Akkumonitor Ladezustand von Akkus bestimmen

Den Ladezustand eines Akkus zu bestimmen ist extrem schwer. Einerseits gibt es keine direkte Möglichkeit diesen Wert zu messen, andererseits spielt da eine ganze Reihe verschiedener Parameter mit hinein: beispielsweise Akkuchemie, Temperatur, Ladestrom und Alterung. Was kann man tun, um eine einigermaßen brauchbare Aussage über den Ladezustand machen zu können?

Analog zur Tankanzeige im Auto nennt man ICs, die den Ladungszustand eines Akkus ermitteln können, »Fuel Gauges« oder auch »Gas Gauges«. Aber damit enden schon die Gemeinsamkeiten. Im Auto lässt sich die aktuelle Treibstoffmenge per Schwimmer oder anderen Sensoren sehr einfach und sehr genau direkt messen. Anders bei Akkus: Dort ist die elektrische Energie chemisch gespeichert. Daher ist keine echte, direkte Messung, sondern eigentlich nur eine Abschätzung möglich. Bei der Ermittlung der zur Verfügung stehenden Ladungsmenge muss man je nach verwendeter Chemie, Elektrodenmaterial und gewünschter Anzeigengenauigkeit mehr oder weniger Aufwand betreiben.

Da die Klemmenspannung einer Akkuzelle bei fortschreitender Entladung abnimmt, gibt dieser Wert einen gewissen Anhaltspunkt über den Ladezustand. Allerdings ist der Kurvenverlauf vom Akkutyp, von der Temperatur, von dynamischen elektrochemischen Prozessen und vom Innenwiderstand abhängig.

Bei Bleiakkus fällt er genügend steil ab, sodass man in einem eingeengten Temperaturbereich und bei einem nicht zu alten Akku die Zellspannung als Richtlinie für die noch vorhandene Kapazität verwenden kann.

Bei Ni-MH-Akkus tritt bei reiner Spannungsmessung bereits ein Problem auf: Beim Aufladen mit konstantem Strom steigt die Spannung zunächst an, fällt dann aber vor Erreichen der maximalen Aufladung wieder um einige Millivolt ab (Bild 1). Damit der Akku auch wirklich voll ist, muss noch eine genau spezifizierte Zeit lang weiter aufgeladen werden. In diesem Bereich darf man bei anliegendem Ladestrom nicht die Spannungsmessung für die Abschätzung des Ladezustands verwenden. Eine Korrelation zwischen Zellspannung und Ladungszustand ist jedoch gegeben, wenn der Akku weder geladen wird, noch ein Verbraucher angeschlossen ist.

Bilanz ziehen

Bei Lithium-Ionen- und Lithium- Polymer-Akkus ist der Kurvenverlauf der Ladespannung in Bezug auf den Ladezustand (wie bei Ni-MH) am Anfang etwas und am Ende stark nichtlinear. Dieser nichtlineare Kurvenverlauf kann zwar für die Anzeige umgerechnet und somit linearisiert werden, der größte Teil der Kurve verläuft jedoch relativ flach, und Temperaturänderungen und Alterung des Akkus haben einen derart starken Einfluss auf die Zellspannung und die Kapazität des Akkus, dass man keine brauchbare Aussage über den Ladezustand machen kann, wenn die entsprechenden Werte nicht mit berücksichtigt werden. Was kann man tun, um die Genauigkeit zu verbessern?

Die Genauigkeit lässt sich verbessern, wenn außer der Klemmenspannung und der Temperatur auch die Ladungsmenge gemessen wird, die in den Akku hinein beziehungsweise aus dem Akku heraus fließt. Da hierfür ein Messwiderstand verwendet wird, muss man die entstehende Verlustleistung bei der Bilanzierung mit einbeziehen, außerdem die durch stetige Selbstentladung entstehenden Verluste. Da die Selbstentladung nicht nur toleranzbehaftet, sondern auch stark temperaturabhängig ist, erschwert sich die Berechnung massiv.

Einen noch höheren Einfluss hat die Alterung des Akkus. Mit zunehmendem Alter und steigender Anzahl von Lade- und Entladezyklen reduziert sich die Kapazität und somit die maximal zu speichernde Ladung aufgrund von chemischen Prozessen und Erhöhung des Innenwiderstandes (Bild 2). Die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Akkus liegt typischerweise im Bereich von 300 bis 1000 Zyklen. Zwar ist bei diesem Akkutyp die Energiedichte höher, aber die Lebensdauer auch kürzer.

Die Alterung setzt bereits unmittelbar nach der Fertigstellung ein und ist auch von der Temperatur abhängig (Bild 3). Für die Alterung machen die Hersteller in den Datenblättern eine Reihe von Angaben, die Entwickler zur Berechnung der Kapazitätsänderung verwenden können.

Die hohe Anzahl der zu berücksichtigenden Effekte macht deutlich, dass für eine genaue Ladeanzeige keine einfache, direkte Messmethode zur Verfügung steht. Genaue Ladeanzeigen-ICs sind jedoch bei tragbaren Geräten, in denen Lithium- Ionen- und Lithium-Polymer- Akkus eingesetzt werden, vorteilhaft, um Kosten zu reduzieren, optimale Betriebsbedingungen zu erzielen und die Sicherheit zu gewährleisten:

  • Realisierung für unterschiedliche Projekte in möglichst kurzer Zeit
  • Einsatz von Akkus mit möglichst kleiner Kapazität und somit möglichst niedrigen Kosten, kleinen Abmessungen und geringem Gewicht.
  • Optimale Betriebsbedingungen für unterschiedliche Akkutypen.
  • Standardisierung von Akkupacks.
  • Möglichst lange Lebensdauer der Zellen.
  • Schnellstmögliche und trotzdem optimale Aufladung des Akkus.
  • Größtmögliche Ausnutzung der verfügbaren Ladung beziehungsweise Betriebsdauer.
  • Zuverlässiger Hinweis, um ungewolltes Abschalten zu vermeiden.
  • Rechtzeitige Erinnerung daran, den Akku wieder aufzuladen.
  • Tiefentladung vermeiden, um die Lebensdauer des Akkus nicht herabzusetzen.
  • Überladen des Akkus verhindern, um Überhitzen, vorzeitigen Ausfall und Gefährdung von Gerät und Anwender zu vermeiden.
  • Verhinderung der Verwendung von gefälschten Akkus, nicht zulässigen Typen oder defekten Zellen, die eine Gefährdung darstellen könnten.

Als technische Lösungsmöglichkeiten stehen Ladungsanzeigen- ICs in verschiedenen Ausführungsformen zur Verfügung. Sie lassen sich in drei Gruppen aufteilen: Statusmonitore und zwei Arten von Fuel-Gauges. Statusmonitore sind Bausteine, die den Strom (Ladungsmenge), die Spannung und die Temperatur messen. Die Auswertung der gemessenen Werte und Ermittlung des Ladezustands erfolgt mit einem separaten Mikrocontroller. Die erste Art Fuel-Gauges misst ebenfalls die Parameter Strom, Spannung und Temperatur, darüber hinaus jedoch verfügt sie noch über einen Datenspeicher, in dem die Zellparameter abgelegt werden. Mit Hilfe von Lernalgorithmen, für die ein voller Ladezyklus benötigt wird, lassen sich der Ladezustand ermitteln und in direkter Zuordnung für jeden einzelnen Akku zelltypische Eigenschaften wie auch die Alterung berücksichtigen. Eine zweite Art Fuel-Gauges kann auch ohne Lernzyklus sofort über den Ladezustand informieren.