In dieser Ausgabe möchte ich über Probleme sprechen, die bei Schutzschaltungen für Li-Ionen Batterien auftreten können. Dank unserer langjährigen Erfahrung mit Schutzschaltungen für Li-Ionen-Batterien können wir heute ICs anbieten, die den Kunden Sicherheit und Schutz bieten. Um dieses Leistungsniveau zu erreichen, mussten wir jedoch viele Schwierigkeiten überwinden und wir haben unsere Produkte jedes Mal, wenn wir mit einer Reihe von Problemen konfrontiert wurden, weiterentwickelt und verbessert. Ich werde Ihnen einige Beispiele zeigen und erklären, welche Art von Maßnahmen gegen diese Probleme in Schutz-ICs eingebaut sind.

Maßnahmen gegen elektromagnetisches Rauschen

Eine der Anwendungen, die den Markt für Lithium-Ionen-Batterien stark belebt haben, sind Mobiltelefone. Ein Mobiltelefon sendet und empfängt ständig elektromagnetische Wellen, weshalb sich sein Akkupack immer in einer Umgebung mit elektromagnetischem Rauschen befindet. In den Anfängen der Li-Ionen-Batterien war dieses elektromagnetische Rauschen ein ernsthaftes Problem, da es zu einer Fehlerkennung der Schutzschaltung führte.
Eine Schaltung zur Überladungserkennung verfügte damals nicht über eine Verzögerungsschaltung für Erkennung und Freigabe und der Ausgang invertierte in einer kurzen Zeit von 20 bis 30 µs nach der Inversion des Komparators für die Überladungserkennung. In einer solchen Schaltung verursacht elektromagnetisches Rauschen Schwankungen der Referenzspannung und des Spannungsmessknotens am Eingang des Komparators, wodurch der Ausgang invertiert wird, obwohl die Batteriespannung die Spannung der Überladung nicht erreicht. Infolgedessen schaltet die Schaltung bei einer Batteriespannung nahe der vollen Kapazität (aber nicht vollgeladen) in den Zustand der Überladungserkennung und der Ladevorgang wird beendet, bevor die Batterie vollgeladen ist. Außerdem werden vom Mobiltelefon je nach der verwendeten Kommunikationsmethode regelmäßig elektromagnetische Wellen ausgesendet, so dass auch der Ausgang des Schutz-ICs periodisch schwankt. Im schlimmsten Fall wurde der FET durch die bei bestimmten Frequenzen entstehende Hitze beschädigt. Aufgrund der Erfahrungen mit diesen Ausfällen ist es üblich, für jede Erkennungsschaltung in einem Schutz-IC eine Verzögerungszeit festzulegen.
 

Ohne Verzögerung für die Überladungserkennung

Mit Verzögerungszeit für die Überladungserkennung

Das Problem endet allerdings nicht nur mit der falschen Erkennung. Auch die falsche Freigabe stellt sich als problematisch heraus. Ein Akkupack, bei dem eine Überladung durch ein anormales Ladegerät festgestellt wird, stellt den Ladevorgang selbstverständlich ein, auch wenn ein Ladegerät angeschlossen ist. Es ist das Phänomen aufgetreten, dass das Anlegen einer elektromagnetischen Welle an den Akkupack in diesem Zustand den Ladevorgang wieder in Gang setzen kann. Dies ist genau das Gegenteil einer falschen Erkennung, nämlich eine falsche Freigabe. Wenn ein solches Phänomen auftritt, wird der Ladevorgang trotz der erkannten Überladung fortgesetzt, die Batteriespannung steigt über die Spannung der Überladungserkennung und die Batterie gerät in eine gefährliche Situation, weil sie überladen wird. Um dieses Problem zu lösen, wurde auch eine Verzögerungszeit für die Freigabe von Überladung hinzugefügt.

Ohne Verzögerung für die Freigabe von Überladung

Mit Verzögerung für die Freigabe von Überladung

Wie bereits erwähnt, verfügen moderne Schutz-ICs über so viele Maßnahmen gegen Rauschen wie möglich. Die Widerstandsfähigkeit gegen elektromagnetisches Rauschen hängt jedoch auch vom Layout der Schutzplatine ab. Lange Verdrahtungen für Pins wie VDD für die Spannungsüberwachung, V- und R-Sense für die Stromüberwachung wirken wie eine Antenne und machen die Platine anfällig für Störungen. Platzieren Sie daher externe Komponenten so nah wie möglich am Schutz-IC.

Die Verdrahtung ist in der folgenden Abbildung rot dargestellt.
 

Maßnahmen gegen verkehrt herum angeschlossene Ladegeräte

Die heutigen mobilen Geräte wie Telefone und Laptops enthalten einen Li-Ionen-Akku, der in vielen Fällen nicht herausgenommen werden kann. In der Vergangenheit waren viele der in batteriebetriebenen Anwendungen verwendeten Li-Ionen-Batterien abnehmbar. Aus Sicherheitsgründen wurden mechanische Maßnahmen ergriffen, um zu verhindern, dass die Plus- und Minuspole eines Ladegeräts verkehrt herum angeschlossen werden können. Nichtsdestotrotz haben wir Bewertungen für verpolten Anschluss durchgeführt, um für alle Fälle gewappnet zu sein.

Die Spannungsfestigkeit unserer Schutz-ICs beträgt bis zu 30 V. Dieser Wert ist von der in Nutzfahrzeugen verwendeten Batteriespannung von 24 V abgeleitet. Die härteste Bedingung bei der Prüfung der Umkehrladung ist die Anwendung von 30 V in umgekehrter Richtung. Wenn eine FET mit niedriger Spannungsfestigkeit verwendet wird, führt der Anschluss von 30 V in umgekehrter Richtung zu einem Kurzschluss und einer Beschädigung zwischen Source und Gate des FET, was zu einer gefährlichen Situation mit Wärmeentwicklung und Durchbrennen führen kann. Um dies zu verhindern, wird erstens eine Schutzdiode zwischen Source und Gate des FET eingefügt, um die Gate-Source Spannung mit dem Vf der Diode zu klemmen. Darüber hinaus ist ein Strombegrenzungswiderstand zwischen dem Gate des FET und dem Pin des IC erforderlich, um zu verhindern, dass ein großer Strom zum Schaltkreis fließt. Durch diese Maßnahmen ist die Schutzschaltung in der Lage, Wärmeentwicklung und Durchbrennen selbst bei einer Rückwärtsladung von 30 V zu vermeiden.

Wie bereits erwähnt, sind viele der in heutigen mobilen Geräten verwendeten Li-Ionen-Akkus nicht abnehmbar und der Ladeanschluss ist dadurch nicht zugänglich. Falls in Betracht gezogen werden muss, dass ein Ladegerät verkehrt angeschlossen werden könnte, dient die o.a. Schaltung als gute Information, um abschätzen zu können, wie groß der Aufwand wäre, um diesem Problem entgegenzutreten. 

Betrieb beim Einschalten

Obwohl es sich hierbei nicht um ein Problem handelt, welches die Schutz-ICs selbst betrifft, stellt der Zustand des Schutz-ICs beim Einschalten der ersten Verbindung zwischen der Schutzschaltung und der Batteriezelle schon ein großes Problem dar. Wir erhalten auch heute noch häufig Anfragen von Kunden zu diesem Problem.

Der Betrieb eines Schutz-ICs beim Einschalten hängt weitgehend von seinen Spezifikationen ab. Die wichtigste Spezifikation ist die Art der Freigabe aus dem Zustand der Überentladung. Wir sprechen im Wesentlichen über zwei Typen: ‚auto release type‘ und ‚latch type‘. Der ‚auto release type‘ bestimmt seinen Ausgang einfach über den Wert der Batteriespannung. Der Ausgang schaltet sich bei Überentladung dann aus, wenn die Batteriespannung unter den Wert der Erkennungsspannung für eine Überentladung fällt und schaltet aus dem Überentladungszustand wieder frei, wenn die Batteriespannung höher oder gleich dem Wert der Erkennungsspannung für eine Überentladung liegt. Andererseits erfordern die Freigabebedingung beim ‚latch type‘ nicht nur, dass die Batteriespannung nur höher oder gleich der Freigabespannung ist, sondern auch, dass ein Ladegerät angeschlossen ist. Das bedeutet, dass die Verriegelung, sobald eine Überentladung festgestellt wurde nicht mehr aufgehoben werden kann, es sei denn, ein Ladegerät ist an die Schutzschaltung angeschlossen. 

Wie wirkt sich nun der Unterschied zwischen diesen beiden Typen auf den Betrieb beim Einschalten aus? Wenn eine Batteriezelle zum ersten Mal an die Schutzschaltung angeschlossen wird, schaltet sich der Ausgang bei einer Zellenspannung ein, die größer oder gleich der Entladeschlussspannung ist. So kann beispielsweise die nominale Zellenspannung von 3,7 V den Ausgang mit Sicherheit einschalten und der Endnutzer kann das Akkupaket sofort nach Erhalt verwenden. Andererseits ist ein Ladegerät erforderlich, um den Zustand aufzuheben, wenn ein ‚latch type‘ Schutz IC mit Überentladungserkennung an einem Akku geschaltet wird. Der Akku kann dann nur verwendet werden, wenn er auch an ein Ladegerät angeschlossen wird.

Freigabe der Überentladung: autorelease type               Freigabe der Überentladung: latch type

Ob sich der integrierte Schaltkreis im Überentladezustand einschaltet oder nicht hängt von der Geschwindigkeit des Anstiegs der Spannung (VDD) aus Sicht des Schutz-IC ab. Das Schutz-IC geht in den Überentladungszustand über, wenn die Überentladungserkennung länger als die Verzögerungszeit der Erkennung anhält. Die Verzögerungszeit wird von den ICs konfiguriert; bei einer Verzögerungszeit von 20 ms schaltet ein Latch Schutz-IC beispielsweise niemals in den Überentladungszustand, wenn die Spannung (VDD) innerhalb von 20 ms von der Mindestbetriebsspannung auf die Überentladungsfreigabespannung ansteigt. Infolgedessen schaltet sich der Ausgang ein und der Akkupack ist sofort einsatzbereit.

Die Geschwindigkeit des Spannungsanstiegs der VDD ist der Punkt, an dem ein Latch Schutz-IC mit Sicherheit mit eingeschaltetem Ausgang anläuft. Wenn Sie dies tun möchten, achten Sie auf Komponenten, wie z.B. Kondensatoren, da sie die Ursache für die Verlangsamung der Geschwindigkeit sind. 

Anlauf bei eingeschaltetem Ausgang bei einer ‚latch type‘ Überentladungsfreigabe
 

In dieser Ausgabe habe ich drei Fälle vorgestellt, die im Anwendungsfall von Li-Ion Batterie Schutz-ICs betrachtet werden sollten, um Schutz-ICs richtig einsetzen zu können. Wir verfügen über langjährige Erfahrung auf dem Gebiet der Li-Ion Batterie Schutz-ICs und sind erfolgreich in diesem Markt unterwegs. Sprechen Sie uns gerne an, wenn Sie Fragen zu diesem Thema haben.

Im nächsten und letzten Teil dieser Serie werde ich über die Zukunft der Schutz-ICs sprechen und dabei die Perspektive der kommenden Li-Ion Batterien berücksichtigen.

16. Mai 2023
 

• Die Entwicklung der Funktionen von den Anfängen bis zur Gegenwart - Geschichte der Li-Ionen-Batterieschutz-ICs - Folge 1
   
• Entwicklung von Leistung und Gehäuse von den Anfängen bis heute - Geschichte der Li-Ionen-Batterieschutz-ICs - Folge 2
   
• Veränderungen bei den Anwendungen von Li-Ionen-Akkus - Geschichte der Li-Ionen-Batterieschutz-ICs - Folge 3
   
• Maßnahmen bei Problemen mit Li-Ionen Akku-Schutzschaltungen - Folge 4
   
• Die Zukunft der Li-Ionen-Batterieschutz-ICs - Folge 5