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In tragbaren elektronischen Geräten fungieren Akkus als alleinige Stromquelle. Egal, um welche Geräte es sich dabei konkret handeln mag – Smartphones, Fitness-Tracker, Action-Cams, Outdoor-Navis, Kameras, Handsender etc. – wir alle wurden schon einmal überraschend vor einem schwachen Akku gewarnt. In den meisten Fällen ist diese kleine Unannehmlichkeit zu verschmerzen, bei Sicherheitstechnik und Notfallausrüstung jedoch können die Konsequenzen gravierend sein.

Wir sind täglich auf Strom aus Akkus angewiesen, und deshalb müssen tragbare Geräte in der Lage sein, den Ladezustand dieser Stromquellen genau zu bestimmen. Früher ermittelten akkubetriebene Geräte die Akkuladung versuchsweise mittels einer kombinierten Erfassung von Zellspannung und Ladestrom. Der zugrundeliegende Ladezustand des Akkus blieb dabei jedoch unberücksichtigt. Der Schaltkreisschutz eines solchen Geräts ist gewöhnlich mit einer Unterspannungs-Abschaltfunktion ausgestattet, die möglicherweise zu früh auslöst. Die Folge ist eine unerwartete Abschaltung des Geräts, Ursache die mangelnde Erfassung des tatsächlichen Ladezustands.

Dieser Blog befasst sich mit der Frage, wie der Ladezustand eines Akkus in Ihren akkubetriebenen Lösungen präzise erfasst werden kann.

Den Ladezustand eines Akkus erfassen

Die Bestimmung des Ladezustands eines Akkus durch Messung seiner Spannung ist unzuverlässig: Abhängig von Zellmaterial, chemischen Prozessen in den Zellen und der Umgebungstemperatur treten Schwankungen auf. Erschwert wird eine genaue Messung durch die Zellimpedanz, die sich je nach Ladezustand und Alter des Akkus ändert. Die Chemikalien eines gegebenen Akkus haben eine bestimmte Entladungssignatur, von denen sich manche für eine spannungsbasierte Ladezustandsmessung besser eignen als andere. Manche Spannungs- und Laststrom-Entladungskurven verlaufen extrem flach, so dass sich mit einer Ladezustandserfassung per Spannungsmessung lediglich aussagen lässt, ob der Akku vollständig ge- oder entladen ist.

Die Messung des Lade- und Entladestroms eines Akkus, auch als „Couloumb Counting“ bezeichnet, ist ein weiteres Verfahren, um den Ladezustand zu bestimmen. Werden dabei auch das Alter des Akkus und die Charakteristik seiner Selbstentladung berücksichtigt, liefert diese Methode gute Ergebnisse.

Die Bedeutung des Ladezustands für Sicherheit und Komfort

Angesichts eines technisch zunehmend versierten Käuferkreises ist die Erfassung und Darstellung des Akkuladezustands mit hoher Genauigkeit heute ein entscheidender Faktor für den Erfolg jedes tragbaren elektronischen Verbrauchergeräts. Die Suche nach einer Möglichkeit, den Ladezustand eines Akkus präzise zu bestimmen, hat viele Hersteller dazu veranlasst, jeden einzelnen Akku für bestimmte Anwendungen und Einsatzszenarien zu charakterisieren. In der Konsequenz ist das Produkt natürlich später am Markt, und wenn die Charakterisierung nicht inhouse erfolgen kann, ist die Lieferung an einen entsprechenden Anbieter erforderlich. Bestimmte Akkutypen, etwa Lithium-Ionen-Akkus, unterliegen jedoch zunehmend strengeren Transportvorschriften. Diese betreffen nicht nur den logistischen Umgang mit den Energiespeichern, sondern auch deren Ladestand beim Versand.

Neben den gesetzlich notwendigen werden mitunter weitere technische Vorkehrungen nötig: Relativ volatile Akkus, die häufig Ströme von hunderten Ampere liefern können, erfordern entwicklungsseitig weitere Überwachungselektronik, damit bei routinemäßiger Nutzung und Lagerung sichere Betriebsparameter gewährleistet sind. Da Drittanbieter von Ersatzakkus  aus Kostengründen oft weniger Augenmerk auf die Sicherheit legen, haben viele Gerätehersteller ihre Akkus und Produkte mit kryptografischen Authentifizierungsverfahren versehen.

Problemstellungen bei der Ladezustandserfassung

Eine genaue Messung und Anzeige des Akkuladezustands müssen nicht nur den Stromverbrauch im Betrieb, sondern auch jenen im Standby-Modus berücksichtigen. Der Ruhestrom, den ein Gerät verbraucht, wenn es ausgeschaltet auf dem Schrank steht, im Versandkarton verpackt ist oder im Lagerregal liegt, muss ebenfalls in Betracht gezogen werden. Auch die Ladezustandserfassung selbst verbraucht Strom. Dieser Umstand ist bei der Kalkulation, mit welcher Ladung ein Akku versandt werden kann, einzubeziehen. Außerdem ist zu ermitteln, ob die Ladung dafür ausreicht, dass der Käufer sein Gerät in Betrieb setzen kann, wenn er es erhalten hat. Als Benutzer probieren wir neue Geräte schließlich gerne umgehend aus, sobald die Verpackung geöffnet ist, anstatt sie zunächst ans Ladegerät zu hängen. Um ab dem Auspacken des Geräts eine akkurate Ladezustandsanzeige zu gewährleisten, müssen die entsprechenden Stromkreise durchgehend versorgt sein. Würde die Ladezustandserfassung ausgeschaltet, bis der Käufer die Verpackung öffnet, wäre die technisch modern gelöste Anzeige wahrscheinlich nicht genau. Ebenso ist es aus Sicherheitsgründen ratsam, die Akkuschutzfunktionen (Temperatur-, Strom- und Spannungsüberwachung) bei Versand und Lagerung im aktiven Zustand zu belassen; überhöhte Temperaturen und Defekte könnten schließlich einen Kurzschluss auslösen.

Eine Lösung zur genauen Messung des Ladezustands

Die verbrauchsarme  MAX1730x-Serie von Maxim Integrated ist ein gutes Beispiel für ICs, die Ladezustandserfassung, Schutz- und Authentifizierungsfunktionen gewährleisten und dabei nur 3 mm auf 3 mm misst. Der MAX17301 eignet sich für die Ladezustandsmessung moderner Lithium-Ionen- oder Lithium-Polymer-Akkus und weist mit aktiv geschalteten FETs einen extrem niedrigen Ruhestrom von 24 µA auf. Im aktiven Ruhezustand sinkt der Stromfluss auf 18 µA. Mit Deaktivierung der Last-FETs kann der Ruhestrom sogar auf 0,1 µA reduziert werden. Der IC bringt eine ganze Reihe von Akkuüberwachungs- und Sicherheitsfunktionen mit und bietet so u. a. Schutz vor Überspannung (temperaturabhängig), überhöhtem Ladestrom, Unter-/Übertemperatur, Unterspannung, überhöhtem Entladestrom und Kurzschluss. Zu den weiteren Merkmalen des MAX1730x zählen die Eindraht- und I²C-Schnittstellen für die Kommunikation mit dem Host-Microcontroller, damit dieser die Daten und Steuerregister des MAX1730x auslesen kann (siehe Abbildung 1).

Abbildung 1: Funktionsblockdiagramm des Maxim Integrated MAX1730x. (Quelle: Maxim Integrated)

Zustandsbestimmung und Gewährleistung der Schutzfunktionen ergeben sich aus Akkuspannung, -strom und -temperatur. Die Berechnung des Akkuladezustands erfolgt nach dem Maxim-Algorithmus ModelGauge m5. Dieser Algorithmus kombiniert die langfristige Stabilität der Ruhespannungsmessung des Akkus mit der Linearität und Genauigkeit des „Couloumb Counting“. Er nimmt zusätzlich eine Temperaturkompensation vor und liefert auf dieser Grundlage präzise Ladezustandsmessungen (siehe Abbildung 2). Der Algorithmus berechnet die Ruhespannung des Akkus auch unter Last.

Abbildung 2: Berechnung des korrigierten Ladezustands mit dem ModelGauge m5-Algorithmus durch den Maxim MAX1730x. (Quelle: Maxim Integrated)

Der MAX1730x kompensiert den Ladezustandswert mit Alterungscharakteristiken und der Entladerate des Akkus. Bei unterschiedlichsten Betriebsbedingungen liest er den Ladezustand entweder als Prozentanteil oder in Milliamperestunden (mAh) aus. Darüber hinaus liefert der Algorithmus die verbleibende Zeit bis zur vollständigen Ladung und bietet eine Funktion zur Altersprognose, d. h. er prognostiziert, wann der Akku aufgrund von Alter und Nutzung möglicherweise an Kapazität verliert. Eine Datenaufzeichnungsfunktion speichert Daten von bis zu 13 Parametern über die gesamte Akkulebensdauer in einem nichtflüchtigen Speicher, darunter auch die Zeit, die seit dem ersten Einschaltvorgang vergangen ist. Abbildung 3 illustriert die Funktion des ModelGauge m5-Algorithmus.

Abbildung 3: Das Ablaufdiagramm veranschaulicht die Anwendung des Maxim Integrated ModelGauge m5-Algorithmus. (Quelle: Maxim Integrated)

Fazit

Die Fähigkeit, den Ladezustand eines Akkus präzise anzuzeigen, ohne dafür eine zeitaufwendige Charakterisierung des Akkus vornehmen zu müssen, ist eine entscheidende Voraussetzung für den Erfolg mobiler Produkte. Der auf dem ModelGauge m5-Algorithmus basierende Maxim MAX1730x-IC macht nicht nur dies möglich, er spart auch wertvollen Platz auf der Platine sowie Bauelemente, da er Authentifizierungs- und Schutzfunktionen mitbringt.