Obwohl Lithium-Ionen-Akkus und andere weit verbreitete Technologien die Energiedichte von Batterien erheblich erhöht und diese Art von Produkten ermöglicht haben, erfordern sie deutlich mehr Pflege als ältere Akkutechnologien, um die Zeit zwischen den Ladevorgängen und die Lebensdauer des Produkts zu maximieren. Es genügt nicht, einfach eine Stromquelle an die Anschlüsse anzuschließen und sie wieder zu trennen, sobald die interne Spannung einen ausreichenden Wert erreicht hat.
Herausforderungen der Batterietechnologie:
Lithium-Ionen-Akkus sind besonders anfällig für Faktoren wie Überladung. Diese schädigt nicht nur die Zellen, sondern kann auch gefährlich sein. Überladung erhöht den Druck in den Zellen und kann zu einem thermischen Durchgehen führen, wodurch der Akku Feuer fangen kann. Deshalb verfügen alle auf dem Markt erhältlichen Laderegler über einen Überladeschutz.
Um eine lange Akkulaufzeit und maximale Ladung zu gewährleisten, ist eine präzise Steuerung des gesamten Ladevorgangs unerlässlich. Die von Maxim Integrated entwickelten MAX77960B und MAX77961B sind zwei Beispiele dafür, wie dies in tragbaren Systemen erreicht werden kann. Ein solches Gerät lädt den Akku in drei aufeinanderfolgenden Phasen: Vorladung, Konstantstrom und Konstantspannung. Die Vorladephase dient der optimalen Vorbereitung des Akkus auf die vollständige Ladung. Dies ist wichtig, um Schäden zu vermeiden, falls die Zellen fast vollständig entladen sind. Dabei wird zunächst ein geringer Strom zugeführt. Das Ladegerät überprüft mithilfe von Messungen und einem Sicherheitstimer, ob diese Phase erfolgreich abgeschlossen wurde. Andernfalls meldet es einen Fehler an den Hauptmikrocontroller.
Die beiden anderen Modi erfordern einen Kompromiss. Konstantstromladung ist zwar die schnellste Methode, birgt aber das Risiko einer Batterieschädigung, da die höheren Stromstärken zu Überhitzung führen können. Daher verfügen Laderegler über Temperatursensoren, die die Leistung begrenzen, wenn die Batterie zu heiß wird. Normalerweise schaltet der Laderegler in den Konstantspannungsmodus, sobald die Batterie fast vollständig geladen ist. Dies verhindert Überhitzung und verlängert die Batterielebensdauer, verlangsamt aber den Ladevorgang deutlich.
Eine verbesserte Laderegelung bietet weitere Vorteile. Sie ermöglicht die Optimierung von Größe und Gewicht des Gesamtsystems, sowohl der Batterie selbst als auch der Stromversorgungsschaltung. Einige Laderegler sind hochintegriert. Beispielsweise ist der MC34674 von NXP Semiconductors ein vollintegriertes Ladegerät für Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Einzelzellen, optimiert für Reiseanwendungen. Er benötigt lediglich eine externe LED zur Anzeige des Ladezustands, zwei Entkopplungskondensatoren und eine Thermistorschaltung mit Anschluss zur Erfassung der Batterietemperatur.
Ladegeräte und Spannungswandlung für die Stromversorgung:
Der gleiche Bedarf an hoher Integration mit wenigen passiven Bauelementen gilt für DC/DC-Wandler, die zur Aufbereitung und Stromversorgung der verschiedenen Systemkomponenten mit ihren spezifischen Spannungs- und Stromanforderungen eingesetzt werden. Die Vielzahl der benötigten Versorgungsspannungen, selbst in relativ kleinen tragbaren Geräten – von 1 V für ein digitales System-on-a-Chip (SoC) bis hin zu 12 V oder mehr für analoge Ein-/Ausgänge – macht kompakte Lösungen noch wertvoller. Durch den Einsatz weniger externer passiver Bauelemente und die Reduzierung von Wandlungsverlusten können die Lade- und Reglerschaltungen kleiner ausfallen und ohne sperrige Kühlkörper an den Leistungstransistoren betrieben werden. Dies ermöglicht kompakte und effiziente Systemdesigns. Die MAX77960B und MAX77961B tragen unter anderem zur Verbesserung der Leistungsdichte bei, indem sie sowohl als Abwärtswandler als auch als Ladegeräte fungieren: Sie versorgen das tragbare System mit Strom, sobald die Batteriespannung höher als die gewünschte Ausgangsspannung ist.
Unabhängig davon, ob es sich um wiederaufladbare oder nicht wiederaufladbare Akkus handelt, sinkt die Batteriespannung mit zunehmender Entladung. Fällt diese Spannung unter den Betriebsbereich des Wandlers, geht die verbleibende Ladung im Akku verloren, was zu kürzeren Laufzeiten als erwartet führt. Die Verwendung eines DC/DC-Wandlers mit Abwärts- und Aufwärtswandlerfunktion ermöglicht die maximale Entladung.
Abbildung 1. Entladestromkennlinie: Die Grafik zeigt die Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Zeit während der Akkuentladung. Quelle: https://www.farnell.com/datasheets/2305652.pdf
Die Unterstützung von Energiesparmodi ist für IoT-Geräte (Internet der Dinge) wie Umweltsensoren und Wearables zur Gesundheits- und Wohlbefindensüberwachung unerlässlich. Diese Geräte befinden sich über längere Zeiträume im Ruhemodus und sind nur für einen Bruchteil einer Sekunde aktiv, bevor sie wieder in den Ruhemodus wechseln. Bei solch kurzen Betriebszyklen ist ein geringer Ruhestrom im gesamten System, einschließlich der Energiemanagementschaltung, entscheidend. Der von Maxim entwickelte Aufwärts-/Abwärtswandler MAX710ESE+ ermöglicht beispielsweise die ausschließliche Nutzung des linearen Reglersystems während dieser Ruhemodi, um den Stromverbrauch zu begrenzen und eine Entladung der Batterie bei längeren Inaktivitätsphasen zu verhindern.
Batterieüberwachung und -management:
In vielen Anwendungen ist es gleichermaßen wichtig, den verbleibenden Ladezustand zu kennen und den Stromfluss zu jeder einzelnen Zelle eines Akkus zu überwachen. Die Kombination dieser beiden Elemente kann für Fahrzeugsysteme entscheidend sein, da Fahrer sich nicht weit von einer Ladestation entfernt aufhalten möchten, wenn die Schätzung ungenau ist oder ein Ungleichgewicht zu einer unzureichenden Spannungsversorgung führt, weil mehrere Zellen zu stark entladen wurden. In allen Systemen trägt eine genaue Ladezustandsschätzung zur Optimierung der Ladezeit und des Kapazitätsmanagements bei. Einige Systeme nutzen diese Messungen bereits, um den Ladevorgang zu verlangsamen und die Batterielebensdauer zu verlängern, indem sie den aktuellen Ladezustand mit dem erwarteten Verbrauch vergleichen. Für Batteriemanagement und -überwachung sind häufig spezielle Produkte erhältlich.
Der Renesas ISL94202 ist für Akkus mit bis zu acht Zellen ausgelegt und ermöglicht die autonome Steuerung des Akkupacks ohne übergeordneten Mikrocontroller. Das Gerät regelt automatisch den Zellausgleich im Akkupack und verfügt über diverse Schutzfunktionen gegen Überströme und andere Probleme. Ein weiteres Beispiel ist der Infineon Technologies TLE9012AQU, der vier Hauptfunktionen erfüllt: Messung der Zellspannung und -temperatur, Zellausgleich und isolierte Kommunikation mit einem zentralen Akku-Controller. Dank dieser Funktionskombination eignet sich das Gerät ideal für größere Automobil- und Kommunikationssysteme, in denen mehrere Akkupacks parallel geschaltet werden. Um die Genauigkeit der Zellstatusmessung zu gewährleisten, überwacht ein 16-Bit-A/D-Wandler jede Zelle.
Moderne Fahrzeugkonstruktionen integrieren oft mehrere unterschiedliche Batteriesysteme zur Versorgung verschiedener Fahrzeugkomponenten, vom Antriebsstrang bis zum Infotainmentsystem. Viele Hersteller planen nun, die Niedervoltbatterie für die Hilfselektronik zu eliminieren und stattdessen die Hochvoltbatterie auch für die Bordelektronik zu nutzen. Dies erfordert nicht nur auf maximale Leistungsreduzierung optimierte DC/DC-Wandler, sondern auch Batteriemanagementsysteme, die eine komplexe Stromversorgungstopologie bewältigen können. Die Batteriemanagement- und Support-ICs von NXP, wie beispielsweise der MC33771C, erfüllen ein breites Spektrum an Anforderungen. Diese Bausteine unterstützen die isolierte Daisy-Chain-Kommunikation zur Datenübertragung an einen zentralen Mikrocontroller und können den Strom synchron an den verschiedenen Batteriepacks messen.
Am anderen Ende des Spektrums, und um den zunehmenden Einsatz von IoT-Sensoren zu unterstützen, entwickelt sich Energy Harvesting zu einer wichtigen Methode, um die Stromversorgung tragbarer und batteriebetriebener Geräte zu ergänzen. Energy Harvesting ermöglicht es Sicherheitssensoren und anderen Geräten mit geringem Stromverbrauch, viele Jahre lang ohne Batteriewechsel oder Anschluss an das Stromnetz zu funktionieren.
Eine gängige Konfiguration kombiniert eine Einwegbatterie, beispielsweise eine Lithium-Knopfzelle, mit einem wiederaufladbaren Speichermedium, etwa einem Superkondensator oder einem kleinen Lithium-Ionen-Akku. Energiegewinnungstechnologien liefern die Ladung nicht immer effizient, und die Energiequellen arbeiten oft mit hoher Impedanz. Daher ist eine sorgfältige Schaltungsentwicklung erforderlich, um Verluste zu minimieren. Der MAX20361 von Maxim bietet Entwicklern eine integrierte Lösung, die Energie aus Solarzellen gewinnt und nachgeschaltete Schaltungen mit nutzbarer Ladung versorgt. Der integrierte Aufwärtswandler kann mit Eingangsspannungen ab 225 mV betrieben werden.
Batterieintegration
in Systeme jedoch so einfach wie möglich gestalten. Die Unterstützung erfahrener Ingenieure von Distributoren wie Farnell stellt sicher, dass Teams die beste Beratung hinsichtlich der für ihre jeweilige Anwendung geeigneten Bausteine erhalten.
Autor: Cliff Ortmeyer, Global Head of Technical Marketing bei Farnell
