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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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Niedriger Ruhestrom kann entscheidend sein

Die Fähigkeit, stromsparende Abschaltmodi zu unterstützen, ist bei IoT-Geräten wie Umgebungssensoren und Wearables zur Überwachung von Gesundheit und Wohlbefinden von entscheidender Bedeutung. Diese Geräte »schlafen« lange Zeit und werden für einen Bruchteil einer Sekunde aktiviert, bevor sie wieder in den Schlafmodus zurückkehren. Bei solchen niedrigen Tastverhältnissen ist ein geringer Ruhestrom im gesamten System, das gilt auch für das Power Management, äußerst wichtig. Der von Maxim entwickelte Abwärts-/Aufwärts-Wandler »MAX710ESE+« bietet beispielsweise die Möglichkeit, nur den Linearregler während dieser Schlafmodi zu verwenden, um den Stromverbrauch zu begrenzen und eine Entleerung des Akkus während langer Zeiträume der Inaktivität zu vermeiden.

Batterieüberwachung und -management

Bei vielen Anwendungen ist es genauso wichtig, die restliche Ladung zu kennen und den Stromfluss von jeder Zelle in einem Akkupack zu steuern. Für Automotive-Systeme kann die Kombination dieser beiden Elemente von entscheidender Bedeutung sein, denn kein Fahrer möchte weit von der nächsten Ladestation liegen bleiben, weil die Restladung falsch ermittelt wurde oder eine schlechte Balancierung dazu geführt hat, dass keine ausreichende Spannung bereitgestellt wird, weil mehrere Zellen übermäßig entladen sind. In allen Systemen hilft eine genaue Ladungsermittlung dabei, die Ladezeit sowie das Kapazitätsmanagement zu optimieren. Einige neuere Systeme nutzen diese Messungen auch, um den Ladevorgang zu verlangsamen und die Akkulaufzeit zu verbessern, indem sie die Ladung mit der erwarteten Nutzung vergleichen. In vielen Fällen gibt es spezielle Produkte, die Batteriemanagement und -überwachung durchführen.

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Ein Beispiel ist der ISL94202 von Renesas Electronics. Der Baustein ist für Akkus mit bis zu acht Zellen ausgelegt und bietet eine eigenständige Steuerung von Akku-Packs, ohne dass ein zusätzlicher Supervisor-Mikrocontroller erforderlich ist. Der Baustein steuert den Ladungsausgleich (Balancing) innerhalb des Akku-Packs automatisch und verfügt über zahlreiche Schutzfunktionen, um zu verhindern, dass Überstromsituationen oder andere Probleme auftreten. Ein weiteres Beispiel ist der TLE9012AQU von Infineon Technologies, der vier Hauptfunktionen erfüllt: die Messung der Zellspannung, die Temperaturmessung, den Ladungsausgleich zwischen den Zellen (Balancing) und die Bereitstellung einer isolierten Kommunikation zu einem zentralen Batterie-Controller. Dank dieser Kombination von Merkmalen ist der Baustein sehr gut für größere Kommunikations- und Automotive-Systeme geeignet, bei denen mehrere Akkupacks parallel verwendet werden müssen. Um genaue Messungen eines Zellenzustands zu gewährleisten, wird jede Zelle durch einen A/D-Wandler mit einer 16-Bit-Auflösung überwacht.

Hohe Wandlungsstufen sind gefordert

Heutige Fahrzeuge sind typischerweise mit mehreren verschiedenen Batterie-Subsystemen ausgestattet, um die verschiedenen Funktionselemente des Fahrzeugs vom Antriebsstrang bis zum Infotainment mit Strom versorgen. Viele OEMs planen jedoch, die Niederspannungsbatterie, die die Hilfsstromkreise versorgt, zu eliminieren und die mit höherer Spannung arbeitende Batterie für den Antriebsstrang auch für die Versorgung der Systeme im Fahrzeuginneren zu nutzen. Dies erfordert nicht nur DC/DC-Wandler, die für größere Wandlerstufen optimiert sind, sondern auch Batteriemanagementsysteme, die eine komplexe Leistungstopologie bewältigen können. Die Batteriemanagement- und Support-ICs von NXP, z. B. der MC33771C, sind für eine Vielzahl von Anforderungen ausgelegt. Die Bausteine unterstützen eine isolierte Daisy-Chain-Kommunikation, um Informationen an einen zentralen Mikrocontroller weiterzuleiten, und können Strommessungen synchron über die verschiedenen Akku-Packs hinweg durchführen.

Energy Harvesting

Am anderen Ende der Anforderungsskala steht die Versorgung von IoT-Sensoren, und hier ist Energy Harvesting eine wichtige Methode, um die verfügbare Energie für tragbare und akkubetriebene Geräte aufzufüllen. Harvesting macht es möglich, Security-Sensoren und andere Geräte mit geringer Leistungsaufnahme über viele Jahre hinweg zu betreiben, ohne den Akku wechseln oder das Gerät an das Stromnetz anschließen zu müssen.

In solchen Anwendungen wird häufig eine Kombination aus einer Einwegbatterie, z. B. einer Lithium-Knopfzelle, und einer wiederaufladbaren Komponente, entweder einem Superkondensator oder einem kleinen Lithium-Ionen-Akku, verwendet. Allerdings liefern Energy-Harvesting-Technologien die Ladung nicht in einer Form, die einfach genutzt werden kann. Hinzu kommt noch, dass die Energiequellen oft mit einer hohen Impedanz verbunden sind. Daher ist ein sorgfältiges Schaltungsdesign erforderlich, um Verluste zu minimieren. Der MAX20361 von Maxim ist in der Lage, einerseits Energie aus Solarzellen zu gewinnen und andererseits nachgelagerte Schaltungen mit Energie zu versorgen. Der integrierte Aufwärtswandler arbeitet schon mit geringen Eingangsspannungen ab 225 mV.

Zusammenfassung

Batteriemanagement ist heute in vielen Systemen ein durchaus wichtiger Aspekt. Die Komplexität von Lithium-Ionen- und ähnlichen Batteriechemien erschwert das Design von Versorgungs- und Verbrauchsschaltungen. Die Verfügbarkeit hochintegrierter, spezialisierter Bausteine von großen Halbleiteranbietern macht die Integration von Akkus in Systeme jedoch so einfach wie möglich. Der Design-in Support von erfahrenen Entwicklern bei Distributoren wie Farnell stellt sicher, dass Entwickler die besten Empfehlungen erhalten, welche Bausteine sie für einzelne Anwendungen nutzen können.