Wie Echtzeituhren das Laden von E-Fahrzeugen sicherer machen

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Steht ein E-Fahrzeug in der Sommerhitze oder lädt an einer Schnellladesäule, kann die Batterie nachhaltig geschädigt werden. Mit Echtzeituhrenmodulen lässt sich dies verhindern.

Steht ein Elektro- und Hybridfahrzeug in der Sommerhitze oder lädt an einer Schnellladesäule, besteht die Gefahr, dass die Batterie durch Überhitzung, Über- oder Tiefentladung nachhaltig geschädigt wird. Die kontinuierliche Echtzeitmessung der Batterieparameter unter allen Betriebsbedingungen ist deshalb ein Muss. Ein geringer Energieverbrauch ist dann besonders wichtig. Echtzeituhrenmodule helfen dabei.

Echtzeituhren holen den Mikrocontroller in vorgegebenen Zeitabständen aus dem Power-Down-Modus, sodass ein Batteriemanagementsystem (BMS) regelmäßig die Spannung und Temperatur der Batteriezellen und des Batteriepacks messen und die Daten auswerten kann.

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Integrierte oder diskrete Lösung

Dies lässt sich durch Echtzeituhrenmodule (Real-Time-Clock-Module, RTC-Module) oder durch Mikrocontroller mit integrierter Echtzeituhrenfunktion plus externem Quarz realisieren. Für die Module mit integriertem Quarz spricht eine ganze Reihe von Argumenten. Dies sind in erster Linie ihre höhere Zuverlässigkeit, präzisere Ganggenauigkeit, ihr einfacheres Design und ihre geringere Stromaufnahme. Letztere ist vor allem dann von Bedeutung, wenn bei Ausfall der Primärversorgung eine alternative Energiequelle die Versorgungsspannung aufrechterhält.

Betrachtet man das Design, wird vor allem die Komplexität eines Oszillatordesigns speziell für Uhrenfunktionen häufig unterschätzt. Das führt nicht nur dazu, dass die gewünschte Genauigkeit nicht erzielt wird, sondern es kommt auch zu höheren Ausfallraten, meist wegen zu geringer Anschwingsicherheit. Denn oft wird nur die Initialtoleranz des Quarzes, also die maximale Gangabweichung bei Raumtemperatur, beachtet. Dies führt häufig zu Problemen, weil kHz-Quarze einen Frequenz-Temperaturgang haben, der einer nach unten offenen Parabel folgt. Das bedeutet: Jede Temperaturänderung führt dazu, dass die Uhr nachgeht. Dieser Effekt lässt sich durch eine integrierte Temperaturkompensation erheblich verringern, die nicht nur den parabolisch verlaufenden Temperaturgang ausgleicht, sondern auch die Initialtoleranz kompensiert und so die Ganggenauigkeit erheblich verbessert.

Beim Einsatz eines RTC-Moduls mit integriertem Quarz übernimmt der Bauteillieferant das Oszillatordesign und integriert den Halbleiter und den Quarz in einem hermetisch abgeschlossenen Gehäuse. RTC-Module gibt es in verschiedenen Ausführungen und mit unterschiedlichen Spezialfunktionen wie integriertem EEPROM oder einen Temperatursensor.

Über eine solche integrierte Temperaturkompensation verfügen etwa die RTC-Module der RA8900CE-Serie von Epson. Damit erreichen sie über den Betriebstemperaturbereich von –40 bis 85 °C eine Ganggenauigkeit von ±3,4 ppm. Die Module bestehen aus einem Halbleiter mit I²C-Schnittstelle und einem integrierten Quarz im 3,2 mm x 2,5 mm kleinen Gehäuse. Für den Einsatz in Elektro- oder Hybridfahrzeugen sind sie AEC-Q200-spezifiziert. Zudem verfügen sie über eine Schaltung zur automatischen Versorgungsumschaltung auf eine alternative Spannungsquelle (z.B. einen Supercap) für den Fall, dass die Primärversorgung ausfällt. Die Module der RA8900CE-Serie kommen im Backup-Modus mit typ. 700 nA bei 3 V Versorgungsspannung aus.

Ist eine hohe Genauigkeit für einen erweiterten Temperaturbereich erforderlich, empfiehlt sich die RA8804CE-Serie von Epson. Sie arbeitet zwischen 85 und 105 °C mit einer Genauigkeit von ±8 ppm und zwischen –40 und 85 °C mit ±3,4 ppm. Die Module sind AEC-Q100 spezifiziert und verbrauchen nur 350 nA typ. bei 3 V Versorgungsspannung und ausgeschalteten I/O-Ports. Zudem verfügen sie über einen Event-Eingang, der sich nutzen lässt, um externe Ereignisse mit einem Zeitstempel zu versehen.

Beide Serien erfüllen damit die vermehrt gestellten Anforderungen nach einer immer höheren Genauigkeit in einem breiteren Temperaturbereich bei kleineren Gehäusen.

Fixed Cycle Timer vereinfacht die Integration in ein BMS

Damit sich die RTC-Module möglichst einfach in ein BMS integrieren lassen, verfügen beide Serien über einen sogenannten Fixed Cycle Timer. Dieser generiert in einem vorgegebenen Rhythmus wiederholt einen Interrupt-Impuls, der die Überwachungsfunktion im Mikrocontroller triggern kann. Indem sich der Timer nach einmaliger Programmierung immer wieder selbst neu konfiguriert, um eine neue Zeitmessung zu starten, bleibt der Kommunikationsaufwand zum Mikrocontroller minimal. Das reduziert auch den Systemenergieverbrauch.

Speziell für BMS in Kraftfahrzeugen hat Epson eine ganze Reihe von Echtzeituhrenmodulen mit integriertem Quarz entwickelt. Sie basieren auf der QMEMS-Prozesstechnologie. QMEMS nutzt photolithografische Prozesse zur Bearbeitung der Quarzblanks, was speziell bei kleineren Bauformen zu verbesserter Charakteristika führt. Sie reduzieren vor allem die interne Verlustleistung und damit die Stromaufnahme. Aufgrund der effizienten Fertigungsmethoden sind die Quarz-basierenden Echtzeituhrenmodule auch preislich sehr attraktiv und punkten zusätzlich durch niedrigen Stromverbrauch und geringes Phasenrauschen. Da Epson nicht nur den Quarz hausintern fertigt, sondern auch den spezifischen Halbleiter, sind die Komponenten optimal aufeinander abgestimmt und ihre Verfügbarkeit ist gesichert.

* Stefan Hartmann ist Department Manager QD bei Epson Europe.

* Jochen Neller ist Mitarbeiter im technischen Support Inductors & Timing Devices bei Rutronik.

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