Batterie-Management für Li-Ion-Zellen - All

BAU ELEMENTE
Stromversorgung
Batterie-Management für Li-Ion-Zellen
Eine kompakte Komplettlösung
Brigitte Hauke
Tragbare Geräte werden immer kleiner, dafür nimmt die Anzahl an Leistungsmerkmalen zu. Um dies zu ermöglichen, gab es Entwicklungen im Bereich kleinere und leistungsstärkere Akkumulatoren. Die neueste
Entwicklung ist der Lithium-Polymer-(Li-Pol)-Akku. Das Verhältnis von Gewicht und Volumen zu Kapazität
ist bei Li-Ion- oder Li-Pol-Akkus besser als bei Ni-basierten. Li-basierte Akkus haben aber noch den Nachteil
des etwas höheren Preises. Außerdem ist eine genauere Überwachung und Sicherung nötig, um Fehlfunktionen zu vermeiden und die Arbeitsleistung über viele Ladezyklen sicherzustellen.
D
ie hier gezeigte Lösung für Systeme mit einer Li-Ion- oder LiPol-Zelle als Versorgung besteht
aus drei ICs. Alle Sicherheitskriterien
sind berücksichtigt und die Akkus werden schonend behandelt, um die Lebensdauer zu verlängern. Zudem ist der
Stromverbrauch und Platzbedarf sehr
gering.
Li-Ion und Li-Pol Akkus
Die Energiedichte Li-basierter Akkus
liegt höher als die aller anderen Akkus,
die aktuell auf dem Markt verfügbar
sind. Tabelle 1 zeigt die Eigenschaften
der Li-Ion-Akkus. Die hohe Energiedichte führt allerdings zu einem höheren
Aufwand für die Sicherheits- und Ladeschaltungen, um das Batteriepaket gegen Zerstörung durch falsches Laden
oder Entladen zu sichern.
Batteriehersteller müssen sicherstellen,
dass ihre Akkus den Benutzer nicht gefährden. Gegen folgende Fehler muss
ein Li-Ion- oder Li-Pol-Akku gesichert
sein: Überspannung, Überstrom und
Übertemperatur könnten den Benutzer
gefährden. Unterspannung verringert
die Lebensdauer der Batterie.
Die Anforderung, tragbare Geräte immer kleiner und leichter zu machen,
Bild 1: Überwachungsbaustein (UCC3952) und Batteriemonitor (bq2019): im
Batteriepaket implementierter Teil der Lösung
verlangt auch, dass die Fehlersicherung
innerhalb des Batteriepakets verkleinert
wird. Dies stößt mit der aktuellen, teilweise diskreten Lösung an physikalische Gehäusegrenzen. Der nächste
Schritt ist, alle Funktionen in ein IC zu
integrieren. Bild 1 zeigt mit dem
UCC3952 einen Überwachungsbaustein für Li-Ion- oder Li-Pol-Akkus mit
einer Zelle, der all diese Funktionen
übernimmt. Der ebenfalls gezeigte Batteriemonitor bq2019 wird später beschrieben.
Die Funktion der Sicherheitsschaltung besteht
Batterieeigenschaft
Li-Ion-Akku
aus
dem
Baustein
UCC3952 mit den exterEnergiedichte [Wh/kg]
100+
nen Kondensatoren C3,
Nominale Spannung [V]
3,6 - 3,7
C4 und C5. Wobei C3
Ladespannung [V]
4,1 - 4,2
Spannungsspitzen abfängt, C4 im KurzschlussEntladeschlussspannung [V]
2,5 - 3,0
fall den internen TransiLaderate
1C
stor abschaltet, und C5
Maximale Entladerate
2C
gegen EMV schützt.
Lademethode
Konstantstrom
Der UCC3952 integriert
gefolgt von
alle Funktionen, und er
Konstantspannung
verwendet einen einzelnen Transistor, der eine
Durchschnittliche Selbst~6
patentierte Gate-Treiberentladung [%/Monat]
Schaltung besitzt. Dadurch reduziert sich der
Tabelle 1: Eigenschaften des Li-Ion-Akkus
26
Stromverbrauch und Platzbedarf der
Lösung. Tabelle 2 fasst die Schutzfunktionen des UCC3952 zusammen.
Kapazitätsmessung
Vor allem bei teuren Produkten wie
PDA, Laptop oder Mobiltelefon will der
Benutzer wissen, wann eine Ladung
nötig ist und wie lange diese dauert.
Die Messung der Batteriespannung
gibt, durch die teilweise sehr flachen
Entladekurven, die Abhängigkeit vom
Entladestrom oder auch den Einfluss
der Temperatur auf die Selbstentladung, nur einen sehr ungenauen Wert
über die Restkapazität. Eine Messung
des Lade- und Entladestromes ermöglicht eine weitaus genauere Bestimmung der Restladung.
Um keinen Leckstrom an der Messeinrichtung vorbei aus der Batterie zuzulassen, ist es nötig die entsprechende
Schaltung in das Batteriepaket zu integrieren. Der bq2019 ist ein in das Paket
integrierter Batteriemonitor, der die Basis für ein System zur Kapazitätserfassung bildet. Der Strom der Ladung und
Entladung wird pro Zeiteinheit gemessen. In Serie zum negativen Pol der Zelle
ist ein kleiner Messwiderstand geschal-
elektronik industrie 03-2003
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tet, an dem der Stromfluss einen Spannungsabfall erzeugt. Ein SpannungsFrequenz-Umsetzer wandelt diesen in
eine Lade- oder Entladefrequenz, die
interne Zähler inkrementiert. Der Ladestrom, die Ladezeit, der Entladestrom,
die Entladezeit und die Selbstentladung
werden erfasst. Ein integrierter Temperatursensor stellt die Siliziumtemperatur
fest und passt die Selbstentladerate an.
Durch Auslesen dieser Register kann ein
Prozessor die Restladung des Batteriepakets errechnen.
Der Prozessor muss, um die Registerdaten zu interpretieren, die genaue Ladung bestimmen und diese an den Benutzer kommunizieren. Die Schnittstelle zwischen Batterie und System bildet
eine 1-Draht-Leitung, eine sogenannte
HDQ-Schnittstelle. Diese überträgt ein
Kommando des Prozessors an den
bq2019, der dann die geforderten Daten sendet.
Folgende Funktionen übernimmt der
bq2019:
Fehler
UCC3952
Überspannung
1,75 s Verzögerungszeit, dann Unterbindung des Ladestroms
Unterspannung
25 ms Verzögerungszeit, dann Unterbindung des Entladestroms und Übergang in Stromsparmodus; Teil der internen
Schaltungen aktiv, um Lader zu erkennen
Überstrom
Abschaltung bei mehr als 3,5 A, Wiederanschaltung erst,
wenn eine Last >7,5 MΩ erkannt wird (z.B. durch Trennen des
Batteriepakets von der Applikation)
Übertemperatur
Abschaltung, wenn Siliziumtemperatur >135 °C, Anschaltung
erst bei reduzierter Temperatur
Tabelle 2: Schutzfunktionen des UCC3952
Ladefunktion
Ladezyklen
Sicherheit
Kapazität
•
•
•
•
Batterieüberprüfung vor der Ladung
(Spannung, Temperatur)
Temperaturüberwachung
•
•
•
•
•
•
•
•
Genaue Spannungsregelung (±1%)
Genaue Beendigung der Ladung
Ladezeitüberwachung
Batteriestatusübermittlung
•
Tabelle 3: Einflüsse der wichtigsten Ladefunktionen
Coulomb-Zählung für Ladung und
Entladung,
Temperaturmessung,
Selbstentladungsabschätzung,
TI-programmierte ID- oder Seriennummer,
Speicher,
1-Draht-Schnittstelle zum Prozessor,
Prozessor-programmierbare
Ausgangsleitung.
Bild 1 zeigt die Beschaltung des
bq2019: R2 niederohmiger Messwiderstand, R1 und C2 Rauschfilter, R3 legt
die Oszillatorfrequenz fest, C1 ist der
Abblockkondensator, R4 und die Z-Diode bilden die Schutzschaltung für die
HDQ-Schnittstelle. Zwischen Pack+ und
Cell- wird die Zelle angeschlossen. Somit fließt jeder Lade- und Entladestrom
durch den UCC3952 (zwischen BNEG
und PACK-) und über den Messwiderstand R2. Für das System ist der Punkt
Cell- nicht zugänglich.
Platzsparendes Ladegerät
Das richtige Laden der Zelle ist ein weiterer wichtiger Aspekt. Dies erhöht die BAU ELEMENTE
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erst mit einem konstanten Ladestrom geladen, bis die Batteriespannung ihren Maximalwert erreicht. Dies führt zu etwa 60% bis
70% der vollen Kapazität. Dann
wird der Akku mit einer konstanten Spannung weitergeladen, bis
der absinkende Ladestrom einen
Minimalwert (etwa 10% bis 3%
des Schnelladestroms) unterschreitet. Nur durch diese KonBild 2: Typischer Ladezyklus eines Li-Ion- oder stantspannungsladung wird die
Li-Pol-Akkus
volle Kapazität erreicht.
Die Konstantspannung liegt zwiAnzahl möglicher Lade- und Entladezy- schen 4,1 V und 4,2 V, abhängig vom
klen, die Sicherheit und nutzt die volle Hersteller und Anodenmaterial. Sie darf
Kapazität der Batterie. Tabelle 3 fasst nicht mehr als ±1% schwanken, um die
die Einflüsse der wichtigsten Ladefunk- Batterie auf ihre vollständige Kapazität
tionen zusammen:
aufzuladen, ohne sie zu zerstören.
Vor einem Ladezyklus muss ein Li-Ion- Bild 2 zeigt einen typischen Ladezyklus.
oder Li-Pol-Batteriepaket qualifiziert Deutlich sind die drei Ladebereiche zu
werden. Ist die Temperatur außerhalb unterscheiden. Zuerst die optionale
bestimmter Grenzen (in etwa unter Sickerladung (bei einem tiefentladenen
10 °C oder über 45 °C), darf aus Sicher- Akku), bis die Akkuspannung auf die
heitsgründen keine Ladung stattfinden. minimale Schnelladespannung anLiegt die Spannung unter einem Min- steigt. Dann folgen die beiden Phasen
destwert, darf keine Schnelladung er- der Schnelladung. Das Abfallen des Lafolgen. Dann wird mit einer Sickerla- destroms in der Konstantspannungsdung (engl. Trickle) begonnen, bis die phase ist deutlich zu erkennen. Aus SiSpannung die minimale Schnellade- cherheitsgründen sollte man für die Lagrenze überschreitet. Bei der Schnellla- dung auch eine maximale Zeit festledung eines Li-basierten Akkus wird zu- gen.
Der oben beschriebene Ladezyklus eines Li-basierten Akkus macht den Einsatz eines speziellen Ladereglers nötig.
Der hier vorgestellte Regler verwendet
eine lineare Regelung. Diese hat den
Nachteil des etwas niedrigeren Wirkungsgrades und einer gewissen Wärmeentwicklung, vor allem in der Konstantstromphase. Dies wird aber für
kleinere Batteriepakete durch die Vorteile: Geringe Gesamtkosten, einfache
Schaltung und rauscharmes Verhalten
aufgehoben.
Bild 3 zeigt den Schaltplan des linearen
Ladereglers bq24002. Er ist für einzelne
Li-basierte Zellen ausgelegt, deren Kapazität unter 1500 mAh liegt. Im Batteriepaket sollte ein Temperatursensor
eingebaut sein, damit die Temperatur
berücksichtigt werden kann. Die Funktionen der externen Bauteile sind in Tabelle 4 beschrieben. Der bq24002 bietet folgende Vorteile:
Geringer Spannungsabfall: < 0,8 V
bei 1,2 A. Eine einzelne Li-Ion-Zelle
kann mit 5 V geladen werden, bei
geringem Leistungsverlust.
Integrierter FET und integrierte
Schottky-Diode: Dies reduziert den
Platzbedarf.
Sicherheitsfunktionen: Integriert sind
ein Zeitgeber für die Sicker- und
Schnelladung, die Überwachung der
Batterietemperatur, -spannung und
des Ladestroms, u.a.
Zusammenfassung
Bild 3: Schaltplan des linearen Ladereglers bq24002
Bauteile
Funktion
C1, C2
Abblockkondensatoren der Eingangsspannung vom Netzteil
C3
Filterkondensator
C4
Abblockkondensator der Batteriespannung
R1
Strommesswiderstand
R2, R3, Thermistor Netzwerk zur Temperaturmessung
R4, R5
Strombegrenzung der Ladeindikations-LEDs
Tabelle 4: Funktionen der externen Bauteile des bq24002
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Die beschriebene Lösung für ein Li-basiertes Batteriepack mit einer Zelle, ist
sehr einfach in kleine tragbare Geräte
einzubauen. Ist mehr Platz vorhanden,
kann der lineare durch einen Schaltregler ersetzt werden. Damit erhöht sich
der Wirkungsgrad und die Flexibilität.
Ein Beispiel hierfür wäre der bq2000.
Der Batteriemonitor könnte durch einen Kapazitätsüberwachungsbaustein
(engl. „Gas Gauge“) ersetzt werden.
Diese Bausteine haben einen integrierten Prozessor und übernehmen die
komplette Berechnung aller Batterieladungs- und -entladungsdaten. Sie
übermitteln an den Systemprozessor
den aktuellen Ladezustand. Dies entlastet den Systemprozessor und die Batterie ist auch überwacht, wenn sie vom
restlichen System getrennt ist.
Was immer berücksichtigt werden sollte, ist ein gutes Batteriemanagement.
Die drei wichtigen Parameter Kapazität,
Zyklenzahl und Sicherheit verbessern
sich dadurch entscheidend.
Texas Instruments
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Brigitte Hauke arbeitet bei Texas Instruments in Freising
elektronik industrie 03-2003