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Batteriemanagement: Ladezustand zuverlässig vorhersagen

Fachbeitrag | Energiespeichersysteme können als die neue Stufe unterbrechungsfreier Stromversorgungen betrachtet werden. Sie kommen dann zum Einsatz, wenn es nicht mehr nur um einzelne Geräte geht. Nachteil: Ihr Lade- und Gesundheitszustand lässt sich nur schwer überprüfen.

Analog Devices Bildquelle: © Pixabay

Auch für Batterien gilt: Fehler im Gesundheitszustand erkennen, bevor sie entstehen. Das rettet Patient und Technik.

Lithium-Chemien sind heute Stand der Batterietechnik für unterschiedliche Märkte – von Automotive über Industrial bis hin zum Gesundheitswesen (Healthcare). Verschiedene Typen von Lithium-Batterien bringen unterschiedliche Vorteile mit sich. Zum Beispiel haben LiCoO2-Akkus (Lithiumkobaltdioxid) eine sehr hohe spezifische Energie und eignen sich daher für portable Produkte. LiMn2O4-Akkus (Lithiummanganoxid) weisen dagegen einen sehr niedrigen Innenwiderstand auf und ermöglichen schnelles Aufladen und hohe Entladeströme. Das Material gilt daher als gute Wahl für Energiespeicher-Anwendungen zur Spitzenabdeckung. LiFePo4-Akkus (Lithiumeisenphosphat) müssen nicht sofort voll aufgeladen werden und ermöglichen unbegrenzte Zwischenladungen. Ferner können sie über lange Zeiten auf hoher Spannung gehalten werden. Diese Eigenschaften prädestinieren sie zum besten Kandidaten für große Energiespeichersysteme, die bei Stromausfall arbeiten müssen. Der Nachteil ist eine höhere Selbstentladerate, was jedoch in den oben genannten Speicherimplementierungen nicht relevant ist.

Die einzelnen Eigenschaften können variieren, um unterschiedliche Nutzenversprechen für spezifische Anwendungen zu gewährleisten, zum Beispiel Zuverlässigkeit bei der Lade- und Entladegeschwindigkeit für Automotive-Anwendungen, Sicherheit und dauerhaft hohe Spitzenströme für Industrie-Anwendungen sowie Effizienz und lange Lebensdauer für das Gesundheitswesen.

Gemeinsam haben die verschiedenen Lithium-Chemien, dass sie eine sehr flache Entladekurve beim Nennspannungsbereich aufweisen. Während sich bei Standard-Batterien ein Spannungsabfall im Bereich von 500 mV bis 1 V zeigt, verläuft bei modernen Lithiumbatterien, beispielsweise Lithiumeisenphosphat (LiFePO4) oder Lithiumkobaltoxid (LiCoO2), die Entladekurve plateauförmig mit einem Spannungsabfall im Bereich von 50 mV bis 200 mV (Bild 1).

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Bild 1. Entladekurven von herkömmlichen (orange) und modernen (blau) Batterie-Chemien.

Der flache Verlauf der Spannungskurve hat enorme Vorteile in der Powermanagement-Kette von ICs, die mit der Batteriespannungsschiene verbunden sind. Die DC/DC-Wandler können so entwickelt werden, dass sie am maximalen Effizienzpunkt in einem kleinen Eingangsspannungsbereich arbeiten und von einer bekannten Eingangsspannung in eine sehr nahe Ausgangsspannung wandeln. Die Leistungskette des Systems lässt sich so konstruieren, dass sie eine ideale Einschaltdauer der Ab- und Aufwärtswandler aufweist, um bei allen Betriebsbedingungen einen Wirkungsgrad von über 99 % zu erzielen.

Das Batterieladegerät lässt sich optimal auf die Ladespannung abstimmen und die Lasten sind für eine stabile Betriebsspannung dimensioniert. Dies erhöht die Präzision von Endanwendungen wie Fernüberwachung oder In-Body-Elektronik für Patienten. Im Falle von alten Batterie-Chemien oder nicht flachen Entladekurven arbeitet der von der Batterie versorgte DC/DC-Wandler mit niedrigerem Wirkungsgrad, woraus sich eine kürzere Batteriedauer (–20 %) ergibt. Tragbare Medizingeräte müssen wegen dieser zusätzlichen Leistungsverluste häufiger aufgeladen werden.

Wenn aus einer schwachen Batterie ein Problem wird

Der Hauptnachteil einer flachen Entladekurve ist, dass sich der Ladezustand (SOC) und der Gesundheitszustand (SOH) der Batterie wesentlich schwerer ermitteln lassen. SOH gibt Auskunft über den Zustand der Batterie, was den Austausch von guten Batterien verhindert und gewährleistet, dass schwache Batterien ausgetauscht werden, bevor ein Problem entsteht. Der Ladezustand muss mit sehr hoher Präzision berechnet werden, um sicherzustellen, dass die Batterie korrekt geladen und entladen wird. Eine Überladung der Batterie kann Sicherheitsprobleme verursachen, welche die Batterie-Chemie beeinträchtigen oder Kurzschlüsse und daraus folgende Feuer- und Gasgefahren hervorrufen. Überentladung kann die Batterie schädigen und die Batterielebensdauer um über 50 % verkürzen.

Der Haupt-Mikrocontroller analysiert die SOC- und SOH-Daten in Echtzeit, passt die Ladealgorithmen an und informiert Anwender über das Potenzial der Batterie, zum Beispiel, ob die Batterie im Falle eines Stromausfalls bereit ist für eine Tiefenentladung mit hohem Strom. Ferner sorgt er dafür, dass in großen Energiespeicher-Systemen das Verhältnis zwischen Batterien in schlechtem Zustand und Batterien in guten Zustand ausgeglichen ist, um die Lebensdauer des Gesamtsystems zu erhöhen.

Bei der Ermittlung des Gesundheitszustands ist festzustellen, dass alte Batterien wesentlich vorhersehbarer sind und schneller entladen. Ihre Spannungsentladekurve wird mit der Zeit noch steiler und die Ziel-Ladespannung ist nicht mehr zu erreichen. Ihr Ladezustand lässt sich einfach berechnen, indem man das Delta des Spannungsabfalls in einer kurzen Zeit misst und den Absolutwert der Batteriespannung bestimmt. Neue Lithium-Batterien behalten das gleiche gute Verhalten länger bei. Für diese ist die Genauigkeit zur Durchführung dieser Messung um Größenordnungen höher, da der Spannungsabfall in einem vorgegebenen Zeitrahmen wesentlich kleiner ist. Eine Möglichkeit sind Temperaturmessungen, die eine besondere Sorgfalt erfordern und idealerweise an jeder Zelle durchgeführt werden, um die SOC- und SOH-Algorithmen einzubeziehen und die Genauigkeit zu erhöhen.

Präzise und zuverlässige SOC- und SOH-Berechnungen ermöglichen, die Batterielebensdauer von zehn auf bestenfalls 20 Jahre und im Allgemeinen um 30 % zu verlängern. Das senkt die gesamten Besitzkosten für das Energiespeichersystem um über diese 30 %, sofern die Wartungskosten eingerechnet sind. Dies, zusammen mit höherer Genauigkeit in der SOC-Information, gibt die Möglichkeit, die gesamte Energie der Batterien zu nutzen und die Energiespeicher bestmöglich zu laden. Überladung und Überentladung werden vermieden und damit Situationen, welche die Batterie in sehr kurzer Zeit entleeren und Risiken wie Kurzschlüsse und Feuer mit sich bringen.

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Bild 2. Baustein LTC6813: Der mehrzellig Batteriesatzwächter kann gleichzeitig den Zustand von bis zu 18 Zellen überwachen.