Batterietechnologie für tragbare elektronische Geräte

Einführung

Heutzutage umfasst die Batterietechnologie in tragbaren elektronischen Geräten verschiedene Aspekte wie Leistungserkennungsalgorithmen, Batterieladealgorithmen und Batterieladetechniken. Wiederaufladbare Batterien gibt es in verschiedenen Typen, darunter Nickel-Cadmium-, Nickel-Metallhydrid-, Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Batterien. Obwohl jeder dieser Batterietypen seine Eigenschaften hat, sind Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Batterien aufgrund ihrer Energiedichte und Sicherheitsfunktionen die ideale Wahl für kleine, langlebige Geräte wie Laptops und tragbare Mediaplayer (PMPs) mit Festplatte geworden. Für Ingenieure, die mit tragbarer Elektronik arbeiten, ist es entscheidend, die Batterietechnologie richtig auszuwählen und anzuwenden. In diesem Artikel werden diese Aspekte anhand praktischer Beispiele erörtert und analysiert.

1. Batterieladealgorithmen: Erhaltungsladung, Schnellladung und Ladung mit konstanter Spannung

Je nach Energiebedarf der Endanwendung kann ein Akkupack bis zu vier Lithium-Ionen- oder Lithium-Polymer-Zellen enthalten, die auf unterschiedliche Weise konfiguriert und über einen primären Adapter mit Strom versorgt werden: Direktadapter, USB-Schnittstelle oder Autoladegerät. Trotz Unterschieden in der Anzahl der Zellen, ihrer Konfiguration oder der Art des Netzteils haben diese Akkupacks dieselben Ladeeigenschaften und daher sind die Ladealgorithmen ähnlich. Der optimale Ladealgorithmus für Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Akkus kann in drei Phasen unterteilt werden: Erhaltungsladung, Schnellladung und Ladung mit konstanter Spannung.

Erhaltungsladung: Wird für tief entladene Zellen verwendet. Wenn die Zellspannung unter ca. 2,8 V fällt, wird ein konstanter Strom von 0,1 C angelegt, um die Zelle aufzuladen.

Schnellladen: Sobald die Zellspannung den Erhaltungsladeschwellenwert überschreitet, wird der Ladestrom für das Schnellladen erhöht. Der Schnellladestrom sollte weniger als 1,0 C betragen.

Konstantspannungsladen: Beim Schnellladen beginnt die Konstantspannungsphase, sobald die Zellspannung 4,2 V erreicht. Der Ladevorgang wird beendet, wenn der Mindestladestrom unter ca. 0,07 C fällt oder ein Timer die Unterbrechung auslöst.

Moderne Batterieladegeräte verfügen in der Regel über zusätzliche Sicherheitsfunktionen. Wenn beispielsweise die Batterietemperatur den angegebenen Bereich (normalerweise 0 °C bis 45 °C) überschreitet, wird der Ladevorgang unterbrochen. Moderne Ladelösungen für Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Batterien integrieren oder umfassen externe Komponenten, um diese Ladeeigenschaften zu berücksichtigen und so eine bessere Effizienz und Sicherheit zu gewährleisten.

2. Ladelösungen für Lithium-Ionen-/Polymer-Akkus

Die Ladelösung für Lithium-Ionen-/Polymer-Batterien variiert je nach Anzahl der Zellen, ihrer Konfiguration und dem Stromversorgungstyp. Es gibt drei Hauptladelösungen: linear, Buck-Schaltung (Abwärtsschaltung) und SEPIC-Schaltung (Aufwärts- und Abwärtsschaltung).

2.1 Lineare Lösung

Wenn die Eingangsspannung etwas höher ist als die Leerlaufspannung einer voll geladenen Zelle, ist die lineare Lösung die beste Option. Dies ist besonders effektiv, wenn der 1,0C-Schnellladestrom nicht viel größer als 1A ist. Beispielsweise verwendet ein MP3-Player normalerweise eine einzelne Zelle mit einer Kapazität von 700 bis 1500 mAh und einer Leerlaufspannung von 4,2 V. Diese Geräte verwenden normalerweise einen AC/DC-Adapter oder eine USB-Schnittstelle mit einem geregelten 5-V-Ausgang. In solchen Fällen ist ein lineares Ladegerät die effizienteste und unkomplizierteste Lösung.

Anwendungsbeispiel: MAX8677A Dual Input Li+ Ladegerät: Das MAX8677A ist ein lineares USB/AC-Adapter-Ladegerät mit Dual Input und integriertem Smart Power Selector, geeignet für tragbare Geräte, die mit einer einzelligen Li+ Batterie betrieben werden. Das Ladegerät wechselt zwischen den Stromeingängen und lädt die Batterie optimal auf. Es verfügt außerdem über Strombegrenzung, Wärmeregulierung, Überspannungsschutz und mehr und gewährleistet so ein sicheres und effizientes Laden von Geräten wie Smartphones, PDAs, Kameras und GPS-Geräten.

2.2 Buck (Step-down) Schaltlösung

In Fällen, in denen der 1,0C-Ladestrom 1 A übersteigt oder die Eingangsspannung viel höher ist als die Leerlaufspannung der Batterie, ist eine Buck-Lösung (Abwärtswandler) die bessere Wahl. Tragbare Mediaplayer mit einer einzelnen Lithium-Ionen-Zelle und einem breiten Eingangsspannungsbereich (9 V bis 16 V) profitieren beispielsweise von dieser Lösung, da sie effizienter ist als lineares Laden, wenn ein erheblicher Spannungsunterschied zwischen der Eingangs- und der Batteriespannung besteht.

2.3 SEPIC (Step-up und Step-down) Schaltlösung

Für Geräte mit drei oder mehr in Reihe geschalteten Lithium-Ionen-/Polymer-Zellen, bei denen die Eingangsspannung nicht immer höher ist als die Batteriespannung, ist die SEPIC-Lösung ideal. Laptops verwenden beispielsweise normalerweise einen 3-Zellen-Lithium-Ionen-Akku mit einer Leerlaufspannung von 12,6 V bei voller Ladung. Der SEPIC-Konverter kann beide Szenarien bewältigen: wenn die Ausgangsspannung höher oder niedriger als die Batteriespannung ist.

3. Leistungserkennungsalgorithmus

Viele tragbare Produkte verlassen sich bei der Schätzung der verbleibenden Akkukapazität auf Spannungsmessungen. Die Genauigkeit dieser Methode kann jedoch erheblich durch Entladerate, Temperatur und Alterung des Akkus beeinträchtigt werden. Um eine genauere Schätzung der Akkukapazität zu erreichen, werden Leistungsmesser verwendet, um die vom Akku hinzugefügte oder verbrauchte Ladung zu messen. Dadurch werden für einen breiten Bereich von Anwendungsleistungspegeln genauere Schätzungen bereitgestellt.

3.1 Beispielanwendung des Leistungserkennungsalgorithmus: Vollständiges Design eines tragbaren Akkupacks für Einzel-/Doppelbatterien

Ein gutes Leistungsmessgerät zur Batterieerkennung sollte zumindest Batteriespannung, Temperatur und Stromstärke messen. Ein Mikroprozessor und eine Reihe gut getesteter Leistungserkennungsalgorithmen sind unverzichtbar. Die Leistungsmessgeräte bq2650x und bq27x00 sind beispielsweise mit ADCs zur Messung von Spannung, Temperatur und Stromstärke ausgestattet und integrieren die Leistungserkennungsalgorithmen von TI zur Kompensation von Selbstentladung, Alterung, Temperatur und Entladerate. Diese Messgeräte liefern Informationen zur verbleibenden Batteriekapazität und die Serie bq27x00 bietet sogar eine geschätzte Laufzeit bis zur Entladung.

3.2 Beispielanwendung des Leistungserkennungsalgorithmus: Neuer IC für allgemeine Leistungsmessgeräte

Mehrere Hersteller bieten eine große Auswahl an Leistungsmesser-ICs an, sodass Benutzer das am besten geeignete Gerät auswählen können, um die Kosteneffizienz des Produkts zu optimieren. Der DS2762 von Dallas Semiconductor ist beispielsweise ein kostengünstiger, hoch integrierter Leistungsmesser-IC, der für Mobiltelefone, PDAs und andere tragbare Geräte geeignet ist. Er kombiniert Leistungserkennung mit Überspannungs-, Unterspannungs- und Überstromschutz. Der DS2762 bietet außerdem einen strombegrenzenden Wiederherstellungsladepfad, wenn die Batteriespannung unter 3 V fällt, und sorgt so für ein effizientes Energiemanagement.

4. Fazit

Die richtige Anwendung der Batterietechnologie in tragbaren elektronischen Geräten ist entscheidend für die Auswahl von Lithium-Ionen- oder Lithium-Polymer-Batterien und deren Ladegeräten. Die Wahl muss auf der Grundlage der spezifischen Anforderungen des tragbaren elektronischen Geräts getroffen werden.