Anwendungen mit Akkus

Mit dem »richtigen« Halbleiter das Design optimieren

1. August 2022, 14:37 Uhr | Von Cliff Ortmeyer, Global Head of Technical Marketing bei Farnell
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Evaluation Kit MAX77960EVKJIT-06 für die MAX77960/MAX77961-Lade-ICs
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Wiederaufladbare Batterien werden in einer Vielzahl von Geräten eingesetzt – von ganz kleinen bis ganz großen. Halbleiter sind entscheidend, um aus den Batterien das Maximum herauszuholen, aber jede Anwendung hat unterschiedliche Anforderungen – also aufgepasst.

Die Möglichkeit, Elektronik ganz ohne Anschluss an ein Stromnetz zu betreiben, war ein wichtiger Faktor, der zum Erfolg von tragbarer Elektronik beigetragen hat – angefangen bei Mobiltelefonen bis hin zu Elektrowerkzeugen. Aber auch in anderen Bereichen kommen immer häufiger Akkus zum Einsatz. Beispielsweise hat die zunehmende Elektrifizierung in der Automobilindustrie dazu geführt, dass der Betrieb mithilfe von wiederaufladbaren Batterien (Akkus) in vielen Fahrzeugen gefordert wird – von BEVs (Battery Electric Vehicles) ganz abgesehen.

Die heute weit verbreitete Lithium-Ionen-, aber auch andere Technologien haben die Energiedichte von Akkus massiv erhöht und damit diese Art von Produkten überhaupt erst möglich gemacht. Allerdings benötigen diese Batterien viel mehr Sorgfalt als ältere Akkutypen, denn nur dann kann die Zeit zwischen den Ladevorgängen und die Produktlebensdauer der Batterie insgesamt maximiert werden. Das heißt: Es genügt nicht mehr, einfach nur eine Stromversorgung an die Klemmen anzuschließen und wieder zu trennen, wenn die interne Spannung ein ausreichendes Niveau erreicht hat.

Lithium-Ionen-Batterien u. ä. sind Mimosen

Insbesondere bei Lithium-Ionen-Akkus ist zu beachten, dass sie nicht überladen werden dürfen.Denn bei einer Überladung werden nicht nur die Zellen beschädigt, es können auch ernsthafte Sicherheitsrisiken auftreten. Eine Überladung erhöht den Druck in den Zellen und kann im schlimmsten Fall zu einem »Thermal Runaway« führen, der wiederum zur Folge haben kann, dass die Batterie zu brennen anfängt. Aus diesem Grund ist in allen handelsüblichen Ladereglern ein Überladeschutz eingebaut.

Um eine lange Lebensdauer und die maximal mögliche Ladung zu erreichen, ist ein hohes Maß an Kontrolle über den und Steuerung während des gesamten Ladeprozesses notwendig. Die Lade-ICs MAX77960B und MAX77961B, die von Maxim Integrated (mittlerweile Teil von Analog Devices) entwickelt wurden, sind Beispiele dafür, wie sich eine hohe Lebensdauer plus eine maximale Ladekapazität in tragbaren Systemen erreichen lassen. Bausteine dieser Art laden die Batterie in drei aufeinanderfolgenden Phasen: Vorladen, Konstantstrom und Konstantspannung. Das Vorladen dient dazu, den Akku in einen geeigneten Zustand für eine vollständige Ladung zu bringen. Das ist wichtig, um Schäden zu vermeiden, wenn die Zellen fast vollständig entladen sind. Dabei wird zunächst ein kleiner Strom zugeführt. Der Lade-IC verwendet sowohl Messungen als auch einen Sicherheits-Timer, um zu überprüfen, ob diese Phase erfolgreich abgeschlossen wurde. Wenn nicht, wird dem Host-Mikrocontroller ein Fehler angezeigt.

Die beiden anderen Modi stellen einen Kompromiss dar. Das Laden mit Konstantstrom ist die schnellste Methode, um eine Batterie aufzuladen. Dabei besteht allerdings die Gefahr, dass die Batterie beschädigt wird, da höhere Stromstärken zu einer Überhitzung führen können. Deshalb verfügen Laderegler über Temperatursensoreingänge, um die Leistung einzuschränken, wenn die Temperatur zu hoch wird. Typischerweise wechselt der Laderegler in den Konstantspannungsmodus, wenn der Akku nahezu voll aufgeladen ist. Dadurch wird eine Überhitzung vermieden und die Lebensdauer verlängert, gleichzeitig wird aber auch der Ladevorgang erheblich verlangsamt.
 

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Entladestrom-Kennlinien – die Grafik zeigt die Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Zeit beim Entladen eines Akkus.
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Eine bessere Steuerung des Ladevorgangs bietet aber noch weitere Vorteile. Zum Beispiel können damit die Größe und das Gewicht des Gesamtsystems optimiert werden, nicht nur in Bezug auf den Akku selbst, sondern auch in Hinblick auf die Versorgungsschaltung. Einige Laderegler sind hochgradig integriert, wie beispielsweise der MC34674 von NXP Semiconductors. Dabei handelt es sich um einen vollintegrierten Lade-IC für einzellige Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Akkus, der nur noch eine externe LED zur Ladestatusanzeige, zwei Entkopplungskondensatoren und eine Thermistorschaltung mit einem Anschluss zur Erfassung der Batterietemperatur benötigt.

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Evaluation Board TLE9012AQUDTRBMS2TOBO mit dem TLE9012AQU
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Eine hohe Integration hilft immer

Auch bei DC/DC-Wandlern besteht die Notwendigkeit für eine hohe Integration. Denn auch in diesem Fall soll mit wenigen Komponenten die Leistung aufbereitet und an die verschiedenen Komponenten mit unterschiedlichen Spannungs- und Stromanforderungen im System weitergeleitet werden. Die große Anzahl an Versorgungsspannungen, die unter Umständen selbst in vergleichsweise kleinen, tragbaren Geräten benötigt werden – von 1 V für ein digitales SoC bis hin zu 12 V oder mehr für analoge I/Os –, machen eine kompakte Implementierung notwendig. Mit weniger externen passiven Bauelementen und geringeren Umwandlungsverlusten können Lade- und Reglerschaltungen verkleinert werden und ohne sperrige Kühlkörper für die Leistungstransistoren arbeiten, wodurch kompakte und effiziente Systemdesigns möglich sind. Die ICs MAX77960B und MAX77961B machen beispielsweise kleinere Designs möglich, indem sie sowohl als Abwärtswandler als auch als Ladeschaltungen fungieren können: Das tragbare System wird mit Strom versorgt, solange die vom Akku bereitgestellte Spannung höher als die gewünschte Ausgangsspannung ist.

Das maximal Mögliche aus den Batterien herausholen

Unabhängig davon, ob es sich um wiederaufladbare Batterien oder um nicht wiederaufladbare Batterien handelt, die Spannung des Akkus bzw. der Batterie nimmt ab, wenn sich die Zellen entladen. Wenn diese Spannung unter den Betriebsbereich des Wandlers fällt, bleibt die restliche Ladung im Akku ungenutzt, was zu kürzeren Akkulaufzeiten als erwartet führt. Die Verwendung einer DC/DC-Wandlung mit Abwärts- und Aufwärtsbetrieb bietet die Chance, die bestmögliche Ladung herauszuholen.


  1. Mit dem »richtigen« Halbleiter das Design optimieren
  2. Niedriger Ruhestrom kann entscheidend sein

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