Batterieschutz
Lithium-Ionen-Batterien sind aufgrund ihrer hohen Leistungsdichte sehr beliebt. Das instabile Verhalten von Lithium-Ionen-Batteriezellen unter kritischen Bedingungen verlangt jedoch eine sehr vorsichtige Handhabung.
Dies bedeutet, dass zur Überwachung des Batteriezustands und zur Gewährleistung der Betriebssicherheit ein Batteriemanagementsystem (BMS) erforderlich ist. Batteriemanagementsysteme verfügen typischerweise über einen elektronischen Schalter, der die Batterie unter kritischen Bedingungen, die zu gefährlichen chemischen Reaktionen führen könnten, vom Ladegerät bzw. von der Last trennt. Eine Batterieschutzvorrichtung (BPU) verhindert mögliche Schäden an den Batteriezellen und somit den Ausfall der Batterie.
Beispiele für kritische Bedingungen:
- Überladung: Die Batterie wird über ihre maximale Kapazität hinaus geladen.
- Über- und Untertemperatur: Die interne Temperatur der Batteriezellen liegt außerhalb des Temperaturbereichs für den sicheren Betrieb der Batterie.
- Übermäßige Entladung: Die Batterie wird so weit entladen, dass die minimale Kapazität unterschritten wird.
- Überstrom: Die Batterie erleidet einen Kurzschluss oder wird einem übermäßigen Einschaltstrom ausgesetzt wird.
- Verpolung: Die Batterieklemmen werden beim Anschluss an das Ladegerät Gerät vertauscht.
Wenn unter solchen Bedingungen keine Trennung vom Ladegerät oder kein Batteriemanagement möglich sind, können die folgenden Probleme auftreten:
- Thermisches Durchgehen: Diese Störung tritt oft nach dem Überladen oder Überhitzen der Batterie auf. Eine Überhitzung kann durch zu hohe Umgebungstemperaturen oder durch das Laden/Entladen von Batterien mit hohen Stromstärken verursacht werden. Beim thermischen Durchgehen werden nicht nur die Batteriezellen beschädigt, sondern es kann auch zu einem Brand kommen.
- Zelltod: Dies kann die Folge einer Entladung der Batterie unterhalb des für sie gültigen Kapazitätsschwellenwerts sein.
- Beschädigung des Ladegeräts: Tritt oft infolge einer unzureichenden Regelung der Einschaltströme oder bei Verpolung auf.
In den folgenden Abschnitten erläutern wir die diversen Batterieschutztopologien sowie deren Vor- und Nachteile. Ferner stellen wir Anwendungshinweise und eine Produktauswahlfunktion zur Verfügung, mit deren Hilfe Sie die am besten geeignete Schutzlösung für ihre Batteriepacks finden können.
Hauptvorteile der Batterieschutzlösung von Infineon
- Höhere Leistung mit niedrigerem Durchlasswiderstand, größerer sicherer Arbeitsbereich (SOA)
- Kostengünstigere Lösungen mit weniger Bauteilen und effektivere Parallelisierung
- Kurzschlussschutz bei höheren Spitzenströmen
- Bedarfsgerechte Ein- und Ausschaltlösungen für die jeweilige Anwendung
- MOSFET-Schutzlösungen für Spannungen bis zu 600 V (Einzelmodul-Batterien oder Batteriepacks)
Architekturen für Batterien und Batteriepacks
Einzelmodul-Batterien werden üblicherweise für Anwendungen mit Spannungen bis maximal 150 V eingesetzt. Hierzu gehören akkubetriebene Werkzeuge, Staubsauger, Multicopter (Drohnen), Haushaltsroboter, E-Scooter, E-Bikes, mit niedriger Spannung betriebene Telekommunikationsgeräte und USV-Systeme für Server.
Informieren Sie sich über die Produkte, die für Ihr Design zum Schutz von Einzelmodul-Batterien am besten geeignet sind.
Batteriepacks werden üblicherweise für Anwendungen mit hohen Betriebsspannungen eingesetzt, unter anderem für Kraftfahrzeuge, elektrisch betriebene Gabelstapler, Elektroboote, Energiespeichersysteme für Eigenheime und Energieversorger sowie USV-Anlagen.
Informieren Sie sich über die Produkte, die für Ihr Design zum Schutz von Batteriepacks am besten geeignet sind.
Batterieschutztopologien
Beim High-Side-Schutz sind die Abschalt-MOSFETs mit der Plus-Klemme des Batteriepacks in Reihe geschaltet.
Vorteile: Keine fehlende oder fehlerhafte Erdung
Nachteil: Es werden Gate-Treiber mit Ladepumpen zur Ansteuerung der MOSFETs benötigt.
Beim Low-Side-Schutz sind die Abschalt-MOSFETs mit der Minus-Klemme des Batteriepacks in Reihe geschaltet.
Vorteile: Einfach in der Umsetzung, keine Ladepumpen für die Gate-Treiber erforderlich.
Nachteile: Fehlerhafte Erdung → das Potential der umgangenen Erdung liegt am Batteriegehäuse an und stört ggf. Kommunikation und Betrieb.
Bei einer Konfiguration mit Source-Schaltung sind die MOSFETs in Reihe geschaltet, wobei ihre Source-Anschlüsse miteinander verbundenen sind und die Drain-Anschlüsse der MOSFETs den Ein- und Ausgang der Schutzschaltung bilden. Eine solche Konfiguration der MOSFETs kann auch als Back-to-Back-Schaltung bezeichnet werden.
Vorteile:
- Schnellere Schaltvorgänge
- Kostengünstigere Variante
- Nur eine Ladepumpe oder eine Spannungsversorgung mit galvanischer Trennung erforderlich
- Nur ein Gate-Treiber zur Ansteuerung der beiden MOSFETs erforderlich
- Einfacher strukturiertes Design
Nachteile:
- Bei Verwendung von Standard-Drain-Down-Gehäusen ist weniger Fläche zur Wärmeableitung für die MOSFETs vorhanden. Die von den MOSFETs erzeugte Wärme wird in das mit den Steuer- und Stromerfassungsschaltungen verbundene Kupfermaterial abgeleitet. Dies beeinträchtigt die Messgenauigkeit und den Wirkungsgrad der Steuerungs- und Stromerfassungslösung.
- Im Falle einer Störung ist es bei Verwendung nur eines Gate-Treibers sehr wahrscheinlich, dass beide MOSFETs gleichzeitig ausfallen.
Bei einer Konfiguration mit Drain-Schaltung sind die MOSFETs in Reihe geschaltet, wobei ihre Drain-Anschlüssen miteinander verbunden sind und die Source-Anschlüsse der MOSFETs den Ein- und Ausgang der Schutzschaltung bilden. Eine solche Konfiguration der MOSFETs kann auch als Back-to-Back-Schaltung bezeichnet werden.
Vorteile:
- Die FETs können unabhängig voneinander angesteuert werden.
- Einfache Umsetzung sicherer Schalttechniken
- Höherer Sicherheitsstandard, da zur Ansteuerung der MOSFETs zwei gesonderte Gate-Treiber benötigt werden
Nachteile:
- Ladepumpe für beide MOSFETs erforderlich
- Komplexeres Design
Bei dieser Art der Topologie sind die unterschiedliche Anschlüsse für das Ladegerät und für die Last vorhanden. Eine solche Topologie wird häufig in den folgenden Szenarien eingesetzt:
- Die Lade- und Entladeströme sind unterschiedlich hoch (in der Regel sind Ladeströme deutlich niedriger als Entladeströme).
- Die Batterie wird beim Laden von der Last getrennt.
Vorteile:
- Geringere Wärmeerzeugung aufgrund des geringeren Bahnwiderstands
- Weniger MOSFETs erforderlich
Nachteile:
- Verpolungsschutz kann leicht umgangen werden.
- Eine Source-Schaltung kann nur auf der High-Seite verwendet werden, eine Drain-Schaltung nur auf der Low-Seite.
| High-Seite | Low-Seite |
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Schutzfunktionen und -lösungen
Einschaltströme treten beim Einschaltvorgang auf, vor allem beim erstmaligen Anschluss der Batterie an die Last. Der Einschaltstrom kann so groß sein, dass entweder die Schutzsicherung ausgelöst wird oder die Schutz-MOSFETs abschalten, da fälschlicherweise Alarmsignale für Überstrom oder Kurzschluss erzeugt werden. Eine Schaltung zur Begrenzung der Einschaltströme begrenzt den Stromstoß während der Einschaltphase und schützt somit sowohl die Batterie als auch die Last. Eine solche Vorladeschaltung wird unter den folgenden Bedingungen benötigt:
- Die Last weist eine hohe Eingangskapazität auf, die durch den Einschaltstrom beschädigt wird.
- Die Hauptsicherung wird ausgelöst, wenn der Einschaltstrom den Grenzwert der Sicherung überschreitet.
- Ggf. vorhandene Schaltgeräte werden durch den Einschaltstrom beschädigt.
- Die Batteriezellen sind nicht für so hohe Einschaltströme ausgelegt.
- Die MOSFETs sind nicht für so hohe Einschaltströme ausgelegt.
Die Vorladeschaltung besteht häufig aus einem MOSFET mit hohem Bahnwiderstand.
| Mit P-MOSFET | Vorladen mit N-MOSFET |
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Wenn eine Kurzschlussbedingung vorliegt, müssen die MOSFETs nicht nur dem Stromstärkenanstieg beim Einschalten, sondern auch einem möglichen Lawinendurchbruch beim Ausschalten standhalten. Die MOSFETs und Schaltungen, die Störungen erkennen und für die Trennung der Batterie oder Last verantwortlich sind, werden als eFuse bzw. elektronische Sicherung bezeichnet. Ein Lawinendurchbruch kann bei einer elektronischen Sicherung auftreten, weil der MOSFET während einer Kurzschlussbedingung schnell abschalten muss. Dadurch wiederum entstehen kurze, sehr hohe Stromimpulse, die in die Induktivität fließen. Diese wird aus den Drähten zur Verbindung des Batteriepacks mit der Last und aus der Last selbst gebildet. Diese parasitäre Induktivität ist in der Lage, eine Spannung zu induzieren, die so hoch ist, dass sie bei den MOSFETs einen Lawinendurchbruch hervorruft. Dadurch wird die Induktivität der Last zu einem Spannungsgenerator, der die Spannung innerhalb der gesamten Schutzlösung über den maximal zulässigen Wert hinaus erhöht. Die OptiMOS und StrongIFRET-Technologie von Infineon sorgt für große sichere Arbeitsbereiche (SOAs) und robuste Komponenten im Linearmodus, um eine sichere und zuverlässige eFuse-Funktionalität zu ermöglichen. Zudem weisen die Komponenten von Infineon einen niedrigen Koeffizienten für die Gate-Schwellenspannung ΔVGS,Th auf. Dadurch werden die parallelen MOSFETs bei den Ein- und Ausschaltvorgängen mit gleich hohen Strömen versorgt.
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