Cypress / Lithiumionen-Batterie Energiequelle Batterie

Mit einer sorgfältig konzipierten Ladeschaltung können Systemkosten und die Abmessungen von Batterien reduziert werden. Ein herkömmlicher A/D-Wandler reicht aus, um ein CCCV-Ladeprofil zu implementieren.

In der heutigen Zeit mit zunehmend mehr mobilen Geräten ist ein effizienter Einsatz von Batterien wichtig. Entwickler achten vor allem auf die Stromzufuhr des Geräts. Ein wichtiger Aspekt ist, den Energiebedarf der Endgeräte zu verringern, denn je länger eine Batterie hält, desto höher ist der empfundene Marktwert des Produkts. Gleichwohl ist auch die Batterie selbst zu beachten. Die Auswahl geeigneter Batterien ist von Bedeutung, da diese die Betriebsstunden mobiler Geräte festlegen. Außerdem beeinflussen Batterien Gewicht und Materialkosten der Endgeräte.

Implementierung eines Batterieladers

Neben der Verwendung geeigneter Batterien ist auch die korrekte Auslegung der Ladeschaltung entscheidend. Eine falsche Ladeschaltung kann die Lebensdauer der Batterie verringern oder zu ihrem Ausfall führen, dadurch können toxische Inhaltsstoffe auslaufen oder Batterien sogar explodieren.

Ladeschaltungen für Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ionen-Batterien) laden nach dem CCCV-Verfahren: CC steht für Constant Current und CV für Constant Voltage. Der Ladevorgang hat mehrere Phasen (Bild 1), um die Batterie mit ihrer vollen Kapazität zu laden und Sicherheitsregeln einzuhalten. Das CCCV-Ladeprofil setzt sich aus folgenden Phasen zusammen:

  • Vorladen
  • Aktivieren
  • Konstantstrom
  • Konstantspannung

Der Ladevorgang beginnt mit dem Vorladen. In dieser Phase wird überprüft, ob die Batterie in einwandfreiem Zustand ist. Während des Vorladens beträgt die Stromzufuhr 5 % bis 15 % der Batteriekapazität. Ist die Batteriespannung bei einem Wert von mindestens 2,8 V, befindet sie sich in gutem Zustand und der Ladevorgang wird mit der Aktivierungsphase fortgesetzt. Der Strom ist dabei konstant. Sobald die Batteriespannung 3 V überschreitet, beginnt die Schnellladephase. Die Batterie wird dabei mit Konstantstrom geladen, dieser entspricht der Batteriekapazität oder ist kleiner. Die Schnellladephase wird solange fortgesetzt, bis die Ladeschlussspannung (4,2 V) oder das Zeitlimit des Ladevorgangs erreicht sind. Sobald die Ladeschlussspannung erlangt ist, schaltet das Programm auf Konstantspannung um. Der Ladestrom wird verringert. Diese Phase dauert im Vergleich zum Rest am längsten. Die Batterie ist voll geladen, wenn der Ladestrom niedriger ist als der »Ladeschlussstrom« (gewöhnlich 2 % der Batteriekapazität). Für jede Phase des Ladens gibt es aus Sicherheitsgründen ein eigenes Zeitlimit.

Um das CCCV-Verfahren zu implementieren, müssen die Batteriespannung und der Ladestrom stets bekannt sein. Da sich die Batterie während des Ladevorgangs erwärmt, muss auch die Temperatur der Batterie überwacht werden. Überschreitet die Temperatur einen vorgegebenen Grenzwert, nimmt die Batterie Schaden.

Architektur des Ladegeräts

Für die Implementierung eines Batterie¬laders gibt es zwei Möglichkeiten: Entweder der Entwickler verwendet ein spezielles Batterielade-IC oder einen universellen Mikrocontroller. Batterielade-ICs unterliegen bei der Konfigurierbarkeit und den Optionen zur Benutzerschnittstelle, z. B. LED-Anzeige, zwar einigen Beschränkungen, sind jedoch schnell installiert. Mikrocontroller erfordern mehr Entwicklungszeit, sind konfigurierbar und ermöglichen weitere Funktionen, wie die Berechnung des Batterieladezustands (SOC) oder das Senden von Informationen an den Host-Prozessor des Systems. Mikrocontroller haben keine, für das Laden erforderliche Leistungshalbleiter, sie sind auf externe BJTs oder MOSFETs angewiesen.

Aus dem Ladeprofil lässt sich ableiten, dass ein Lithium-Ionen-Batterieladegerät mit einer Zelle, eine regelbare Konstantstromquelle benötigt. Diese Stromquelle wird je nach Ladezustand unterschiedlich gesteuert. Für die Implementierung des CCCV-Verfahrens unter Verwendung eines Mikrocontrollers, sind folgende Funktionsblöcke erforderlich (Bild 2):

  • Stromregelung
  • Messschaltung für die Batterieparameter (Spannung, Strom, Temperatur)
  • Ladealgorithmus (zur Implementierung des CCCV-Profils)

Der Strom wird mit der Spannungsquelle und Strom-Rückmelde-Einheit geregelt. Das Prinzip ist ein gewöhnliches Regelsystem mit Gegenkopplung. Das Regelsignal wird generiert, indem der Ladestrom einen niederohmigen Widerstand durchläuft, an dem die elektrische Spannung abfällt. Die Spannungsquelle kann auf zwei Arten realisiert werden:

  • Lineare Topologie
  • Schaltregler in Buck- oder Boost-Topologie

Die lineare Topologie arbeitet mit einem in Reihe geschalteten Regelelement (BJT oder MOSFET) im linearen Modus (Bild 3). Der Ladestrom wird über die Steuerspannung des Regeltransistors Q1 bestimmt. Ein A/D-Wandler oder Pulsweitenmodulator (PWM) mit externem RC-Tiefpassfilter erzeugt die Steuerspannung. Lineare Verfahren eignen sich für niedrige Ladeströme < 1 A, aufgrund der Verlustleistung des Regelelements.

Die Schaltregler-Topologie hat einen geringen Bedarf an elektrischer Leistung und ist für höhere Ladeströme geeignet. Der Schaltkreis des Ladegeräts mit Abwärts-Schaltregler (Buck-Regler) ist in Bild 4 gezeigt. Der Ladestrom wird durch das Tastverhältnis der Ansteuerimpulse für den MOSFET bestimmt.

Ein A/D-Wandler erzeugt die benötigten Rückmeldesignale zur Messung der Batterieparameter. Die Bilder 3 und 4 zeigen die Schaltkreise, welche die Signale für Batteriespannung und elektrischen Strom erzeugen. Dies sind Differenz-
signale. Die Messung von Differenzsignalen bewerkstelligen differenzielle A/D-Wandler; für gewöhnlich haben Mikrocontroller jedoch unsymmetrische Wandler.