Thema Batterie-Management Längere Laufzeiten und Lebensdauern mit Silizium

Dr. Jens Würtenberg ist Redakteur der Elektronik und dort zuständig für die Themen Distribution, Wirtschaft, Stromversorgungs-ICs, Optoelektronik sowie Forschung+Entwicklung.
Dr. Jens Würtenberg ist Redakteur der Elektronik und dort zuständig für die Themen Distribution, Wirtschaft, Stromversorgungs-ICs, Optoelektronik sowie Forschung+Entwicklung.

Die Beiträge zum aktuellen "Thema der Woche" beschäftigen sich mit den Bausteinen, die im Zusammenspiel von analoger und digitaler Elektronik einen optimalen Akkubetrieb ermöglichen und so "Batterie-Laufzeit" und "Akku-Lebensdauer" verlängern.

Heißt es Batterie oder Akku? Das ist hier die Frage. Schon in der Schule hatten wir gelernt, dass ein Unterschied besteht. Als junger, begeisterter Elektrobastler habe ich diese Lehre natürlich erstmal in den Wind geschrieben und versucht, Batterien durch elektrische Stromstöße wiederzubeleben. Mein Fazit damals: Die Batterie lebt nicht zweimal.

Mit den mit Batterien der Größen AA und AAA gespeisten tragbaren Geräte schieden sich dann rasch die Geister: Die Vertreter der Wegwerfgesellschaft setzten auf Duracell-Power während die technisch Begabten sich auf den Weg zum Conrad machten und sich mit einem Ladegerät und einer ganzen Batterie Akkus ausrüsteten. Bald lernten wir, dass man bei der Beladung von Akkus vieles falsch machen kann und mit dem Aufkommen der ersten Handys gewann die Akkufrage dann auch für die ums Große und Ganze Unbekümmerten eine existenzielle Dimension. Zwei Aussagen machten das Ausgeliefertsein des Menschen an die moderne Technik seither deutlich: "kein Netz" und "Akku leer".

Interessant in diesem Zusammenhang ist, dass sich die Hersteller der elektronischen Kleingeräte einen Teufel um die Stromversorgung scherten. Die Handys gingen zwar immer sparsamer mit der Energie um, aber deren Beladung vollzog und vollzieht sich weiterhin mit Low-Tech-Ladegeräten, an die jeder Hersteller bis vor kurzem auch noch seinen "proprietären" Stecker löten ließ.

Pedelecs bringen die Stückzahlen

Dass sich das Thema "Batterielaufzeit" nicht nur von der "Verbraucherseite" her angegangen werden kann, wurde spätestens mit dem Boom der Pedelecs deutlich. Der vergleichsweise hohe Preis für den Akku-Satz erlaubt es den Produktmanagern, der Frage nachzugehen, was denn für eine möglichst gute Nutzung der vorhandenen Ladekapazität getan werden kann. Die Antwort: Mit einem ausgeklügelten "Batteriemanagement", bei dem für jede einzelne Zelle Ladezustand und Temperatur bestimmt und diese Kenndaten für die Steuerung von Beladung und Ladungsausgleich herangezogen werden. Auch und gerade für die Akkus der Elektroautos sind solche Schaltkreise unverzichtbar, allerdings reichen die Stückzahlen nicht an die der Pedelecs und Elektrobikes heran, von denen in Deutschland allein im Jahr 2010 etwa 200.000 Stück verkauft wurden - Tendenz steigend.

Nun ist die Entwicklung einer elektronischen Schaltung für das sachgerechte Beladen und den Ladungsausgleich von Akkuzellen (sprich: Batteriemanagement) eine knifflige Angelegenheit, denn die Akkus warten mit ausgesprochen nichtlinearen Kennlinien für den Lade- und den Endladevorgang auf. Allein die Bestimmung des jeweiligen Zustands erfordert eine hochgenaue Messung der Leerlaufklemmenspannung und der Akkutemperatur, damit lässt sich dann beispielsweise über ein Kennlinienfeld die optimale Ladestromstärke einstellen.

Dies aber ist die Stunde der Halbleiterhersteller: Eine nicht triviale Aufgabenstellung im Analogbereich bei ausreichender Stückzahl führt beinahe automatisch zur Entwicklung von spezialisierten Mixed-Signal-ICs, die diese Aufgabe dank des geballten Know-hows ihrer Entwickler und dem Einsatz von Mikrocontroller-Rechenleistung auf zufriedenstellende Weise lösen und dem "Anwender" eine Menge Aufwand und Ärger ersparen. Der applikationsspezifische integrierte Schaltkreis eröffnet eben in aller Regel dem Entwickler den Weg zu einem funktionssicheren System, ohne dass dieser in die Tiefen der speziellen Materie einsteigen müsste. Dabei erspart die Digitaltechnik nicht nur die für die analoge Elektronik typischen "genialen Klimmzüge", sie ermöglicht zudem die Konfiguration des Bausteins im System über gängige Schnittstellen (etwa I²C) auf den konkreten Anwendungsfall.