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Maxim Integrated: Batteriemanagement-IC für ASIL-D-Anforderungen

Der MAX17843 von Maxim ist ein programmierbarer Batteriemanagement-IC zur Spannungsmessung von zwölf Zellen eines Lithium-Ionen-, NiMH- oder Supercap-Akkus.

MAX17843-PR.jpg Bildquelle: © Maxim

Mögliche Applikationen:48-V-Batteriemodule oder -Systeme, Batterie-Packs, E-Bikes, High-Power-Backup-Systeme, Supercap-Backup-Systeme, EVs, HEVs, Elektrowerkzeuge

Der IC erfüllt nicht nur die höchsten Safety-Anforderungen, sondern garantiert auch eine robuste Kommunikation zwischen den ICs und hilft dabei, die Systemkosten zu senken

In Deutschland sind E-Fahrzeuge bekanntermaßen unattraktiv. Das spiegelt sich nicht nur in der geringen Zahl an E-Fahrzeugen auf der Straße wider, sondern auch in der Tatsache, dass der Topf für die Kaufprämie von Elektroautos selbst nach eineinhalb Jahren erst zu 10 Prozent ausgeschöpft wurde. Aber: Im Automotive-Markt herrscht derzeit auch eine hohe Dynamik und »alle OEMs entwickeln E-Fahrzeuge in den verschiedensten Leistungsklassen, vom Kleinwagen bis zum Premiumfahrzeug«, so Frank Berkner, FAE-Manager im Bereich Automotive bei Maxim. Außerdem sind sich alle Industrieexperten mehr oder minder einig: Im Jahr 2025 werden 25 Prozent aller verkauften Fahrzeuge mit Elektromotoren ausgestattet sein. Ergo: Es tut sich einiges. Und genau auf diesen aufstrebenden Markt mit E-Fahrzeugen zielt Maxim mit seinem neuesten Batteriemanagement-IC. Aus Berkners Sicht erfüllt er genau die drei Punkte, die die OEMs in Zusammenhang mit der Elektrifizierung fordern: Safety, robuste Kommunikation und natürlich niedrige Kosten.

Meldungen über brennende E-Fahrzeuge wie von Tesla sind für jeden OEM ein Horrorszenarium. Also müssen die Li-Ionen-Batterien mit ihrer hohen Energiedichte genau überwacht werden, um sicherzustellen, dass sie sich immer in einem sicheren Betriebszustand befinden. Diesen Anspruch erfüllt der MAX17843, denn mit ihm lassen sich Batteriemanagement-Systeme realisieren, die dem höchsten ISO-26262-Grad – ASIL D – genügen. ASIL D lässt sich auch mit zwei redundanten ICs realisieren, sprich: der eine IC überwacht den anderen. Berkner: »Der MAX17843 ist aber ein Single-Chip.« Die geforderte Redundanz hat das Unternehmen in den Chip eindesignt. So verfügt der MAX17843 beispielsweise über zwei unabhängige 14-bit-A/D-Wandler mit SAR-Architektur und Oversampling sowie zwölf Kanälen und temperaturkompensierter Spannungsreferenz, die eine gegenseitige Überwachung ermöglichen.

Maxim hat mit seinem IC aber noch zwei weitere wichtige Punkte erfüllt: Die Messung der Batteriespannung muss sehr schnell und sehr genau erfolgen. Laut Berkner braucht der IC für die komplette Messung aller zwölf Zellen weniger als 142 µs. Für eine hohe Genauigkeit hat Maxim nicht nur SAR-Wandler mit 14 bit Auflösung integriert, sondern die I/Os auch differenziell ausgelegt. Die Genauigkeit beziffert Berkner mit ±2 mV bei 25 °C und 3,6 V Zellspannung. Natürlich verändert sich die Genauigkeit mit unterschiedlichen Temperaturen, doch Berkner ist sich sicher, dass die Abweichungen im einstelligen mV-Bereich liegen. Der nutzbare Messbereich reicht von 0,2 bis 4,8 V. »Dank der schnellen und genauen Messung ist zu jedem Zeitpunkt bekannt, wie viel Spannung noch vorhanden ist und damit auch welche Reichweite dem Elektrofahrzeug noch zur Verfügung steht.« Der Baustein kann auch die geforderte Messung der Die-Temperatur durchführen und bei entsprechendem Bedarf eine Warnung generieren. Er ist mit zwei Analogeingängen für NTC-Thermistoren oder für eine absolute Spannungsmessung ausgestattet. Damit ist es möglich, die Modul- und Batteriezellentemperatur genau zu überprüfen.

Darüber hinaus hat Maxim diverse Schutzfunktionen (Über- und Unterspannungserkennung) sowie Diagnosefunktionen beispielsweise für FMEA-Analysen implementiert. Für ein aktives Cell-Balancing stehen zwölf integrierte Schalter mit bis 150 mA pro Schalter zur Verfügung. Bei so viel Strom ist eine Eigenerwärmung des IC nicht auszuschließen. Aber dank der Temperaturmessung kann der IC bei einer vom Entwickler festgelegten Temperatur den weitergeleiteten Strom reduzieren oder im Notfall auch komplett abschalten, sodass eine Überhitzung vermieden wird. Darüber hinaus hat Maxim einen sogenannten Emergency-Cell-Discharge-Mode implementiert, bei dem die Zellen schnellstmöglich über Widerstände entladen werden können. Dank des integrierten LDO, der bei zu viel Wärme auch abgeschaltet werden kann, können alle benötigten internen Spannungen selbst produziert werden; der Eingangsspannungsbereich des LDO ist mit 9 bis 65 V angegeben. »Mit unseren ICs ist dank differenzieller UARTs auch eine robuste Kommunikation möglich, unabhängig davon, wie groß die externe Störeinstrahlung ist«, erklärt Berkner weiter.

Maxim hat mit Hilfe eines Testsystems, bei dem zwischen Host und dem letzten Batteriemanagement-System 100 m Kabel lagen, bewiesen, dass die Kommunikation zuverlässig funktioniert. Der MAX17843 zeichnet sich aber noch durch einen weiteren Vorteil aus: Er nutzt eine Daisy-Chain-Topologie, bei der der Host mit dem ersten in Reihe geschalteten Batteriemanagement-IC kommuniziert und nicht wie bei einer Sterntopologie mit jedem einzelnen Batteriemanagement-IC. Berkner: »Das reduziert den Verkabelungsaufwand immens.« Es können bis zu 32 MAX17843-ICs in einer einzigen Daisy-Chain miteinander verbunden werden.

Der letzte Punkt verringert natürlich auch die Kosten, dazu noch die Single-Chip-Lösung, aber Maxim hilft noch in einem anderen Bereich, die Kosten zu senken. Bei einer Daisy-Chain-Architektur mit vielen hintereinander geschalteten Batteriemanagement-ICs in verschiedenen Modulen müssen alle diese Module elektrisch isoliert und die Kommunikation entkoppelt sein. Laut Berkner setzt die Konkurrenz in diesem Fall typischerweise auf eine Isolation mit Trafos. »Das ist mit unserem IC auch möglich; entscheidend ist aber, dass wir auch eine kapazitive Isolation ermöglichen. Und damit lassen sich bis zu 90 Prozent der Isolation-BOM einsparen«, so Berkner abschließend.