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Batteriemanagement Batterie-Monitor für Hybrid- und E-Mobile mit 0,04% garantierter Genauigkeit

| Autor: Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Linear Technology hat den Hochspannungsbatterie-Monitor LTC6804 vorgestellt. Der Baustein ist konzipiert für Hybrid- und Elektrofahrzeuge sowie andere Systeme, die von einer Mehrzellen-Hochspannungsbatterie gespeist werden.

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Der LTC6804: ein hochgenauer Mehrzellen-Hochspannungsbatterie-Monitor mit galvanisch getrennter SPI-Schnittstelle für bidirektionale Kommunikation über Entfernungen bis 100 m
Der LTC6804: ein hochgenauer Mehrzellen-Hochspannungsbatterie-Monitor mit galvanisch getrennter SPI-Schnittstelle für bidirektionale Kommunikation über Entfernungen bis 100 m
(Bild: Linear Technology)

Der LTC 6804 kann bis zu 12 in Serie geschaltete Batteriezellen (jeweils max. 4,2 V) mit einer Auflösung von 16 Bit und einer Genauigkeit besser als 0,04% überwachen. Diese hohe Genauigkeit ist einer Subsurface-Zener-Spannungsreferenz zu verdanken, wie sie auch in Präzisionsmessgeräten verwendet wird. Sie ist dauerhaft und bleibt auch bei Temperaturschwankungen und veränderlichen Umgebungsbedingungen erhalten.

Es lassen sich mehrere LTC6804 in Serie schalten und auf diese Weise sämtliche Zellen eines großen Hochspannungssystems zu überwachen. Es stehen sechs Betriebsarten zur Auswahl. So kann der Entwickler die Aktualisierungsrate, die Auflösung und die Kennline des internen Rauschfilters dritter Ordnung optimieren. In der schnellsten Betriebsart können sämtliche Zellen innerhalb von 290 µs gemessen werden.

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Serienmäßig integrierte isoSPI-Schnittstelle

Die proprietäre isoSPI-Schnittstelle von Linear Technology ermöglicht es, mehrere LTC6804s über große Entfernungen miteinander zu verbinden und gleichzeitig zu betreiben. Die in den LTC6804 serienmäßig integrierte isoSPI-Schnittstelle gewährleistet eine zuverlässige, gegen HF-Störungen unempfindliche Datenübertragung mit Datenraten bis zu 1 Mbit/s über bis zu 100 m Entfernung unter Verwendung eines einzigen Twisted-Pair-Kabels. Es sind zwei Versionen verfügbar, die sich durch die Art der Kommunikation mit dem Host-Prozessor unterscheiden: Beim LTC6804-1 werden mehrere Monitor-ICs zu einer Daisy-Chain verbunden und vom Host-Prozessor gemeinsam gesteuert; beim LTC6804-2 werden mehrere ICs parallel mit dem Host-Prozessor verbunden und individuell adressiert.

Optimiert für minimalen Stromverbrauch

Der LTC6804 wurde für minimalen Stromverbrauch optimiert, insbesondere während langer Lagerung der Batterie, wo jede Stromentnahme unerwünscht ist. Im Sleep-Modus verbraucht der LTC6804 weniger als 4 µA. Für die Überwachung analoger Signale wie Strom oder Temperatur sind Universal-I/O-Pins verfügbar; diese Parameter können simultan mit den Zellenspannungen gemessen werden. Das Monitor-IC unterstützt außerdem passives Balancing für jede Zelle und enthält zu diesem Zweck einen programmierbaren Balancing-Timer für bis zu zwei Stunden, der auch im Sleep-Modus des LTC6804 aktiv ist. Der LTC6804 kann mit externen I2C-Geräten wie Temperatursensoren, ADCs, DACs und EEPROMs kommunizieren. Der Chip enthält ein lokales EEPROM, das die Speicherung von Serialisierungs- und Kalibrierdaten und die Implementierung modularer Systeme ermöglicht.

Für ISO-26262-konforme Systeme

(Bild: Linear Technology)

Der LTC6804 übertrifft die hohen Umwelt-, Zuverlässigkeits- und Sicherheitsanforderungen automobiler und industrieller Anwendungen. Der LTC6804 ist für den Betriebstemperaturbereich von –40 bis 125 °C vollständig spezifiziert. Er ist für ISO-26262- (ASIL) konforme Systeme konzipiert und verfügt über leistungsfähige Selbsttestfunktionen, die sicherstellen, dass keine latenten Fehler vorhanden sind. Zu diesem Zweck enthält der LTC6804 eine redundante Spannungsreferenz, eine umfangreiche Logiktestschaltung, eine Schaltung zur Erkennung von Leitungsunterbrechungen, einen Watchdog-Timer und eine Logik zur Erkennung von Paketfehlern auf der seriellen Schnittstelle.

30 Jahre Erfahrung mit Analogtechnik

„Im LTC6804 stecken 30 Jahre Erfahrung mit Analogtechnik und eine Menge Knowhow auf dem Gebiet Autobatterie-Management“, erklärt Greg Zimmer, bei Linear Technology zuständig für das Produktmarketing von Silizium-Oszillatoren und andere signalformende Produkte. „Dieses IC zeigt nicht nur auf dem Messplatz, sondern auch im Auto hervorragende Leistungen.“

Galvanisch getrennte SPI-Datenübertragung über 100 m

Greg Zimmer: „Im LTC6804 stecken 30 Jahre Erfahrung mit Analogtechnik und eine Menge Knowhow auf dem Gebiet Autobatterie-Management.“
Greg Zimmer: „Im LTC6804 stecken 30 Jahre Erfahrung mit Analogtechnik und eine Menge Knowhow auf dem Gebiet Autobatterie-Management.“
(Bild: Linear Technology)

Zusammen mit dem LTC6804 präsentiert Linear Technology den isoSPI-Transceiver LTC6820, der bidirektionale, galvanisch getrennte SPI- (Serial Peripheral Interface) Datenübertragungen über eine Entfernung von bis zu 100 m ermöglicht. Der LTC6820 wandelt die SPI-Daten in ein differenzielles Signal um, das dann über einen preiswerten Ethernet-Übertrager und ein gewöhnliches Twisted-Pair-Kabel übertragen wird. Der LTC6820 unterstützt SPI-Datenraten bis 1 MHz und arbeitet mit gleich großen Quellen- und Senkenströmen; dadurch ein Übertrager ohne Mittelanzapfung verwendet werden, und außerdem verringert sich die Störstrahlung.

Die Treiberströme und Komparatorschwellen sind über zwei Widerstände einstellbar; dadurch ist es möglich, das System optimal an die Kabellänge anzupassen und den Signal/Rauschabstand zu maximieren. Der LTC6820 ist ein Begleitprodukt zum Hochspannungsbatteriemonitor LTC6804 mit integrierter isoSPI-Schnittstelle. Batteriemanagementsysteme auf der Basis des LTC6804 können über den LTC6820 mit externen SPI-fähigen Bausteinen, beispielsweise Mikrocontrollern, kommunizieren.

Muster, Demoboards und Datenblatt

Der LTC6804 hat ein 8 mm x 12 mm großes SMT-Gehäuse und wird ab Januar 2013 in Produktionsstückzahlen verfügbar sein. Der LTC6820 ist in einem MSOP-Gehäuse und in einem QFN-Gehäuse verfügbar. Muster, Demo-Boards und Datenblätter der Bausteine können über die unten stehenden Links angefordert bzw. heruntergeladen werden.

Die wichtigsten Leistungsmerkmale des LTC6804:

  • Überwacht bis zu 12 in Serie liegende Batteriezellen
  • Kaskadierbare Architektur unterstützt Hunderte von Zellen
  • Integrierte isoSPI-Schnittstelle
  • Galvanisch getrennte serielle Kommunikation mit 1 Mbit/s
  • Übertragungsreichweite bis zu 100 m über Twisted-Pair-Kabel
  • Hohe Einstrahlfestigkeit, geringe Störstrahlung
  • Maximaler Gesamtmessfehler 1,2 mV
  • Messzeit nur 290 µs für sämtliche Zellen
  • Synchronisierte Spannungs- und Strommessungen
  • Delta-Sigma-A/D-Wandler mit internem Rauschfilter
  • Für ISO26262-konforme Systeme vorgesehen
  • Passives Zellen-Balancing mit programmierbarem Timer
  • 5 Universal-I/O-Anschlüsse oder Analogeingänge
  • Eingänge für Temperatur- oder andere Sensoren
  • Für I2C-Schnittstelle konfigurierbar
  • 4 μA Stromaufnahme im Sleep-Modus
  • 48-poliges SSOP-Gehäuse

Die wichtigsten Leistungsmerkmale des LTC6820:

  • Galvanisch getrennte SPI-Datenkommunikation mit 1Mbit/s
  • Einfache galvanische Trennung unter Verwendung von Standardübertragern
  • Bidirektionale Datenübertragung über ein einziges Twisted-Pair-Kabel
  • Kabellänge maximal 100 m
  • Hohe Einstrahlfestigkeit, geringe Störstrahlung
  • Wahlweise für hohe Einstrahlfestigkeit oder geringen Stromverbrauch konfigurierbar
  • Bei den meisten Systemen sind keine Änderungen an der Software nötig
  • Ultrageringer Ruhestrom: 2 μA
  • Automatische Wake-Up-Erkennung
  • Betriebstemperaturbereich: –40 bis 125 °C
  • Betriebsspannung 2,7 bis 5,5 V
  • Mit allen Logikpegeln von 1,7 bis 5,5 V
  • 16-poliges QFN- oder MSOP-Gehäuse

(ID:36548640)

Über den Autor

Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Redakteur, ELEKTRONIKPRAXIS - Wissen. Impulse. Kontakte.