Einführung
Die Batterietechnologie in tragbaren elektronischen Geräten umfasst heute verschiedene Aspekte wie Algorithmen zur Leistungserkennung, Ladealgorithmen und Ladeverfahren. Wiederaufladbare Batterien gibt es in verschiedenen Ausführungen, darunter Nickel-Cadmium-, Nickel-Metallhydrid-, Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Batterien. Obwohl jede dieser Batterietypen ihre spezifischen Eigenschaften besitzt, haben sich Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Batterien aufgrund ihrer Energiedichte und Sicherheitsmerkmale als ideale Wahl für kleine, ausdauernde Geräte wie Laptops und tragbare Mediaplayer mit Festplatte (PMPs) etabliert. Für Ingenieure, die mit tragbarer Elektronik arbeiten, ist die korrekte Auswahl und Anwendung der Batterietechnologie von entscheidender Bedeutung. Dieser Artikel erläutert und analysiert diese Aspekte anhand praktischer Beispiele.
1. Batterieladealgorithmen: Erhaltungsladung, Schnellladung und Konstantspannungsladung
Je nach Energiebedarf der Endanwendung kann ein Akkupack bis zu vier Lithium-Ionen- oder Lithium-Polymer-Zellen enthalten, die unterschiedlich konfiguriert sind und über ein Netzteil – entweder direkt, über USB oder über ein Kfz-Ladegerät – mit Strom versorgt werden. Trotz Unterschieden in der Zellenzahl, deren Konfiguration oder dem Netzteiltyp weisen diese Akkupacks die gleichen Ladeeigenschaften auf, weshalb die Ladealgorithmen ähnlich sind. Der optimale Ladealgorithmus für Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Akkus lässt sich in drei Phasen unterteilen: Erhaltungsladung, Schnellladung und Konstantspannungsladung.
Erhaltungsladung: Wird für tiefentladene Zellen verwendet. Wenn die Zellspannung unter etwa 2,8 V sinkt, wird ein konstanter Strom von 0,1 C angelegt, um die Zelle zu laden.
Schnellladung: Sobald die Zellspannung den Schwellenwert für die Erhaltungsladung überschreitet, wird der Ladestrom für die Schnellladung erhöht. Der Schnellladestrom sollte unter 1,0 C liegen.
Konstantspannungsladung: Beim Schnellladen beginnt die Konstantspannungsphase, sobald die Zellspannung 4,2 V erreicht. Der Ladevorgang wird beendet, wenn der minimale Ladestrom unter ca. 0,07 C fällt oder ein Timer die Unterbrechung auslöst.
Moderne Ladegeräte verfügen in der Regel über zusätzliche Sicherheitsfunktionen. Beispielsweise wird der Ladevorgang unterbrochen, wenn die Batterietemperatur den festgelegten Bereich (typischerweise 0 °C bis 45 °C) überschreitet. Moderne Ladelösungen für Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Akkus integrieren oder verwenden externe Komponenten, um diese Ladecharakteristika zu berücksichtigen und so eine höhere Effizienz und Sicherheit zu gewährleisten.
2. Ladelösungen für Lithium-Ionen-/Polymer-Akkus
Die Ladelösung für Lithium-Ionen-/Polymer-Akkus variiert je nach Zellenzahl, Zellkonfiguration und Netzteil. Es gibt drei Hauptladeverfahren: lineares Laden, Abwärtswandler (Buck) und SEPIC-Wandler (Aufwärts- und Abwärtswandler).
2.1 Lineare Lösung
Wenn die Eingangsspannung etwas höher ist als die Leerlaufspannung einer voll geladenen Zelle, ist ein lineares Ladegerät die beste Wahl. Dies ist besonders effektiv, wenn der Schnellladestrom von 1,0C nicht wesentlich über 1 A liegt. Beispielsweise verwendet ein MP3-Player typischerweise eine einzelne Zelle mit einer Kapazität von 700 bis 1500 mAh und einer Leerlaufspannung von 4,2 V. Diese Geräte werden üblicherweise mit einem Netzteil oder einer USB-Schnittstelle mit geregeltem 5-V-Ausgang geladen. In solchen Fällen ist ein lineares Ladegerät die effizienteste und einfachste Lösung.
Anwendungsbeispiel: MAX8677A Dual-Input-Li+-Ladegerät: Das MAX8677A ist ein lineares Ladegerät mit zwei Eingängen (USB/Netzteil) und integriertem Smart Power Selector. Es eignet sich für tragbare Geräte mit Einzelzellen-Li+-Akkus. Das Ladegerät wechselt automatisch zwischen den Stromeingängen und lädt den Akku optimal. Zusätzlich verfügt es über Strombegrenzung, Temperaturregelung, Überspannungsschutz und weitere Funktionen, die ein sicheres und effizientes Laden von Geräten wie Smartphones, PDAs, Kameras und GPS-Geräten gewährleisten.
2.2 Abwärtswandler (Buck)-Schaltlösung
Wenn der Ladestrom von 1,0C 1 A überschreitet oder die Eingangsspannung deutlich über der Leerlaufspannung der Batterie liegt, ist ein Abwärtswandler (Buck-Wandler) die bessere Wahl. Beispielsweise profitieren tragbare Mediaplayer mit einer einzelnen Lithium-Ionen-Zelle und einem breiten Eingangsspannungsbereich (9 V bis 16 V) von dieser Lösung, da sie bei einer signifikanten Spannungsdifferenz zwischen Eingangs- und Batteriespannung effizienter ist als lineares Laden.
2.3 SEPIC-Schaltlösung (Aufwärts- und Abwärtswandler)
Für Geräte mit drei oder mehr in Reihe geschalteten Lithium-Ionen-/Polymer-Zellen, bei denen die Eingangsspannung nicht immer höher als die Batteriespannung ist, eignet sich die SEPIC-Lösung ideal. Laptops verwenden beispielsweise typischerweise einen 3-Zellen-Lithium-Ionen-Akku mit einer Leerlaufspannung von 12,6 V bei vollem Ladezustand. Der SEPIC-Wandler kann beide Fälle verarbeiten: wenn die Ausgangsspannung höher oder niedriger als die Batteriespannung ist.
3. Leistungserkennungsalgorithmus
Viele tragbare Geräte nutzen Spannungsmessungen, um die verbleibende Akkukapazität zu schätzen. Die Genauigkeit dieser Methode kann jedoch durch Entladerate, Temperatur und Alterung des Akkus erheblich beeinträchtigt werden. Um eine präzisere Schätzung der Akkukapazität zu erreichen, werden Leistungsmesser eingesetzt, die die dem Akku zugeführte oder verbrauchte Ladung messen und so genauere Schätzwerte für ein breites Spektrum an Leistungsstufen liefern.
3.1 Beispielanwendung des Leistungserkennungsalgorithmus: Vollständiges Akkupack-Design für tragbare Anwendungen mit einem/zwei Akkus
Ein gutes Leistungsmessgerät zur Batterieerkennung sollte mindestens Batteriespannung, -temperatur und -strom messen. Ein Mikroprozessor und bewährte Algorithmen zur Leistungserkennung sind unerlässlich. Beispielsweise verfügen die Leistungsmessgeräte bq2650x und bq27x00 über ADCs zur Messung von Spannung, Temperatur und Strom und integrieren die Leistungserkennungsalgorithmen von TI, um Selbstentladung, Alterung, Temperatur und Entladerate zu kompensieren. Diese Messgeräte liefern Informationen zur verbleibenden Batteriekapazität, und die bq27x00-Serie gibt sogar die geschätzte Laufzeit bis zur vollständigen Entladung an.
3.2 Beispielanwendung des Leistungserkennungsalgorithmus: Neuer IC für universelle Leistungsmesser
Verschiedene Hersteller bieten eine breite Palette an Leistungsmess-ICs an, sodass Anwender das am besten geeignete Bauteil auswählen und so die Kosteneffizienz ihres Produkts optimieren können. Der DS2762 von Dallas Semiconductor beispielsweise ist ein kostengünstiger, hochintegrierter Leistungsmess-IC, der sich für Mobiltelefone, PDAs und ähnliche tragbare Geräte eignet. Er kombiniert Leistungsmessung mit Schutz vor Überspannung, Unterspannung und Überstrom. Der DS2762 verfügt zudem über einen strombegrenzenden Ladepfad zur Wiederherstellung der Ladung, wenn die Batteriespannung unter 3 V fällt, und gewährleistet so ein effizientes Energiemanagement.
4. Schlussfolgerung
Der richtige Einsatz von Batterietechnologie in tragbaren elektronischen Geräten ist entscheidend für die Auswahl von Lithium-Ionen- oder Lithium-Polymer-Akkus und den dazugehörigen Ladegeräten. Die Wahl muss auf Grundlage der spezifischen Anforderungen des jeweiligen Geräts erfolgen.