Ein Angebot von /

Was Echtzeituhrenmodule in Batteriemanagementsystemen leisten

| Autor / Redakteur: Stefan Hartmann, Jochen Neller* / Benjamin Kirchbeck

Speziell für BMS in Kraftfahrzeugen hat Epson eine ganze Reihe von Echtzeituhrenmodulen mit integriertem Quarz entwickelt. Sie basieren auf der sogenannten QMEMS Prozesstechnologie.
Speziell für BMS in Kraftfahrzeugen hat Epson eine ganze Reihe von Echtzeituhrenmodulen mit integriertem Quarz entwickelt. Sie basieren auf der sogenannten QMEMS Prozesstechnologie. (Bild: gemeinfrei / CC0)

Steht ein Elektro- und Hybridfahrzeug in der Sommerhitze oder lädt an einer Schnellladesäule, besteht die Gefahr, dass die Batterie durch Überhitzung, Über- oder Tiefentladung nachhaltig geschädigt wird. Die kontinuierliche Echtzeitmessung der Batterieparameter unter allen Betriebsbedingungen ist daher ein Muss und ein geringer Energieverbrauch dabei besonders wichtig.

Echtzeituhren holen den Mikrocontroller in vorgegebenen Zeitabständen aus dem Power-Down-Modus, so dass ein Batteriemanagementsystem (BMS) regelmäßig die Spannung und Temperatur der Batteriezellen und des Batteriepacks messen und die Daten auswerten kann.

Integrierte oder diskrete Lösung?

Dies lässt sich durch Echtzeituhrenmodule (Real-Time-Clock-Module, RTC-Module) oder durch Mikrocontroller mit integrierter Echtzeituhrenfunktion plus externem Quarz realisieren. Für die Module mit integriertem Quarz spricht eine ganze Reihe von Argumenten. Dies sind in erster Linie ihre höhere Zuverlässigkeit, präzisere Ganggenauigkeit und geringere Stromaufnahme sowie ihr einfacheres Design. Letztere ist vor allem dann von Bedeutung, wenn bei Ausfall der Primärversorgung eine alternative Energiequelle die Versorgungsspannung aufrechterhält.

Echtzeituhrenmodule (RTC) sorgen dafür, dass beim Monitoring und Management der Batteriezellen jedem Ereignis einen Echtzeitstempel zugeordnet wird. Und dabei möglichst wenig Energie verbraucht.
Echtzeituhrenmodule (RTC) sorgen dafür, dass beim Monitoring und Management der Batteriezellen jedem Ereignis einen Echtzeitstempel zugeordnet wird. Und dabei möglichst wenig Energie verbraucht. (Bild: Epson)

Betrachtet man das Design, wird vor allem die Komplexität eines Oszillatordesigns speziell für Uhrenfunktionen häufig unterschätzt. Das führt nicht nur dazu, dass die gewünschte Genauigkeit nicht erzielt wird, sondern es kommt auch zu höheren Ausfallraten, meist wegen zu geringer Anschwingsicherheit. Denn oft wird nur die Initialtoleranz des Quarzes, also die maximale Gangabweichung bei Raumtemperatur, beachtet. Dies führt häufig zu Problemen, weil kHz-Quarze einen Frequenz-Temperaturgang haben, der einer nach unten offenen Parabel folgt. Das bedeutet: Jede Temperaturänderung führt dazu, dass die Uhr nachgeht. Dieser Effekt lässt sich durch eine integrierte Temperaturkompensation erheblich verringern, die nicht nur den parabolisch verlaufenden Temperaturgang ausgleicht, sondern auch die Initialtoleranz kompensiert und so die Ganggenauigkeit erheblich verbessert.

Beim Einsatz eines RTC-Moduls mit integriertem Quarz übernimmt der Bauteillieferant das Oszillatordesign und integriert den Halbleiter und den Quarz in einem hermetisch abgeschlossenen Gehäuse. RTC-Module gibt es in verschiedenen Ausführungen und mit unterschiedlichen Spezialfunktionen wie integriertem EEPROM oder einen Temperatursensor.

Vergleich des Temperaturganges eines unkompensierten kHz-Quarzes (Grün) und des temperaturkompensierten Echtzeituhrenmoduls RA8900CE von Epson (Blau).
Vergleich des Temperaturganges eines unkompensierten kHz-Quarzes (Grün) und des temperaturkompensierten Echtzeituhrenmoduls RA8900CE von Epson (Blau). (Bild: Epson)

Über eine solche integrierte Temperaturkompensation verfügen etwa die RTC-Module der RA8900CE-Serie von Epson. Damit erreichen sie über den Betriebstemperaturbereich von -40°C bis +85°C eine Ganggenauigkeit von +/-3,4ppm. Die Module bestehen aus einem Halbleiter mit I2C-Schnittstelle und einem integrierten Quarz im 3,2 x 2,5mm kleinen Gehäuse. Für den Einsatz in Elektro- oder Hybridfahrzeugen sind sie AEC-Q200-spezifiziert. Zudem verfügen sie über eine Schaltung zur automatischen Versorgungsumschaltung auf eine alternative Spannungsquelle (z.B. einen Supercap) für den Fall, dass die Primärversorgung ausfällt. Die Module der RA8900CE-Serie kommen im Backup-Modus mit typ. 700nA bei 3V Versorgungsspannung aus.

Ist eine hohe Genauigkeit für einen erweiterten Temperaturbereich erforderlich, empfiehlt sich die RA8804CE-Serie von Epson. Sie arbeitet zwischen +85°C und +105°C mit einer Genauigkeit von +/-8ppm und zwischen -40°C und +85°C mit +/-3,4ppm. Die Module sind AEC-Q100 spezifiziert und verbrauchen nur 350nA typ. bei 3V Versorgungsspannung und ausgeschalteten I/O-Ports. Zudem verfügen sie über einen Event-Eingang, der sich nutzen lässt, um externe Ereignisse mit einem Zeitstempel zu versehen. Beide Serien erfüllen damit die vermehrt gestellten Anforderungen nach einer immer höheren Genauigkeit in einem breiteren Temperaturbereich bei kleineren Gehäusen.

Integration in ein BMS

Damit sich die RTC-Module möglichst einfach in ein Batteriemanagementsystem integrieren lassen, verfügen beide Serien über einen sogenannten Fixed Cycle Timer. Dieser generiert in einem vorgegebenen Rhythmus wiederholt einen Interrupt-Impuls, der die Überwachungsfunktion im Mikrocontroller triggern kann. Indem sich der Timer nach einmaliger Programmierung immer wieder selbst neu konfiguriert, um eine neue Zeitmessung zu starten, bleibt der Kommunikationsaufwand zum Mikrocontroller minimal. Das reduziert auch den Systemenergieverbrauch.

Speziell für BMS in Kraftfahrzeugen hat Epson eine ganze Reihe von Echtzeituhrenmodulen mit integriertem Quarz entwickelt. Sie basieren auf der sogenannten QMEMS Prozesstechnologie. QMEMS nutzt photolithografische Prozesse zur Bearbeitung der Quarzblanks, was explizit bei kleineren Bauformen zu verbesserter Charakteristika führt. Sie reduzieren vor allem die interne Verlustleistung und damit die Stromaufnahme. Aufgrund der effizienten Fertigungsmethoden sind die Quarz-basierenden Echtzeituhrenmodule auch preislich sehr attraktiv und punkten zusätzlich durch niedrigen Stromverbrauch und geringes Phasenrauschen. Da Epson nicht nur den Quarz hausintern fertigt, sondern auch den spezifischen Halbleiter, sind die Komponenten optimal aufeinander abgestimmt und ihre Verfügbarkeit ist gesichert.

Welche Bauelemente benötigt ein Batteriemanagementsystem?

Welche Bauelemente benötigt ein Batteriemanagementsystem?

05.12.18 - Das Batteriemanagementsystem (BMS) übernimmt zahlreiche unverzichtbare Aufgaben. Hierfür ist eine ganze Reihe verschiedener Bauelemente erforderlich. Ein Überblick. lesen

* Stefan Hartmann, Department Manager QD, Epson Europe

* Jochen Neller, Technischer Support Inductors & Timing Devices, Rutronik

Kommentar zu diesem Artikel abgeben

Schreiben Sie uns hier Ihre Meinung ...
(nicht registrierter User)

Zur Wahrung unserer Interessen speichern wir zusätzlich zu den o.g. Informationen die IP-Adresse. Dies dient ausschließlich dem Zweck, dass Sie als Urheber des Kommentars identifiziert werden können. Rechtliche Grundlage ist die Wahrung berechtigter Interessen gem. Art 6 Abs 1 lit. f) DSGVO.
Kommentar abschicken
copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 45641828 / Power Management)