temperaturmessungen vorgenommen werden sollen.

Warum für BMS im Auto die Stromaufnahme relevant ist

Auch in BMS für Autos ist die Stromaufnahme des BMS relevant. Dies gilt nicht unbedingt, solange das Fahrzeug fährt und die Batterie geladen wird, aber während der unter Umständen sehr langen Standzeiten kommt es darauf an, die Stromentnahme aus der Batterie auf das absolute Minimum zu reduzieren. Dennoch müssen auch in diesen Betriebspausen bestimmte Funktionen, wie der Empfänger für den Funkschlüssel, aktiv bleiben. Derartige Always-on-Funktionen sollen im Durchschnitt nicht mehr als 100 µA aus der 12-V-Batterie eines Autos entnehmen, wenn es nach den Wünschen der Automobilhersteller geht. Die mit 12 V versorgte Battery Control Unit (BCU) enthält den Haupt-Mikrocontroller des BMS und ist mit einem DC/DC-Wandler oder einem Power-Management-IC ausgestattet. Ebenfalls zur BCU gehört eine BMS-Brücke, die die SPI/UART-Signale des Mikrocontrollers an die isolierte Daisy-Chain für die Batteriezellen-Monitore weiterleitet.

Die BCU vollständig abzuschalten, kommt nicht in Frage. Dies würde zwar die Stromaufnahme des BMS minimieren, aber das System könnte nicht mehr auf Schäden oder gefährliche Zustände reagieren, die in den Batteriezellen auftreten. Stattdessen wird der Mikrocontroller in einen Modus mit extrem geringer Stromaufnahme versetzt und die Reverse-Wakeup-Funktion der Brücke genutzt (Bild 1). Die Zellenmonitore alarmieren die Brücke, sobald ein kritischer Fehler auftritt, und diese wiederum aktiviert den Mikrocontroller, damit auf den Fehler reagiert werden kann.

Je niedriger die Stromaufnahme des Brücken-Bausteins ist, umso länger kann das Fahrzeug abgestellt werden, während die Batterie gleichzeitig sicher überwacht wird, ohne dass sie sich entlädt. Die Stromaufnahme des BQ79600 ist im Sleep-Modus kleiner als 7 µA, sodass sich das Risiko, die Batterie vollständig zu entladen, deutlich reduziert. (kr)

* Vishnu Ravinuthula ist Design Director Battery Management Solutions bei Texas Instruments in Dallas, USA.

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