Da Lithiumzellen anfällig für Schäden durch Überladung oder Tiefentladung sind, verfügen diese Akkupacks über Überwachungssysteme, die das Potenzial jeder einzelnen Zelle kontrollieren, um solche Probleme zu vermeiden. Die Entwicklung dieser Multizellen-Batterieüberwachungssysteme (BMS) erfordert eine praktikable Methode zur Ansteuerung der Schaltung, um die Wirksamkeit der Steuerungs- und Schutzalgorithmen zu überprüfen. Idealerweise würde die Ansteuerung realen Zellen entsprechen, doch in diesem Fall wird die Variation des Ladezustands zur Auslösung verschiedener Funktionen im BMS langsam und umständlich. In Laboren werden häufig mehrere Netzteile eingesetzt, dies ist jedoch eine sehr kostspielige Lösung. Daher werden für einfache Funktionstests Widerstandsketten vorgespannt, um eine rudimentäre Zellsimulation zu ermöglichen. Widerstandsketten weisen erhebliche Einschränkungen auf, da sie einen relativ hohen Quellwiderstand besitzen und somit Elemente in das System einführen, die keine realen Zellen repräsentieren. Selbst mit dedizierten Netzteilen muss jedoch bei Systemen mit aktivem Zellausgleich ein virtueller Ladestrom (d. h. Stromumkehr) berücksichtigt werden. Der Hauptvorteil besteht darin, mehrere kompakte Zellsimulatoren zur Verfügung zu haben, die einfache Labortests der BMS-Funktionalität ermöglichen. Ein weiterer praktischer Vorteil eines Batteriesimulators ist seine einfache Transportierbarkeit per Luftfracht für Einsätze außerhalb des Labors, während ein realer Lithium-Ionen-Akkumulator üblicherweise per Seefracht transportiert wird.
Auswahl einer praktikablen Schaltung:
Die wichtigste Anforderung ist eine niederohmige Spannungsquelle und Zweiquadrantenbetrieb (positive Spannung, aber bidirektionaler Strom, um sowohl Entlade- als auch Laderichtung zu simulieren). Zudem müssen die verschiedenen Zellsimulatoren isoliert werden, damit sie wie im realen Gehäuse in Reihe geschaltet werden können. Diese Anforderung legt den Einsatz von Transformatoren und, um deren Größe zu reduzieren, eine Schaltnetzteilarchitektur nahe. Insbesondere eine Schaltnetzteiltopologie bietet Isolation und Zweiquadrantenbetrieb, wie beispielsweise der synchrone Sperrwandler.
In einem einfachen Sperrwandler, der als Aufwärtswandler eingesetzt wird, schaltet ein Schalter auf der Niederspannungsseite mit einem Tastverhältnis, das den Ausgangsstrom in einem Ausgangsabschnitt fixiert (siehe Abbildung 1). In dieser idealisierten Form leitet die Gleichrichterdiode während der Sperrzeit des Schalters, sodass der Ausgangsstrom durch die Induktivität fließen kann, während magnetische Energie unidirektional zum Ausgangskondensator übertragen wird. Beim Regelvorgang erfährt der Schalter einen Rückspeisungsspannungsstoß dV über der 12-V-Quelle, wobei dV in den meisten Ausführungen in der Größenordnung der Versorgungsspannung liegt.
Um den Wandler zu isolieren, wird die Induktivität durch einen Transformator ersetzt (siehe Abbildung 2), sodass der Ausgang auf der Sekundärseite erscheint. Obwohl der Ausgang nun isoliert ist, entspricht die magnetische Energieübertragung derjenigen mit einer Induktivität. Das Windungszahlverhältnis N des Transformators wird so gewählt, dass der Betrieb mit den gewünschten Eingangs- und Ausgangsspannungen optimiert wird. Auch hier erfährt der Schalter einen Rückspeisungsspannungsstoß dV über der 12-V-Quelle. Es ist zu beachten, dass diese Schaltung nicht verhindern kann, dass die Ausgangsspannung durch einen externen Strom über den Sollwert gedrückt wird (sie ermöglicht nur einen Betriebsquadranten).
Eine synchrone Version wird erreicht, indem der Gleichrichter durch einen weiteren Schalter ersetzt wird (siehe Abbildung 3). Dies verbessert den Wirkungsgrad, da der Schalter weniger Leistung verbraucht als eine durchlassleitende Diode, und es entsteht ein zweiter Betriebsquadrant, da die Schaltung nun symmetrisch ist. Diese Schaltung kann Rückströme in der Sekundärwicklung aufnehmen, wodurch in der Primärwicklung ein Rückstrom zur Hauptquelle induziert wird. Daher hält der Ausgang den Sollwert auch bei einem erzwungenen Rückstrom aufrecht. Es ist zu beachten, dass die Stromversorgung der Schaltung einen Rückstrom aufweisen kann, wenn die simulierte Zelle stark belastet wird (Strom fließt in Richtung der positiven Ausgangsspannung). Da alle Ausgänge isoliert sind, kann die Stromversorgung von beliebig vielen Schaltungen gemeinsam genutzt werden, sodass eine einzige leistungsstarke Stromversorgung ein gesamtes Array versorgen kann. Durch die Array-Verbindung werden zudem die parasitären Verluste der Schaltung gebündelt, sodass ein Rückstrom der Stromversorgung im Normalbetrieb unwahrscheinlich ist (d. h. solange die Nettolastleistung kleiner als die gesamten Betriebsverluste ist).
Detaillierte Analyse:
Ein besonders geeigneter IC für diese Wandlerfunktion ist der Linear Technology LT3837. Typischerweise wird diese Schaltung zur Versorgung niedriger Spannungen, wie z. B. von Batterien im Bereich von wenigen Ampere, von Hochspannungsschienen eingesetzt. Der einzige Unterschied für die Zellsimulatorfunktion besteht darin, dass wir eine einstellbare Ausgangsspannung benötigen. Da schlüsselfertige 12-V-Hochleistungsnetzteile verfügbar sind, können wir das Design so optimieren, dass diese als Stromquelle dienen. Da der Spannungsbereich von Lithiumzellen knapp unter 2 V bis knapp über 4 V liegt, können wir einen entsprechenden Einstellbereich festlegen, der vielseitige Einsatzmöglichkeiten und die Simulation verschiedenster Ladezustände ermöglicht.
Abbildung 4 zeigt einen Querschnitt eines Arrays mit allen Komponenten. Zur Spannungseinstellung liefert das Rückkopplungsnetzwerk ein Steuersignal an den Operationsverstärker, sodass 0 V einer Ausgangsspannung von ca. 4,2 V und 3 V einer Ausgangsspannung von ca. 1,9 V entsprechen. Für eine optimale Benutzersteuerung ist jeder Zellenkreis mit einer Feineinstellung ausgestattet. Das Array wird dann gemeinsam mit Grob- und Feineinstellung gesteuert (das Haupt-MCTL-Einstellsignal kann an verschiedene Abschnitte des Wandlers angeschlossen werden). Bei den angegebenen Werten beträgt die Grobeinstellung der Ausgangsspannung der Gruppe ca. ±0,9 V, die Feineinstellung ca. ±0,15 V und die Zelleinstellung ca. ±0,1 V. Dadurch wird der gewünschte maximale Bereich erreicht (die Möglichkeit, einzelne Zellen bis an ihre Grenzen zu steuern, wurde zugunsten der Feinabstimmungsregelung geopfert). Die gesamte Steuerschaltung wird mit 3,3 V aus der 12-V-Versorgung versorgt. Für die computergesteuerte Spannungsregelung können die Operationsverstärkersignale durch D/A-Wandler wie den 16-Kanal-Wandler LTC2668 ersetzt werden.
Q101 und T100 sind die beiden Hauptkomponenten des Sperrwandlers, Q102 ist der Synchrongleichrichter. Zur schnellen, isolierten Ansteuerung von Q102 wird dessen Gate über die Strompuffer Q103 und Q104 von T101 gesteuert. Die Rückkopplung wird durch eine Hilfswicklung an T100 geregelt. Am Ausgang befindet sich ein 10-mΩ-Serienwiderstand, der Strommessungen mit einem Voltmeter in Kelvin-Anordnung (über die Signale I+ und I-) ermöglicht. Die Gesamtausgangsimpedanz der Schaltung beträgt ca. 25 mΩ und bietet eine robuste ±6-A-Belastbarkeit. Die statischen Verluste liegen in der Größenordnung von 1 W pro Zellensegment, sodass bei einem Array aus 24 Zellen die Wahrscheinlichkeit einer Umkehrung einer 12-V-Quelle minimal ist und die Leistung für die Verwendung mit einer handelsüblichen 12-V/300-W-Quelle wie der TDK-Lambda SWS300-12 geeignet ist.
Zusammenfassend lässt sich sagen
, dass der Bau eines Batteriesimulators eine praktische Lösung für die Entwicklung von Batteriemanagementsystemen (BMS) mit hoher Speicherdichte und einfacher Transportierbarkeit darstellt. Ein 24-Zellen-Simulator kann in einem 2-HE-Rackgehäuse mit 12-V-Netzteil montiert werden und liefert präzise einstellbare Spannungen zwischen 1,9 V und 4,2 V bei einer Kapazität von ±6 A.
