Sekundärschutz für Lithium-Ionen-Batterien mit höherer Spannung

Lithium-Ionen-Batterien werden zunehmend in Hochspannungsgeräten eingesetzt

In den letzten Jahren hat sich das Anwendungsspektrum von Lithium-Ionen-Akkus deutlich erweitert. Laptops, Smartphones, Tablet-PCs und andere Geräte nutzen Akkupacks mit Spannungen von 4 bis 12 V. Lithium-Ionen-Akkus mit hohen Spannungen (mehrere zehn Volt) werden mittlerweile auch in Elektrowerkzeugen, Notstromversorgungen, Elektrofahrrädern und Elektromotorrädern eingesetzt, indem mehr als zehn Zellen in einem Akkupack miteinander verbunden werden. Daher müssen auch Selbstkontrollschalter (SCPs)*, die einen Stromkreis bei Überladung oder anderen Problemen sicher abschalten, hohe Spannungen aushalten können.

*Ein SCP ist ein Sicherungselement für den Sekundärschutz von Lithium-Ionen-Batterien, das Dexerials seit 1994 verkauft. SCPs werden in vielen Geräten mit Lithium-Ionen-Batterien installiert.

Drei Beispiele für Schutzschaltungen für Hochspannungsgeräte mit sekundärem Schutzelement (SCP)

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, eine Schutzschaltung mit SCPs für Hochspannungsgeräte aufzubauen. Im Folgenden werden drei typische und empfohlene Methoden erläutert.
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1. Teilantriebssteuerung

Die "partielle Antriebssteuerung" ist ein Verfahren, bei dem ein Teil der Zellen einer Batterie mit SCP verbunden wird. Als Beispiel wird, wie oben gezeigt, die Schaltung für fünf der zehn Zellen der Batterie mit SCP verbunden. Die Schaltung von der fünften Zelle in der Mitte des Batteriepacks auf der linken Seite der Abbildung ist mit einem Feldeffekttransistor (FET) verbunden, der als Schalter fungiert. Der FET wird dann mit SCP verbunden, der in der Lage ist, die Spannung der 5 Zellen zu verarbeiten. Wenn der Schutz-IC eine Spannung erkennt, die den angegebenen Wert überschreitet, schaltet sich der FET ein, der SCP erwärmt sich, das Sicherungselement brennt durch und die Lithium-Ionen-Batterie wird vom Lade-/Entladekreis getrennt.

Betrachtet man diese Schaltung, könnte man meinen, sie könne nur Defekte in den fünf Zellen von Nr. 1 bis Nr. 5 erkennen. Dies ist jedoch nicht der Fall. Der mit dem FET verbundene sekundäre Schutz-IC überwacht Spannung und Strom aller zehn Zellen. Selbst wenn die verbleibenden fünf Zellen, die nicht direkt mit dem SCP verbunden sind, ausfallen, wird der Stromkreis unterbrochen. Diese Methode bietet relativ kostengünstig sekundären Schutz für Lithium-Ionen-Batterien in Hochspannungsgeräten, da die Schaltung einfach aufgebaut ist und keine speziellen Komponenten benötigt.

2. Konstantstrom-Antriebssteuerung

Die im SCP integrierte Heizung verfügt über eine Schaltung, die bei Überschreiten der vorgegebenen Spannung den Stromfluss und die damit verbundene Wärmeerzeugung steuert. Erkennt der SCP eine Überladung, nutzt er die von der Heizung erzeugte Wärme, um das Sicherungselement auszulösen und den Stromkreis zu unterbrechen. Ändert sich der durch die Heizung fließende Strom bei schwankender Spannung, ändert sich natürlich auch die erzeugte Wärmemenge und damit die zum Auslösen der Sicherung benötigte Zeit. Daher sollte der durch die Heizung fließende Strom idealerweise nur geringe Schwankungen aufweisen. Bei dieser Methode sorgt ein Konstantstromkreis zwischen dem sekundären Schutz-IC und dem SCP für einen konstanten Stromfluss zur Heizung. Das obige Diagramm zeigt, dass beim Einsatz des SCP (Modellnummer: SFJ-2015U) mit einer Leistung von 8–30 W der Stromkreis bei einem Strom von 1 A abgeschaltet wird. Dies erhöht zwar die Stabilität, ist aber aufgrund der Komplexität des Konstantstromkreises teuer. Diese Methode wird für eine höhere Stromkreisstabilität empfohlen.

３. Pulsweitenmodulationssteuerung　

Diese Methode senkt die Gesamtleistung durch Impulssteuerung der FET-Ein-/Aus-Funktionen über einen sekundären Schutz-IC. Die Abbildung oben verwendet denselben SCP (Modell SFJ-2015x, Betriebsspannungsbereich 14,4–23,5 V), der mit 8–30 W arbeitet und auch bei der oben erwähnten Konstantstrom-Antriebssteuerungsmethode zum Einsatz kommt. Normalerweise kann SCP nicht in einem Stromkreis mit einer Spannung von 30 V verwendet werden, da diese außerhalb des Betriebsbereichs liegt, da der Heizstromkreis unterbrochen würde, bevor das Sicherungselement durchbrennt. Bei Verwendung der Impulssteuerungsmethode lässt sich die Gesamtleistung jedoch durch wiederholtes Ein- und Ausschalten des Stroms senken. Angenommen, das Verhältnis „Ein“ zu „Aus“ beträgt 1:1, verringert sich die Leistung auf ca. 15,5–25 W, sodass SCP in einem Stromkreis mit einer Spannung von 30 V verwendet werden kann.

Diese Methode ist äußerst zuverlässig, da der IC die Ein-/Aus-Funktion des FET steuert. Darüber hinaus haben normale SCPs einen festen Spannungsbereich für jedes Element, z. B. 5 bis 9 V oder 10,5 bis 19,6 V. Die Methode der Impulssteuerung ermöglicht jedoch einen weiten Spannungsbereich, z. B. 3 bis 20 V.

Die drei oben genannten Methoden werden zum Schutz von Lithium-Ionen-Batterien in Hochspannungsanwendungen empfohlen. Mit der zunehmenden Verwendung von Lithium-Ionen-Batterien steigt auch deren Spannung. Dexerials verfügt über umfassendes Wissen und Technologien zum Schutz solcher Batterien. Bei Fragen zum Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien in Hochspannungsgeräten wenden Sie sich bitte an Dexerials.

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