Schwerpunkte

Gut geschützt und schneller marktreif

Akkuladung exakt anzeigen ohne Batteriecharakterisierung

04. März 2020, 15:21 Uhr   |  Von Bakul Damle und Nazzareno Rossetti

Akkuladung exakt anzeigen ohne Batteriecharakterisierung
© sdecoret | Shutterstock

Ladezustandsanzeige-IC behebt ein Dilemma tragbarer Geräte

Ein Ladezustandsanzeige-IC mit integrierter Schutz- und Authentifizierungsfunktion behebt ein Dilemma tragbarer Geräte: eine schnelle Markteinführung und genaue Anzeige des Akkuladezustands.

Eine der größten Herausforderungen einer genauen Anzeige des Akkuladestandes besteht für Entwickler üblicherweise darin, eine umfassende Charakterisierung und Analyse jedes Akkus für die jeweiligen Anwendungsbedingungen durchzuführen (Bild 1). Das braucht Zeit und verlängert die Time-to-Market, weil entweder eine komplizierte Charakterisierung des Akkus selbst durchgeführt oder der Akku für die Ladezustandsmessung an einen entsprechenden Anbieter gesendet werden muss. Die aktuellen Sicherheitsvorschriften für den Transport von Lithium-Ionen-Akkus, wie etwa die UN 38.3, erfordern zudem eine aufwendige Logistik. Die Tests und Auswertungen können bis zu drei Wochen dauern.

Zudem ist die Einhaltung von Sicherheitsnormen wie der IEC/UL 62368-1 wichtig. Systementwickler müssen die verbundenen Sicherheitsrisiken mit dem Betrieb von Lithium-Ionen-Akkus genau berücksichtigen, da eine Missachtung schlimme Folgen haben könnte.

Action-Kamera im Einsatz
© Shutterstock | Vladimir Zhoga

Bild 1. Action-Kamera im Einsatz.

Der Schutz des Akkus führt zwangsläufig zu einer noch höheren Komplexität im Akkumanagement-Prozess. Bei Geräten, die später in hohen Stückzahlen am Massenmarkt verkauft werden, muss der Systementwickler auch das Risiko von geklonten, nicht sicheren Ersatzakkus im Zubehörmarkt in Betracht ziehen, welche die Systemsicherheit beeinträchtigen. Eine sichere Authentifizierung kann vor solchen geklonten Akkus schützen. Außerdem erwarten die Endanwender neben einer langen Lebensdauer, dass ein geladener Akku lange hält. Ein niedriger Ruhestrom minimiert die Verschwendung der Akkuladung.

Praxisbeispiel Action-Kamera

Der Akkuladezustand variiert von Null (Akku leer) bis 100 Prozent (Akku voll); er bestimmt die Laufzeit der Kamera. Ein unzureichend modellierter Akku mit ungenauer Ladezustandsanzeige führt somit zu einer schlechten Einschätzung der Laufzeit und verärgert Kunden, wenn die Kamera mitten im Gebrauch abschaltet. Eine typische Action- Kamera funktioniert im aktiven Zustand einschließlich 4K-Videoaufzeichnung, WiFi oder GPS etwa 70 Minuten, respektive 90 Tage im passiven Zustand, etwa im Schrank nach dem Urlaub. Wenn die Kamera im aktiven Zustand einen Strom von 1300 mA und im passiven Zustand 0,1 mA im Laufe von 90 Tagen aufnimmt, sind dies insgesamt 1733 mAh – das entspricht ungefähr der Batteriekapazität einer modernen Action-Kamera. Eine genaue Vorhersage des Akkuladezustands ist notwendig, um unerwartete oder vorzeitige Unterbrechungen des Gerätebetriebs zu vermeiden. Ein SOC-Fehler von zehn Prozent bedeutet eine Verringerung um 173 mAh. Für den Anwender bedeutet das eine um acht Minuten verkürzte Nutzungsdauer im aktiven Zustand oder nur noch eine Laufzeit von zwei Monaten im passiven Zustand.

Herausforderung bei der Eigenstromaufnahme: Auch wenn es scheint, dass es bei Action-Kameras nicht auf den Ruhestrom ankommt, ist vielen Systementwicklern bewusst, dass sie auch auf eine niedrige Akkuentladung im passiven Zustand Wert legen müssen, etwa wenn das Gerät beim Händler im Regal liegt.

Herausforderung bei der Laufzeit im passiven Zustand: Neben der Genauigkeit von Ladezustands- und Laufzeitmessung ist auch die absolute Laufzeit selbst von Bedeutung. Im passiven Zustand kann ein Akku bis zu rund 24 Monate halten. Eine typische Ladezustandsanzeige beansprucht 40 μA und verkürzt die Laufzeit des Akkus im passiven Zustand um 6,9 Monate, was nicht zu vernachlässigen ist.

Herausforderung bei der Auslieferung: Ein Ruhestrom von 40 µA über zwölf Monate reduziert die elektrische Ladung um ganze 346 mAh. Aufgrund von Sicherheitsvorschriften wird ein Action-Akku wahrscheinlich nur mit einer 30-prozentigen Aufladung von 520 mAh ausgeliefert. Allein der Versand, das Lagern und die Zeit im Regal beim Händler ergeben etwa zwölf Monate; der Ruhestrom reduziert die Restladung in dieser Zeit um satte 66 Prozent.
Bei einem derart hohen Ruhestrom gibt es zwei Möglichkeiten: Zu Einem kann die Ladezustandsanzeige während der Zeit im Regal eingeschaltet bleiben. So bleibt die SOC genau, es geht aber die Akkuladung verloren. Der Kunde ist damit gezwungen, das Gerät erst aufzuladen, bevor er es benutzen kann – was das Nutzererlebnis schmälert.

Eine ausgeschaltete Ladezustandsanzeige schont zwar die Ladung, führt jedoch zu einem ungenauen SOC-Wert beim Einschalten. Es dauert mehrere Stunden, bis der Ladezustandsmesser die Akkukapazität wieder erlernt hat. Somit besteht die Gefahr, dass die Kamera mitten in einer Anwendung abschaltet – und der Nutzer ebenfalls verärgert ist.Eine ausgeschaltete Ladezustandsanzeige schont zwar die Ladung, führt jedoch zu einem ungenauen SOC-Wert beim Einschalten. Es dauert mehrere Stunden, bis der Ladezustandsmesser die Akkukapazität wieder erlernt hat. Somit besteht die Gefahr, dass die Kamera mitten in einer Anwendung abschaltet – und der Nutzer ebenfalls verärgert ist.

Herausforderung hinsichtlich Sicherheit: Lithium-Ionen/Polymer-Akkus kommen in vielen tragbaren elektronischen Geräten vor, da sie eine sehr hohe Energiedichte, einen geringfügigen Memory-Effekt und eine geringe Selbstentladung aufweisen. Es muss jedoch darauf geachtet werden, dass sie nicht überhitzt oder überladen werden, um Beschädigungen am Akku zu vermeiden und andere potenzielle Gefahren wie etwa Explosionen zu vermeiden. Der übliche Unterspannungsschutz (UV-Schutz) zum Verhindern einer Tiefentladung ist nicht wirksam, da er bereits durch kurze, kaum wahrnehmbare Entladungs-Bursts ausgelöst werden kann. Auch überwachen die meisten diskreten Schutzvorrichtungen nicht die Akkutemperatur. Deshalb wird ein besseres Schutzkonzept benötigt.

Integrierter Algorithmus schafft Abhilfe

Ladezustandsanzeige- und Schutz-IC
© Maxim

Bild 2. Ladezustandsanzeige- und Schutz-IC


Bild 2 zeigt als Beispiel einen Stand-Alone-Ladezustandsanzeige-IC mit geringer Eigenstromaufnahme, der direkt im Akkupack verbaut werden kann. Er bietet eine Schutz- und Authentifizierungsfunktion für einzellige Lithium-Ionen/Polymer-Akkus. Der Baustein steuert zwei externe N-FETS im positiven Versorgungspfad an. Die Authentifizierung verhindert das Klonen des Akkupacks. Die Ladezustandsanzeige verfügt über einen ModelGauge-m5-Algorithmus von Maxim. Der IC überwacht Spannung, Strom, Temperatur und den Zustand der Lithium-Ionen/Polymer-Akkus. Er stellt sicher, dass die Betriebsbedingungen einwandfrei sind und die Lebensdauer der Akku verlängert wird. Die Integration der Ladezustandsmessung und Schutzschaltung erhöht die Sicherheit, verkleinert die Stückliste und reduziert mit einer Größe von drei Millimeter mal drei Millimeter im bleifreien TDFN-Gehäuse den Platzbedarf auf der Leiterplatte.

Mittels eines nichtflüchtigen Datenspeichers kann der IC den Ladezustand der Akkuzelle und ihre Schutzparameter speichern. Er kann zudem eine Alterungsprognose zur Abschätzung der Akkulebensdauer abgeben. Eine kontinuierliche Datenspeicherung kann das Nutzungsverhalten und Feldrückläufer umfassend diagnostizieren, je nach Modell über 1-Wire- oder 2-Wire-I2C-Schnittstellen.

Die SOC-Genauigkeit

Spannungsbasierte Ladezustandsanzeige
© Maxim

Bild 3. Spannungsbasierte Ladezustandsanzeige

Der ModelGauge-m5-Algorithmus kombiniert die Kurzzeitgenauigkeit und Linearität eines Coulomb-Zählers mit der Langzeitstabilität einer spannungsbasierten Ladezustandsanzeige (ModelGauge).

Mit der Temperaturkompensation wird eine bisher unerreichte Genauigkeit bei der Ladezustandsanzeige erzielt. Der Ladezustandsanzeige-IC kann automatisch die Alterung der Akkuzelle sowie deren Temperaturänderung und die Entladungsrate kompensieren und liefert unter vielfältigen Betriebsbedingungen den genauen Ladezustand in Milliamperestunden (mAh) oder in Prozent (%). Der Algorithmus bestimmt auch unter Last mittels Charakterisierung und Echtzeitsimulation die Leerlaufspannung (OCV) der Akkus gänzlich ohne Messwiderstand. Er verwendet die Beziehung zwischen SOC- und OCV-Werten, um den Ladezustand vorherzusagen (Bild 3).

Genaue Ladezustandsmessung mit ModelGauge m5
© Maxim

Bild 4. Genaue Ladezustandsmessung mit ModelGauge m5

Coulomb-Zähler mit ModelGauge m5: Aufgrund der (ADC-) Offsetfehler des Coulomb-Zählers weicht der von der Ladezustandsanzeige geschätzte SOC-Wert im Laufe der Zeit vom idealen SOC-Wert ab. Parallel zum Coulomb-Zähler kompensiert der Ladezustandsanzeige-IC durch die interne OCV- bzw. spannungsbasierte Schätzung diese Fehler und korrigiert den SOC-Wert entsprechend. Das geschieht dreimal pro Sekunde mit Korrekturen im Subprozentbereich, wenn der Akku unter Last ist, wenn er geladen wird und auch im Leerlauf (Bild 4). Andere Lösungen müssen oft mehrere Stunden warten, bis der Akku vollständig entladen und unbelastet ist, bevor eine Korrektur vorgenommen werden kann.

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1. Akkuladung exakt anzeigen ohne Batteriecharakterisierung
2. Charakterisierung nicht erforderlich

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