Ladetechnologie

Mehrzellenbatterie-Balancer zur optimalen Ausnutzung der Kapazität von Akkustapeln

07.03.13 | Redakteur: Thomas Kuther

Der LTC3300-1: Ein bidirektionaler Mehrzellen-Balancer mit hohem Wirkungsgrad
Der LTC3300-1: Ein bidirektionaler Mehrzellen-Balancer mit hohem Wirkungsgrad (Bild: Linear Technology)

Linear Technology hat den LTC3300-1 vorgestellt, einen bidirektionalen Mehrzellenbatterie-Balancer mit hohem Wirkungsgrad, der sämtliche Zellen eines Stapels in den gleichen Ladezustand (SoC, State of Charge) bringt.

Der LTC3300-1 sorgt dafür, dass Elektrofahrzeuge, Hybrid-Elektrofahrzeuge, große Energiespeichersysteme usw., die durch Zellen mit unterschiedlichen Kapazitäten gespeist werden, nicht länger durch die Zelle mit der geringsten Kapazität in ihrer Leistung begrenzt werden.

Der LTC3300-1 leistet weitaus mehr als rein dissipative, passive Balancing-Lösungen. Der Chip steigert die Leistung der Batterie, indem er Ladung aus Zellen mit normaler oder überdurchschnittlicher Kapazität zu solchen mit unterdurchschnittlicher Kapazität überträgt und so alle Zellen in einen vergleichbaren Ladezustand bringt. Durch die Umverteilung von Ladung zwischen den Zellen kompensiert der LTC3300-1 die durch die schwächsten Zellen verursachten Kapazitätsverluste, zudem beschleunigt er das Laden und verlängert die Standzeit der Batterie.

Schlüsselkomponente in einem Hochleistungs-Batteriemanagementsystem

Der LTC3300-1 ist eine Schlüsselkomponente in einem Hochleistungs-Batteriemanagementsystem (BMS) für Batterien aus mehreren, in Serie geschalteten Lithium-Ionen- oder LiFePO4-Zellen. Das Bauteil fungiert als fehlergeschütztes Controller-IC für Transformator-basiertes, bidirektionales, aktives Balancing. Der Controller basiert auf einer nicht-isolierten, bidirektionalen Synchron-Sperrwandler-Topologie und kann bis zu sechs in Serie geschaltete Zellen managen. Ladung kann zwischen einer ausgewählten Zelle und 12 oder mehr benachbarten Zellen verschoben werden.

Alle Balancer können voneinander unabhängig und simultan arbeiten und unterstützen Lade-/Entladeströme bis 10A. Der bidirektionale Betrieb und das simultane Balancing minimieren den Zeitbedarf für den Ladezustandsausgleich, und die hohe Übertragungseffizienz (bis 92%) ermöglicht Balancing mit hohen Strömen bei minimaler Verlustleistung.

Mehrere LTC3300-1 in Serie ohne Optokoppler oder Isolatoren

Die einzelnen Balancer werden über eine SPI-kompatible serielle Schnittstelle mit Pegelschieber gesteuert, die es ermöglicht, mehrere Controller LTC3300-1 in Serie zu schalten, ohne Optokoppler oder Isolatoren zu verwenden. Die kaskadierbare Architektur des Bauteils mit verschachtelten Transformatorverbindungen ermöglicht effizientes Balancing sämtlicher Zellen in einer beliebig langen Kette (>1000 V) von in Serie geschalteten Batterien.

Der Chip enthält alle benötigten Funktionsblöcke wie z. B. Gate-Treiberschaltungen, hochgenaue Strommessschaltungen, Fehlerschutzschaltungen und eine robuste serielle Datenschnittstelle mit integriertem Watchdog-Timer und CRC- (Cyclic Redundancy Check) Fehlererkennung.

Thermisch optimiertes SMT-Gehäuse

Der LTC3300-1 sitzt in einem thermisch optimierten SMT-Gehäuse, wobei zwei Bauformen zur Auswahl stehen: flaches (0,75 mm), 48-poliges, 7 mm x 7 mm großes QFN-Gehäuse oder 48-poliges, 7 mm x 7 mm großes LQFP-Gehäuse. Die für den Sperrschichttemperaturbereich von –40 bis 125 °C spezifizierte „I-Grade“-Version ist in beiden Gehäusebauformen erhältlich. Die Bauteile sind ab Lager lieferbar.

Die wichtigsten Leistungsmerkmale des LTC3300-1:

  • Bidirektionales Synchron-Flyback-Balancing von bis zu sechs in Serie geschalteten Lithium-Ionen- oder LiFePO4-Zellen,
  • bis zu 10 A Balancing-Strom (wird durch externe Bauteile vorgegeben),
  • bidirektionale Architektur minimiert den Zeitbedarf fürs Balancing und die Verlustleistung,
  • bis zu 92% Ladungsübertragungseffizienz,
  • kaskadierbare Architektur ermöglicht Systeme mit Spannungen von über 1000 V,
  • es genügen einfache Transformatoren mit zwei Wicklungen,
  • serielle 1-MHz-Schnittstelle mit 4-bit-CRC-Paketfehlererkennung, Unterstützung für Daisy-Chain-Konfigurationen,
  • serielle Kommunikation mit hoher Störfestigkeit,
  • zahlreiche Fehlerschutzfunktionen,
  • 48-poliges, 7 mm x 7 mm großes QFN- oder LQFP-Gehäuse mit freiliegendem Pad.

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