Von Dr. Marco Doms und Paulius Juskevicius, Littelfuse

Lithium-Ionen-Akkus müssen thermisch überwacht werden, damit die sicheren Betriebsbedingungen eingehalten werden und die Alterung der Batteriezellen nicht beschleunigt wird. Bisherige Temperatursensoren, insbesondere herkömmliche NTC-Thermistoren, verfügen nicht über die für kritische Applikationen erforderliche schnelle Anschwingzeit und Genauigkeit. Die TTape-Plattform ermöglicht die Platzierung zahlreicher Überwachungspunkte in einem mehrzelligen Batteriepack, verbessert dadurch die Temperaturüberwachung und räumliche Auflösung und vereinfacht den Installationsprozess. Die Lösung kann dazu beitragen, dass Fahrzeugsysteme eine vorzeitige Zellalterung effektiv kontrollieren und gleichzeitig die Risiken, die mit thermischen Durchschlägen verbunden sind, verringern können.

Das TTape verfügt über eine Zweidrahtschnittstelle, die erkennt, wenn eine Zelle in einem Batterie-Pack eine kritische Betriebstemperatur (z. B. +60 °C) überschreitet. Es wird bei einer Temperatur von 58±3 °C aktiviert und bei einer Temperatur von 42±3 °C zurückgesetzt, um die Zellalterung zu minimieren und die Lebensdauer zu maximieren. Am Ausgang wird ein quasi-digitales Signal ausgegeben, das anzeigt, dass einer der Überwachungspunkte die Auslösetemperatur überschritten hat.

Andere Temperaturen sind für den thermischen Durchschlagschutz (75±3 °C) und das thermische Auslösen, d. h. die Zündung von Feuerlöschsystemen, z. B. bei BESS (~135±3 °C), verfügbar. Kombinationen von zwei Temperaturen auf einem Bauteil werden im Laufe des Jahres 2024 verfügbar sein, wobei ein Signal pro Temperatur ausgegeben wird.

Schnellere Temperaturerfassung

Die AEC-Q200-qualifizierte Lösung von Littelfuse ist für zylindrische, prismatische und Pouch-Zellen geeignet. Sie kann für verschiedene Batterien mit unterschiedlichen Abmessungen und Typen benutzerdefiniert angepasst werden und bietet benutzerdefinierte Längen und Abstände zwischen den Erkennungspunkten. Durch ihr flexibles Design eignet sie sich für den Einsatz mit verschiedenen Batterien, insbesondere Lithium-Ionen-Applikationen.

Mit einem einzigen Anschluss können bis zu 50 Überwachungspunkte verbunden werden, sodass die Überwachung großer Bereiche oder bis zu 50 Zellen möglich ist. Je nach Auslegung kann eine Redundanz integriert werden. Wenn die Auslösetemperatur T_trip an einem der Überwachungspunkte überschritten wurde, gibt das System ein binäres Signal aus und zeigt das Vorhandensein einer Übertemperaturbedingung an einer Stelle in der Zelle, gibt aber nicht an, welcher einzelne Erkennungspunkt aktiviert wird.

Die Reaktionszeit beträgt weniger als 1 Sekunde und ermöglicht somit schnelle Warnmeldungen und Reaktionen. Das Signal kann als MCU-Wake-up-Trigger verwendet werden. Das System lässt sich einfach in bestehende Batteriemanagementsysteme (BMS) integrieren und ergänzt die Thermistoren mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC). Eine Zweidrahtschnittstelle kann vorhandene NTC-Ports oder ungenutzte GPIO-Ports (General Purpose Input Output) auf Batteriemanagement-ICs nutzen.

Es sind keine Kalibrierung oder Temperaturnachschlagetabellen erforderlich. Das Bauteil enthält einen druckempfindlichen Klebstoff für eine einfache und schnelle Installation. Die konstante Überwachung ermöglicht ein schnelleres Laden.

Zu den typischen Applikationen zählen Elektro-, Hybrid und Nutzfahrzeuge sowie Energiespeichersysteme (ESS). Bei einer Betriebsspannung von 3,3 V und einem Pull-up-Widerstand von 200 kΩ beträgt der gesamte Kriechverlust über das TTape-Bauteil etwa 16,5 µA.

Die Standard-Auslösetemperatur von 58±3 ˚C wurde gewählt, um eine Überhitzung zu erkennen, bevor gefährliche Werte erreicht werden, wobei typische Temperaturschwankungen bei normalem Gebrauch berücksichtigt werden. Die meisten handelsüblichen Batterietypen erfordern oberhalb von +60 °C ein aktives Lade-/Entlademanagement, insbesondere während und nach Abschluss des Ladevorgangs.

Die TTape Plattform verfügt über eine Hysterese, um ein schnelles An- und Abschalten des „Alarmsignals“ in der Nähe der Schwellentemperatur zu vermeiden. Der Alarm wird nur dann zurückgesetzt (Reset), wenn sich das Batterie-Pack innerhalb der normalen Betriebsbedingungen befindet.

Fazit

Das TTape hält einem Druck von bis zu 1500 Pa stand und lässt sich bis zu 1,2 % dehnen, ohne Schaden zu nehmen, sodass eine zuverlässige Funktion unter Belastung gewährleistet ist. Neben der bereits erhältlichen 58-°C-Version werden in naher Zukunft weitere Temperaturschwellen verfügbar sein und den Bereich der möglichen Applikationen erweitern.