Wiederaufladbare Batterien eignen sich zwar für Anwendungen mit hohem Stromverbrauch und starker Entladung, doch Primärbatterien sind nach wie vor die einfachste und kostengünstigste Lösung für die meisten tragbaren Geräte und ermöglichen eine deutliche Größenreduzierung. Ob
Blutzuckermessgerät, PC-Peripheriegerät oder Kamera – Ziel ist es, eine intelligente Steuerung und längere Akkulaufzeit zu gewährleisten sowie Größe und Gewicht des Endprodukts für eine bessere Mobilität zu reduzieren.
Die Entscheidung für ein Einzelbatteriesystem ist natürlich nur der Anfang: Im nächsten Schritt gilt es, die passende Technologie auszuwählen. Abbildung 1 zeigt eine Auswahl bekannter Primärbatterietechnologien und ihre häufigsten Anwendungsbereiche.
Für Zeitschaltuhren und Wecker, die im Vergleich zu ihrer Betriebsdauer von bis zu
10 Jahren wenig Energie verbrauchen, sind kleine, leichte Lithium-Knopfzellen, wie z. B. Li/MnO₂, in 13 verschiedenen Größen erhältlich.
Für tragbare Geräte mit niedriger oder mittlerer Entladerate sind zylindrische Alkalibatterien in drei kompakten Größen verfügbar: AA, AAA und AAAA.
Zylindrische Lithium-Eisensulfat-Batterien (LiFeS₂) sind nur in zwei Größen, AA und AAA, erhältlich und eignen sich am besten für Anwendungen mit mittleren bis hohen Entladeströmen oder wenn niedrige Temperaturen erforderlich sind. Im Vergleich zu zylindrischen Alkalibatterien sind Lithiumbatterien 33 % leichter, bieten eine höhere Zuverlässigkeit und haben eine Lebensdauer von bis zu 15 Jahren, was dem Zwei- bis Dreifachen der Lebensdauer von Alkalibatterien entspricht.
Designs mit nur einer Batterie:
Dank zunehmender Siliziumintegration und kleinerer passiver Bauteile lassen sich tragbare Geräte Jahr für Jahr verkleinern. Bei den meisten Designs stellt die Größe des Batteriefachs selbst die größte Hürde für eine weitere Miniaturisierung dar, da es unter Umständen zwei oder mehr Batterien aufnehmen muss. Alternativ kann ein Mikrocontroller verwendet werden, der mit einer einzelnen 1,5-V-Batterie betrieben werden kann.
Ein Batterie-Aufwärtswandler, wie beispielsweise der MCP1640 von Microchip, stellt eine Stromversorgung bereit, indem er eine Eingangsspannung auf eine höhere geregelte Spannung, beispielsweise von 2,0 auf 5,0 V, erhöht. Dadurch kann das Gerät mit einer Eingangsspannung, die deutlich unter seiner Betriebsspannung liegt, in Betrieb genommen werden.
Viele Mikrocontroller können beispielsweise nicht unter 2 V betrieben werden, während der Aufwärtswandler bereits ab einer Anfangsspannung von 0,65 V eine Spannung liefern kann. Abbildung 2 zeigt den typischen Startvorgang, bei dem die Ausgangsspannung durch den Niederspannungsstart auf die Eingangsspannung aufgeladen wird. Sobald die Ausgangsspannung erreicht ist, beginnt der N-Kanal zu schalten und die Ausgangsspannung auf höhere Werte zu erhöhen. Anschließend wird die interne Vorspannung vom Eingang auf den Ausgang umgeschaltet. Dadurch kann eine Anwendung, die eine einzelne aufgeladene Alkali-Batterie verwendet, an jedem beliebigen Punkt ihrer Entladekurve gestartet werden, sofern die Batterie über ausreichend Restkapazität verfügt, um das Gerät zu versorgen.
Während ein Batterie-Aufwärtswandler möglicherweise eine konstante Ausgangsspannung aus sehr niedrigen Eingangsspannungen (z. B. 0,35 V) liefern kann, raten Batteriehersteller wie Energizer davon ab, Alkali- oder Lithiumbatterien unter 0,8 V zu entladen, da dies die Batterie beschädigen kann.
Die Vorteile der Verwendung einer einzelnen Batterie hängen vom Batterietyp ab. Beispielsweise spart der Ersatz von zwei Alkalibatterien durch eine einzige Alkalibatterie sowohl Platz als auch Gewicht der zweiten Batterie und kompensiert so den geringen Platzbedarf des Konverters und seiner Komponenten.
Der Einsatz eines Aufwärtswandlers maximiert die Energieeffizienz, indem er eine geregelte Stromversorgung über den gesamten Betriebsbereich der Batterie bereitstellt. Diese geregelte Spannung ermöglicht einen effizienteren Betrieb des Mikrocontrollers, da dieser mit einer niedrigeren und gleichmäßigeren Spannung arbeitet. Beispielsweise reduziert die Senkung der Betriebsspannung des Mikrocontrollers von 3,3 V auf 2,2 V den Stromverbrauch des Mikrocontrollers um den Faktor 1,8 (Spannungsdifferenz im Quadrat). Darüber hinaus bietet der Aufwärtswandler Kurzschlussschutz durch Strombegrenzung.
Die OEM-Kosten für die Implementierung eines Aufwärtswandlers mit einer einzelnen Batterie sind etwas höher als die Kosten für die Verwendung von zwei Alkalibatterien. Die Betriebskosten für den Verbraucher können jedoch bei beiden Optionen ähnlich sein, sofern der Aufwärtswandler mit hohem Wirkungsgrad arbeitet. Die Verwendung einer einzelnen Alkalibatterie ermöglicht es Entwicklern, die Produktgröße zu reduzieren, ohne die Batteriechemie eines bestehenden Designs mit mehreren Batterien zu verändern. Die Verwendung einer einzelnen Batterie vereinfacht zudem die mechanischen Aspekte des Akkupacks und verringert das Risiko einer fehlerhaften Installation durch den Benutzer.
Konstrukteure, die die Vor- und Nachteile einer einzelnen Alkalibatterie 
gegenüber einem wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Polymer-Akku vergleichen, werden zwar Ähnlichkeiten feststellen, aber auch unterschiedliche Gründe für die Wahl einer einzelnen Batterie. Da der Aufwärtswandler eine geregelte Ausgangsleistung liefert, ermöglicht er die Spannungsanpassung zur Maximierung der Systemeffizienz. Ähnlich wie die Alkalibatterie bietet der Aufwärtswandler durch Strombegrenzung einen Kurzschlussschutz. Die Grundfläche einer einzelnen AAAA-Alkalibatterie von 352 mm² ist kleiner als die einer einzelnen Lithium-Ionen-Polymerbatterie mit 650 mm² (31,0 x 21,0 x 3,5 mm), selbst bei gleichem Volumen (2,3 cm³) und angenommener Doppelschichtplattenkonstruktion.
Die Verwendung einer Alkalibatterie anstelle eines Lithium-Ionen-Polymer-Akkus vereinfacht die Logistik, da keine Ladeschaltung benötigt wird und die Vorschriften für den Umgang mit Lithium eingehalten werden. In Anwendungen, in denen ein Batteriewechsel praktikabler ist, kann ein Aufwärtswandler mit einer einzelnen AAAA-Alkalibatterie die Kosten der Batteriekomponenten im Vergleich zu einem einzelnen Lithium-Ionen-Polymer-Akku inklusive Laderegler und Ladegerät um 50–70 % senken.
Ein Vergleich zwischen einer einzelnen Alkalibatterie und einer einzelnen Lithium-Knopfzelle zeigt, dass die Einzelbatterielösung unter verschiedenen Bedingungen vorteilhaft ist. In diesem Beispiel wird eine 600-mAh-AAAA-Alkalibatterie mit einer 225-mAh-CR2032-Lithium-Knopfzelle verglichen. Ähnlich wie beim Lithium-Ionen-Polymer-Akku entfällt durch die Verwendung einer einzelnen Batterie die Einhaltung der Vorschriften zum Umgang mit Lithium. Zylindrische Batterien wie AAAA-Batterien sind Verbrauchern vertrauter als Knopfzellen, was ihre Installation vereinfacht. Der Platzbedarf ist bei beiden ähnlich: ca. 352 mm² für eine einzelne AAAA-Alkalibatterie gegenüber 314 mm² für die CR2032-Lithium-Knopfzelle (bei einer zweilagigen Leiterplatte).
Die einzelne Alkalibatterie nutzt weiterhin eine einstellbare Spannung, um die Effizienz zu maximieren und durch Strombegrenzung einen Kurzschlussschutz zu gewährleisten. Im Gegensatz zur CR2032 kann die Alkalibatterie jedoch einen höheren Dauerstrom liefern. Konkret liefert die Hochleistungs-Alkalibatterie 150 mA kontinuierlich, während die CR2032 nur sehr kurze Stromimpulse abgeben kann. Ein Dauerstrom von über 10 mA reduziert die nutzbare Kapazität einer CR2032-Batterie drastisch, und selbst bei 20 mA liefert sie nur noch ein Fünftel der Energie, die Hochleistungs-AAAAA-Batterien liefern können (siehe Abbildung 3).
Vor- und Nachteile des Systems:
Ein Batterie-Aufwärtswandler bietet zahlreiche Vorteile, beispielsweise den Betrieb eines mikrocontrollerbasierten Systems mit nur einer Batterie. Dennoch ist es wichtig, die Vor- und Nachteile eines Systems mit nur einer Batterie gegenüber einem mit mehreren Batterien abzuwägen. Der Wirkungsgrad des Batterie-Aufwärtswandlers hängt stark vom Eingangsstrom sowie von den Eingangs- und Ausgangsspannungen ab. Der dominierende Verlustfaktor ist der Widerstand. Daher ist der Wirkungsgrad bei niedrigeren Eingangs-/Ausgangsspannungen geringer als bei höheren (siehe Abbildung 4). Weitere Einflussfaktoren sind die Widerstandsverluste in Induktivitäten und Kondensatoren. Induktivitäten mit niedrigem Gleichstrom-Serienwiderstand und Kondensatoren mit niedrigem äquivalenten Serienwiderstand (ESR) ermöglichen einen höheren Wirkungsgrad im Verhältnis zu Größe und Kosten.
Für Systeme mit geringerem Stromverbrauch kann der Aufwärtswandler einen Schlafmodus mit einem typischen Verbrauch von 20 µA und einen Abschaltmodus mit einem Verbrauch von unter 1 µA umfassen. In Verbindung mit einem Mikrocontroller kann ein Aufwärtswandler die Anwendung im Schlafmodus mittels eines Step-Up-Verfahrens mit einer Versorgungsspannung versorgen. Der Mikrocontroller aktiviert den Aufwärtswandler, sobald die Systemspannung unter einen vordefinierten Wert fällt, und deaktiviert ihn anschließend wieder, um den Betriebsstrom des Wandlers zu eliminieren, während der Ausgangskondensator weiterhin geladen wird. Dieses Verfahren kann den Gesamtstromverbrauch von Mikrocontroller und Aufwärtswandler um bis zu 87 % reduzieren.
Durch den Einsatz eines batteriegekoppelten Aufwärtswandlers lässt sich die Gesamtgröße des Systems um die Größe der zweiten Batterie reduzieren, wobei der zusätzliche Platzbedarf für den Aufwärtswandler, zwei Widerstände, zwei Kondensatoren und eine Induktivität berücksichtigt wird (siehe Abbildung 5). Das Gewicht des Aufwärtswandlers und seiner zugehörigen Komponenten ist für die meisten Anwendungen vernachlässigbar. Die Oberfläche eines typischen Aufwärtswandlers beträgt etwa 60 mm², deutlich weniger als die 450 mm² einer zweiten AAA-Batterie oder die 352 mm² einer zweiten AAAA-Batterie. Dennoch lässt sich die Oberfläche des Gesamtsystems durch ein zweilagiges Platinendesign auf 290 bis 390 mm² reduzieren. Die Kosten für den OEM zur Implementierung eines Aufwärtswandlers und der zugehörigen Komponenten belaufen sich auf etwa 0,20 US-Dollar. Diese Kosten können durch die Technologie der zu ersetzenden Batterie kompensiert werden, müssen es aber nicht.
Viele Halbleiterunternehmen bieten Applikationshinweise und/oder Referenzdesigns für ihre Aufwärtswandler an, wie beispielsweise das in Abbildung 6 dargestellte Referenzdesign des MCP1640 AAAA-Aufwärtswandlers von Microchip für eine einzelne Batterie. Durch die Anpassung dieser vorgefertigten Schaltung an eine bestimmte Anwendung kann die Entwicklungszeit erheblich verkürzt werden.
Vorteile für Endprodukte:
Der Einsatz einer einzelnen Batterie ermöglicht nicht nur eine Differenzierung durch eine kompaktere Bauform für viele Anwendungen, sondern bietet auch einen Kostenvorteil gegenüber Knopfzellen- oder Akkubatterien. Die Möglichkeit, Breite und Gewicht des Griffs einer elektrischen Zahnbürste zu minimieren, sorgt für eine natürlichere Handhabung. Die Verwendung einer einzelnen Batterie vereinfacht zudem die mechanische Konstruktion, da sichergestellt ist, dass der Benutzer die Batterie korrekt einsetzt.
Ein weiterer Vorteil eines Akkus mit hoher Kapazität ist die geregelte Stromversorgung des Geräts. Dadurch wird ein gleichbleibendes Spannungsprofil über die gesamte Lebensdauer des Akkus gewährleistet. So kann die Zahnbürste die Vibrationen konstant halten, ohne dass es zu einem spürbaren Abfall der Vibrationsintensität oder -leistung kommt. Darüber hinaus kann der Mikrocontroller das Vibrationssignal modulieren, beispielsweise durch pulsierende Vibrationen, um dem Benutzer anzuzeigen, dass sich der Akku dem Ende seiner Lebensdauer nähert.
Taschenlampen, insbesondere LED-Taschenlampen, können auch eine geregelte Versorgungsspannung über einen Aufwärtswandler nutzen, um einen Mikrocontroller mit Strom zu versorgen. Dieser steuert wiederum eine komplexere Stromversorgung für die LEDs. Die geregelte Stromversorgung verhindert, dass die Taschenlampe mit sinkender Batterieleistung schwächer wird und sorgt so für eine gleichbleibende Lichtleistung über die gesamte Batterielebensdauer.
Die Verwendung einer einzelnen, leistungsstarken Batterie kann für höherpreisige Geräte wie tragbare Funkmäuse sinnvoll sein. Diese Mäuse verlängern die Batterielaufzeit, indem sie beim Surfen im Internet und bei der Textbearbeitung Positionsaktualisierungen mit niedriger Frequenz nutzen, anstatt der für Spiele erforderlichen hohen Frequenzaktualisierungen. Funkmäuse können dank einer einzelnen austauschbaren Batterie kompakt sein, was im Vergleich zu Modellen mit wiederaufladbaren Batterien Design- und Materialkosten spart. Hinsichtlich des Kostenunterschieds zwischen den Batterietechnologien bedeutet die Verwendung einer austauschbaren Batterie, dass durch die mechanische Konstruktion kein teurer Ladeanschluss benötigt wird.
Die meisten Verbraucher kennen die zylindrischen Batterieformate AA, AAA und AAAA und wissen, wo sie diese kaufen können. Designs mit diesen Formaten ermöglichen einen einfacheren Batteriewechsel, sodass sich die Nutzer sicherer fühlen, die Batterie korrekt einzusetzen. Obwohl auch andere Formate wie Knopfzellen weit verbreitet sind, kennen Verbraucher deren Eigenschaften in der Regel nicht, wenn sie sich so sicher sind, die Batterie richtig eingesetzt zu haben. Eine klare Anleitung zum Einsetzen einer zylindrischen Batterie und die einfache Verfügbarkeit einer Ersatzbatterie stellen ein klares Alleinstellungsmerkmal für ein Design dar.
Hochspannungsgeräte lassen sich auch dadurch differenzieren, dass sie in dem durch den Einsatz einer einzelnen Batterie freigewordenen Platz eine HF-Konnektivität integrieren. Zu den Anwendungen, die von dieser tragbaren medizinischen Ausrüstung profitieren können, gehören Blutdruckmessgeräte und Blutzuckermessgeräte sowie in industriellen Umgebungen eingesetzte Leuchtfeuer zur Verfolgung von Versandcontainern.
Zusammenfassung.
Der Ersatz von Mehrbatteriesystemen durch eine einzelne Batterie und einen Aufwärtswandler, wie beispielsweise den MCP1640 von Microchip, bietet deutliche Vorteile für eine Vielzahl tragbarer Anwendungen. Durch die Verwendung einer einzelnen, aufgeladenen Batterie können Geräte wettbewerbsfähiger werden, da sie kleiner und leichter sind, geringere Materialkosten verursachen und eine einfachere mechanische Konstruktion aufweisen als Systeme mit mehreren Batterien. Endnutzer profitieren zudem von der weiten Verbreitung und Vertrautheit mit zylindrischen Batterien. Dies sind alles überzeugende Gründe für die Verwendung einer einzelnen Batterie in tragbaren Geräten.
