Neue ICs für Lithium-Ionen-Akkus

Der Erfolg eines mobilen Elektro- oder Elektronikgerätes hängt ganz erheblich von seinem Energiespeicher ab. Schließlich soll der Anwender es möglichst ohne Einbusen durch erzwungene Ladepausen nutzen können. Die Halbleiterindustrie bietet eine ganze Reihe Lade-ICs und Batterie- Manager-ICs, die dem Entwickler den Umgang mit einem chemischen Energiespeicher erleichtern.

Der Erfolg eines mobilen Elektro- oder Elektronikgerätes hängt ganz erheblich von seinem Energiespeicher ab. Schließlich soll der Anwender es möglichst ohne Einbusen durch erzwungene Ladepausen nutzen können. Die Halbleiterindustrie bietet eine ganze Reihe Lade-ICs und Batterie- Manager-ICs, die dem Entwickler den Umgang mit einem chemischen Energiespeicher erleichtern.

INHALT:
USB-gespeiste Lade-ICs
Laderegler plus Schaltregler
Akku-Lade-ICs für größere Ladeströme
Schutzschaltung für Akku-Packs
Auszeichnung für Akku-Spezialisten
Elektroautos in 10 Minuten volltanken
Literatur
Autor

Der stetig wachsende Energiebedarf mobiler Elektro- und Elektronikgeräte treibt die Entwicklung bei den Akkumulatorenherstellern voran. Leider kann die Akku-Technik nicht mit dem Mooreschen Gesetz der Halbleitertechnik mithalten – der Fortschritt bei Akkumulatoren erfolgt wesentlich langsamer und in kleineren Sprüngen. Dennoch entwickeln sich in jüngster Zeit die Li-Ionen-Akkus geradezu rasant. Neben den „sicheren“ Varianten, die nicht mehr explosionsartig verbrennen, kommen mehr und mehr hochstromfeste und schnellladefähige Versionen auf den Markt.

Doch wie sollen Lithium-Ionen- Akkus geladen werden? Bei den älteren Akku-Arten, die auf Blei oder Nickel basieren, sind mehrere Ladeverfahren bekannt, die mit mehr oder weniger konstantem Strom den Akku laden und das Ladeende über die Zeit, die Temperatur oder eine Spannungsänderung detektieren. Um der Selbstentladung vorzubeugen, kommen zusätzlich spezielle Ladeverfahren zur Ladungserhaltung – niedriger Konstantstrom, Konstantspannung – zum Einsatz. Raffiniertere Ladeverfahren mit gepulstem Ladestrom und sogar kurzen Entladestrompulsen – sog. Reflexladen – sind in der Lage, die Akkus schneller zu laden, und verhindern außerdem, dass an den Elektrodenoberflächen Dendriten wachsen. Diese Ladeverfahren steigern somit auch die Lebensdauer und die Zyklenzahl der Zellen. Aber, eignen sich die bekannten Ladeverfahren auch für die neuen Li-Ionen-Akkus? Die Hersteller von Akkumulatoren müssten die Frage nach dem richtigen Ladeverfahren am besten beantworten können. Panasonic [1, 2] und Sanyo [3, 4] zum Beispiel informieren auf ihren Internetseiten für nickelbasierte Akkus nur über die kontinuierlichen Ladeverfahren. Für Li-Ionen-Akkus empfehlen beide das Konstantstrom-/Konstantspannungs- Ladeverfahren [5, 6] – wobei Sanyo jedoch auch ein Schnellladegerät für Li-Ionen-Akku-Packs mit pulsierendem Ladestrom anbietet. Allerdings verrät Sanyo keine Details hierüber. Die veröffentlichte Ladekurve deutet jedoch darauf hin, dass anfangs das Konstantstrom- und erst später – etwa nach einem Drittel der Ladezeit – das Puls-Ladeverfahren angewendet wird. Beim Konstantstrom-/Konstantspannungs- Ladeverfahren (Bild 1), wird der Li-Ionen-Akku zunächst mit einem konstanten Strom geladen, bis seine Klemmenspannung auf den Nennwert angestiegen ist. Dann wird in den Modus mit konstanter Ladespannung gewechselt. Das Ladeende wird detektiert, wenn der vom Akku aufgenommene Strom einen Mindestwert unterschreitet.

Lithium-Ionen-Akkus mit Anoden aus nanopartikelgroßem Lithiumtinanatoxid statt Graphit bieten neben einer höheren Sicherheit und Lebensdauer, einem größeren Arbeitstemperaturbereich (–30 °C bis +75 °C) und einer höheren Leistung vor allem die Fähigkeit, hohe Ströme beim Ladevorgang aufzunehmen und beim Entladen ebenso hohe Ströme abzugeben.

Diese, von Altairnano Inc. (www.altairnano.com) entwickelten Li-Ionen-Akkus können z.B. mit einem Ladestrom, der dem Sechsfachen des Kapazitätswertes entspricht, auf 90 % geladen werden; noch höhere Ladeströme sind möglich. Mit den hohen Ladeströmen lässt sich der Akku aber nur bis zu einem gewissen Bruchteil der Nennkapazität laden – bei einem Ladestrom von 10 × C nur auf ca. 50 %. Ein mit solchen Akkus ausgerüstetes Elektroauto, wie der Lightning GT (www.lightningcarcompany.com), kann innerhalb von Minuten aufgeladen werden – eine Zeitspanne vergleichbar dem gewohnten Tanken.