Wie PhotoMOS-Relais für sicheres Batteriemanagement sorgen

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Ein weiterer Einsatzbereich für PhotoMOS

Ein weiterer Einsatzbereich für PhotoMOS Halbleiterrelais ist das sog. Cell Balancing. Nachdem die bisher häufig verwendeten NiMH-Akkus viel Pflege benötigen, geht der Trend in aktuellen Elektro- und Hybridfahrzeugen eindeutig zu Lithium-Ionen-Zellen. Diese sind weniger wartungsintensiv, leistungsfähiger und langlebiger.

Nachdem jeder Vorteil aber auch einen Nachteil mitbringt, benötigt man durch die Nutzung von Lithium-Ionen-Akkus eine zusätzliche Beschaltung. Denn diese Akkus sind sehr empfindlich gegen Überladung (Zellenspannung > ~4,2 V) und Tiefentladung (Zellenspannung < ~2,75 V), weswegen die Zellen beim Laden meist einzeln kontrolliert werden müssen. Um dies zu vereinfachen, sind bei mehrzelligen Akkus für jede Zelle separate Anschlüsse vorhanden und von außen zugänglich. Dadurch kann jede Zelle einzeln geladen und mit Hilfe von PhotoMOS-Relais in jeder Zelle die gleiche Ladung aufrechterhalten werden.

Um einen gleichmäßigen Ladezustand der Zellen zu erreichen, werden auf Basis von Ladezustandsanalysen Zellen gezielt symmetriert. Somit wird die optimale Leistungsfähigkeit der Zellen gewährleistet und ein überladen bzw. tiefentladen vermieden, was sich positiv auf die Lebensdauer auswirkt. Aufgabe der PhotoMOS ist, wie Bild 4 zeigt, gezielt parallele Widerstände zu- oder wegzuschalten und somit einen Einfluss auf den Ladestrom zu erhalten.

Im Cell Balancing kommen üblicherweise PhotoMOS-Typen in Mehrkanalausführung mit niedrigen Übergangswiderständen für Schaltspannungen bis 60 V zum Einsatz; etwa der Typ AQW212HAXC** im DIP8-Gehäuse mit einer Schaltleistung von 60 V/ 500 mA auf zwei Kanälen. Das Cell Balancing ist eine Paradeapplikation der PhotoMOS-Bauteile, da sie hier ihre Vorteile des schnellen, lautlosen und prellfreien Schaltens bei gleichzeitig sehr niedrigen Übergangswiderständen der Niedervolttypen vollkommen ausschöpfen können.

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Eine weitere Einsatzmöglichkeit für die PhotoMOS-Relais ist die Kommunikation zwischen der LV- und der HV-Seite, weil hier wieder die Vorteile der hohen I/O-Isolationsspannung von 5 kV und die Linearität der MOSFET-Transistoren am Ausgang zum Zug kommen. Im einfachsten Fall ist dies ein einfaches Wake-up-Signal auf der HV-Seite, beispielsweise für einen Mikrocontroller, welches auf der LV-Seite durch einen Stromfluss durch die LED erzeugt wurde (Bild 5).

Es spielt dabei keine Rolle in welcher Richtung die Kommunikation verläuft, da die unterschiedlichen Potenziale durch die optisch galvanisch getrennte Kopplung im Inneren der PhotoMOS sicher beibehalten werden. Als Beispiel für diese Anwendung kann der Typ AQY215HAXC** genannt werden, der eine Schaltleistung von 100 V/ 250 mA hat und in der kompakten DIP4-Bauform ausgeführt ist.

Wie alle im Automotive-Bereich verwendeten Bauteile müssen auch die in Elektro-und Hybridfahrzeugen eingesetzten PhotoMOS den strengen Anforderungen genügen. Hierbei werden neben höchster Zuverlässigkeit und Qualität auch die Absolvierung diverse Testreihen vorausgesetzt, vor allem wenn die Bauteile in sicherheitsrelevanten Applikationen (wie die beschriebene Isolationsüberwachung) eingesetzt werden sollen.

Weil gerade für Automotive-Anwendungen eine Vielzahl von Parametern zu berücksichtigen sind, um ein zuverlässiges Design zu entwickeln, ist es dringend ratsam die Bauteilauswahl im engen Dialog mit dem Hersteller zu treffen. Auch aus diesem Grund gibt es keine allgemeingültigen Automotive-Datenblätter, sondern applikationsspezifische Sondertypen, die mit Hilfe von ausführlichen Testreihen für die jeweilige Anwendung optimiert wurden. Denn nur so kann man dem Qualitätsstreben im Automotive-Bereich entgegnen.

Aber auch der interne Aufbau für Automotive-qualifizierte Bauteile unterscheidet sich von Standard-PhotoMOS. Die sogenannten „Double Molding“-Typen wurden extra für die harten Umgebungsbedingungen und insbesondere für die ständig wechselnden Temperaturen entwickelt und optimiert. Um die bestmögliche Qualitätsstufe zu erreichen, durchläuft jeder Automotive-qualifizierte PhotoMOS spezielle Zyklen im 100%-Test am Ende der Fertigungslinie. Doch der Aufwand im Automotivbereich wird noch weiter getrieben: Neben speziellen Verpackungen werden die Bauteile auch mit erweiterten Datumskodierungen versehen, um eine optimale, chargenabhängige Rückverfolgbarkeit zu garantieren.

* Michael Renner ist Applikationsingenieur und Sebastian Holzinger Sr. Manager PhotoMOS & SSR Relais bei Panasonic Electric Works, Holzkirchen.

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