HV-Batteriestacks
Aus praktischen Gründen ist es besser, Batterien für
Elektroautos in mehreren separaten Batteriepaketen anzuordnen, von denen jedes sechs bis vierundzwanzig Zellen enthält. Kleinere Pakete ermöglichen die maximale Nutzung des verfügbaren Platzes in einem unregelmäßig großen Batteriegehäuse, das in ein typisches Elektrofahrzeug passt. Die Verwendung von Batteriepaketen ermöglicht auch mehr Freiheit bei der Auswahl von Parallel-/Serienkombinationen, um unterschiedliche Spannungs-/Stromprofile für verschiedene Fahrmotorantriebe zu schaffen. Außerdem ist bei einem Ausfall einer einzelnen Zelle nur ein Akkupack von vielen betroffen und die Batterien des Elektroautos können weiterhin funktionieren.
Ladungsausgleich
Die Zellenspannung und die Energiekapazität variieren von Zelle zu Zelle geringfügig. Wenn man also beim
Laden der Batterien für Elektrofahrzeuge einfach alle Zellen aneinanderreiht, entsteht ein Ungleichgewicht zwischen den Zellen, wobei einige voll aufgeladen sind, während andere noch mehr Ladung benötigen. Die überladenen Zellen können heiß werden, was zu Schäden an den Zellen und am Akkupack führen kann. Im schlimmsten Fall kann das Akkupaket Feuer fangen. Um diese Situation zu vermeiden, werden Zellüberwachungs-ICs eingesetzt, die die Lade- (und Entlade-) Profile einzeln überwachen und steuern, um sicherzustellen, dass alle Zellen mit ihrer vollen Kapazität genutzt werden, ohne dass sie durch Unter- oder Überspannung oder Übertemperatur beschädigt werden. Während des Ladevorgangs können einzelne vollgeladene Zellen überbrückt werden, damit die anderen Zellen im Stack weiter geladen werden können. Dieser Ausgleichsprozess wird so lange fortgesetzt, bis alle Zellen gleichermaßen vollständig geladen sind. Beim Entladen kann die gleiche Ausgleichsschaltung sicherstellen, dass alle Zellen gleichmäßig entladen werden.
Batteriemanagementsysteme
Die Akkupacks von Elektrofahrzeugen werden zusammengestapelt, um die erforderliche Batteriespannung für das Fahrzeug zu erreichen. Sie kommunizieren mit einem zentralen Batteriemanagementsystem (BMS) über einen Kommunikationsbus, in der Regel den in der
Automobilindustrie weitverbreiteten CAN-Bus. Das BMS überwacht die gesamten Lade- und Entladeprofile und berechnet den Ladezustand (SoC) und den Gesundheitszustand (SoH) des HV-Stacks. Außerdem überwacht es Strom, Spannung und Temperatur der einzelnen Akkus, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten. Mit zunehmender Anzahl der Zellen in der HV-Batterie steigt auch die Menge der zu erfassenden und zu verarbeitenden Daten, aber die Anforderungen an die Systemschleifenzeit bleiben gleich. Der CAN-Bus muss mit hohen Datenraten (bis zu 25Mbps) und geringen Ausbreitungsverzögerungen (100 - 50ns) arbeiten.
Sicherheitsisolierung
Alle
EVs müssen über einen mechanischen Sicherheitsschalter oder ein Schutz verfügen, um die Hochspannungsbatterie im Notfall abzuschalten. Wenn der Schalter in Reihe mit dem Hochspannungsausgang der Batterie platziert wird, könnte unter Fehlerbedingungen immer noch genügend Strom zwischen den Batteriepaketen im Stack fließen, um einen Brand zu verursachen, daher wird er normalerweise in der Mitte des Stacks platziert. Diese ungewöhnliche Anordnung (Abb. 1) maximiert die Gesamtsicherheit, erfordert aber isolierte Kommunikationsleitungen, um sicherzustellen, dass der Strom nicht über die Datenbusverbindungen am Sicherheitsschalter vorbeifließen kann.
Abb. 1. Batteriestack mit isoliertem Datenbus
Erhöhung der Fehlertoleranz mit isolierten DC/DC-Wandlern
Die meisten Ladungsbalancer-ICs verfügen über einen internen Spannungsregler, der die Batteriespannung nutzt, um sowohl den IC als auch die isolierte Seite des Datenkommunikationsanschlusses mit Strom zu versorgen, während der BMS-Controller die nicht isolierte Seite mit Strom versorgt (rote Linien in Abb. 1).
Bei Hochspannungs-Batteriestacks, die aus vielen parallel/seriell angeordneten Batteriepaketen bestehen, erhöht es jedoch die Systemzuverlässigkeit, wenn jeder Batteriestrang-Kommunikationsbus separat mit isolierten CAN-Bus-Transceivern isoliert wird. In diesem Fall ist auch eine isolierte Stromversorgung für die isolierte CAN-Bus-Seite erforderlich (Abb. 2).
Abb. 2: Separate isolierte Strom- und Busverbindungen für parallele Batteriestacks
RECOM bietet das isolierte 5V-zu-5V-Modul
R05CTE05S an, das speziell für isolierte Bus-Transceiver-Anwendungen entwickelt wurde. Es liefert 1W Leistung in einem kompakten 16 SOIC SMD-Gehäuse über einen Temperaturbereich von -40°C bis +125°C und ist damit für die Installation im Batteriefach ideal geeignet. Der Isolationsgrad beträgt 3kVDC/1 Minute, was bedeutet, dass das Modul problemlos mit 800V oder höheren Batteriestack-Spannungen verwendet werden kann. Damit ist er für künftige Neuentwicklungen in der EV-Batterietechnologie gerüstet, da die Hersteller von Elektrofahrzeugbatterien ständig an der Verbesserung ihrer Produkte arbeiten. Um die Fehlertoleranz des Systems zu verbessern, ist der Ausgang gegen Dauerkurzschlüsse, Überströme und Übertemperatur geschützt. Eine Unterspannungssperre sorgt dafür, dass der Wandler erst dann anspringt, wenn die Versorgungsspannung 3,3V übersteigt. Dadurch werden Probleme mit der Datenverfälschung während der Einschaltphase des BMS-Systems vermieden.
