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IoT, Smart Home und Medizintechnik: Smartes Batteriemanagementsystem

Dynamis hat ein universelles Batteriemanagementsystem (BMS) für den sicheren Einsatz leistungsstarker Batterien in anspruchsvollen Applikationen entwickelt und ausgestattet.

DYNAMIS BATTERIEN Bildquelle: © DYNAMIS BATTERIEN

Das „UBMS 1-4S“ genannte System von Dynamis Batterien kann ein bis vier Batteriezellen in Serie überwachen. Auftretende Zellunterschiede, wie sie durch mögliche Fertigungstoleranzen entstehen können, werden direkt überwacht und die einzelnen Zellen passiv ausgeglichen. Mittels Widerstand wird ein Teil des Ladestroms an der stärksten Zelle vorbeigeleitet und somit ein weiteres Auseinanderdriften der Zellladungen verhindert.

Zusätzlich steht eine präzise Strommessung, Überstromabschaltung, Über- und Unterspannungsabschaltung, Temperaturmessung und eine Fuel-Gauge-Funktion zur Verfügung. Zur Ermittlung der Temperatur können bis zu vier temperaturabhängige Widerstände mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTCs) wahlweise direkt auf der Leiterplatte oder kabelgebunden ausgeführt werden. Die jeweiligen Berechnungsalgorithem, Schwellwerte und die Verteilung der NTCs können manuell in den jeweiligen Registern gewählt werden.

Erweiterten Schutz erlangt das BMS durch die „Secondary Protection“. Dabei handelt es sich um ein Schaltungsteil, das zusätzlich und selbstständig die Einzelzellen überwacht und bei einem möglichen Defekt des Mikrocontrollers eine nicht reversible „Self Control Protection“-Sicherung auslösen kann. Die Batterie wird somit unabhängig vom Mikrokontroller sicher vor auftretender Überspannung oder Überstrom geschützt.

Der Nennstrom kann bis zu 20 A betragen. Das BMS kann kundenspezifisch in weiten Bereichen parametriert werden, sodass eine Anpassung an unterschiedliche Zelltypen (Li-Ion, Li-Polymer, Li-Phosphate, …), Kapazitäten und Anzahl serieller Zellen möglich ist. Kapazitäten bis 29 Ah können direkt in den Registern verarbeitet werden, höherkapazitive Batterien können entsprechend skaliert werden.

Das BMS basiert auf dem Chipsatz BQ40Z50-R2 von Texas Instruments. Für eine schnelle Evaluierung, Konfiguration oder das Testen von TI-Batteriemanagement-Produkten stellt der Hersteller das Software-Tool Battery Management Studio (bqStudio) zur Verfügung.

Über den von Intel entwickelten System Management Bus (SMBus) erlangt der Anwender vollen Zugriff auf einzelne Register. Dieses Zweidraht-Bussystem wurde speziell für die Baugruppenkommunikation bis 100 kHz entwickelt und ist mit dem I2C-Busprotokoll von Philips abwärtskompatibel. Das Software-Tool bietet die Möglichkeit einer grafischen Auswertung und Protokollierung der spezifischen BMS-Daten.

Zum Einsatz kundenseitig entwickelter Software können mittels SMBus Host-to-Smart-Battery-Messages, also standardisierte SBS-Kommandos, verwendet werden, über die teils blockweise Registerwerte und Zustände des Batteriemanagementsystems auf niedrigster Kommunikationsebene gelesen bzw. geschrieben werden können. Das UMBS 1-4S verfügt über umfangreiche und nützliche Funktionen bei der Analyse von Daten.

Über die Lebensdauer einer Batterie werden die wichtigsten Funktionen protokolliert. Dabei lassen sich nicht nur Min/Max-Werte von Strom, Spannung und Temperatur, sondern auch Betriebszeiten, Zyklenanzahl und sicherheitsbedingte Abschaltungen dokumentieren.

Eine weitere Option ist die Anzeige von Betriebs-, Lade- und mögliche Fehlerzustände über On-Board-LEDs. Dabei kann die Aktivierung der Anzeige wahlweise manuell per Taster, automatisch zeitlich gesteuert oder alternativ bei schwer zugänglichen oder sensiblen Bereichen (Staub, Feuchtigkeit) mechanisch oder kontaktlos erfolgen.

Die kapazitive Berührungsschnittstelle basiert auf den Grundlagen der von Microchip entwickelten Qtouch-Technologie. Dabei lassen sich Sensorflächen, die mehrere Millimeter hinter Kunststoff oder Glas liegen, elektrisch aktivieren; sie sind für hermetisch abgeschlossene Gehäuse ideal.

Über die Funktion des Charlieplexing lassen sich auch bestehende LED-Kundenanzeigen implementieren.

Eine sichere Authentifizierung des BMS ist über die SHA-1-Methode im µC möglich. Dabei wird eine auf Keyed-Hash-Message-Authentication-Code (HMAC) basierende kryptografische Verschlüsselung einer Nachricht mittels 128 bit breitem Security-Key und einer zufälligen Bitfolge verwendet.

Alternativ kann auch hardwareseitig eine 64 bit breite, einzigartige Registrierungsnummer vergeben werden, die bereits beim Herstellungsprozess in den Chip gelasert wird. Die Informationen, bestehend aus Familienzugehörigkeit, 48-bit-Seriennummer und CRC-Prüfbyte, können via SMBus bzw. I2C-Interface ausgelesen werden.