Neue Lösungen zum Aufladen von Akkumulatoren mit Lithium-Ionen-Zellen

Im Laufe der Jahre hat der zunehmende Bedarf an einer effizienten, leichten, sicheren und kostengünstigen tragbaren Stromversorgung mit schnellen Aufladezeiten zu der Entwicklung vieler neuer Akkumulatortechnologien geführt, darunter Nickel-Metallhybrid-Akkus (NiMH), aufladbare Alkali-Akkus, Lithium-Ionen-Akkus (Li-Ion) und Lithium-Polymer-Akkus (Li-Poly). Im Allgemeinen benötigen diese neuen Akkumulatoren eine anspruchsvollere Lade- und Schutzschaltung, damit ein Höchstmaß an Leistung und Sicherheit gewährleistet ist. Erfreulicherweise wurden zeitgleich zu den Akkumulatoren ebenso fortschrittliche Halbleiterelemente entwickelt, welche jetzt zum Aufladen und Schutz dieser Akkus verwendet werden.

Dieser Artikel nun befasst sich mit den Vorteilen und Beschränkungen der neuen Akkumulatortechnologien. Zudem untersucht er die neuen Ladelösungen für Lithium-Ionen-Akkumulatoren von Halbleiterherstellern wie Maxim Integrated, Linear Technology und Texas Instruments.

Akkumulatortechnologien

Im Bereich der tragbaren elektronischen Geräte wurden in den letzten Jahren etliche neue chemische Formeln für wiederaufladbare Batterien vorgestellt, die nun in Konkurrenz zu der lange Zeit bevorzugten Nickel-Cadmium-Technik (NiCd) stehen. Letztere ist dabei weiterhin eine beliebte Option, wenn es um Anwendungen wie Elektrowerkzeuge geht, bei denen für kurze Zeit hoher Strom benötigt wird und bei denen die niedrige Impedanz der NiCd-Technik ein wünschenswertes Merkmal ist.

Die Entwickler von modernen tragbaren Anwendungen wie Smartphones, Tablets und Digitalkameras jedoch benötigen Akkus, die im Vergleich zu NiCd-Akkus eine höhere Leistung und geringere Entladeraten aufweisen. Zudem müssen die Akkus für solche Anwendungen schnell aufladbar sein und möglichst wenig wiegen. Zu den Akkumulatortechnologien, die diese Anforderungen erfüllen, gehören Nickel-Metallhybrid-Akkus (NiMH), Lithium-Ionen-Akkus (Li-Ion) und Lithium-Polymer-Akkus (Li-Poly). NiMH-Akkus zeichnen sich durch eine größere Leistung und schnellere Ladezeiten aus, weisen als Nachteil aber eine höhere Selbstentladerate auf, die doppelt so hoch wie die von NiCd-Akkus und damit relativ hoch ist (Tabelle 1).

Tabelle 1: Wichtige Akkumulator-Parameter für die verschiedenen Chemiearten (mit freundlicher Genehmigung von Maxim Integrated).

Wie in dem Anwendungshinweis AN676¹ von Maxim Integrated zu lesen ist, ist die Popularität von Li-Ionen- und Li-Poly-Akkus bei tragbaren Geräten auf ihre im Vergleich zu NiCd- und NiMH-Akkus weitaus höhere Leistung und geringere Entladerate zurückzuführen. Weiterhin wird in dem Anwendungshinweis darauf hingewiesen, dass Li-Ionen-Akkus weitaus leichter sind. In Folge dessen weisen Li-Ionen-Akkus im Vergleich zu NiMH-Akkus eine nahezu doppelt so hohe Leistung pro Masseeinheit auf.

Gleichwohl haben auch Lithium-Ionen-Akkus ihre ganz eigenen Beschränkungen. So weist Maxim darauf hin, das sie extrem empfindlich gegenüber Über- und Unterladung sind: Eine Überspannung kann den Akku dauerhaft beschädigen, während ein wiederholtes Entladen auf eine noch ausreichend niedrige Spannung zu einem Leistungsverlust führen kann. Aus diesem Grund muss eine Ladelösung zum Schutz des Akkus sowohl beim Ent- als auch beim Aufladen Strom und Spannung des Akkus begrenzen.

Dementsprechend verfügen Li-Ionen-Akkusätze gewöhnlich über irgendeine Art von Unter- und Überspannungsschutz sowie über eine Sicherung, die Schutz vor Überstrom bieten soll. Darüber hinaus schlagen die Ingenieure von Maxim vor, solche Sätze auch mit einem Schalter auszustatten, der den Akku kurzschließt, wenn aufgrund hohen Drucks eine Entlüftung im Akkumulator erfolgt.

Schließlich müssen Li-Ionen-Akkus – im Gegensatz zu NiCd- und NiMH-Akkus, die lediglich eine Stromquelle für das Aufladen benötigen – mit einer kombinierten Strom-Spannungs-Quelle aufgeladen werden. Um eine maximale Aufladung ohne Schaden zu erreichen, weisen die meisten Ladegeräte für Li-Ionen-Akkus eine Toleranz von 1 Prozent gegenüber der Ausgangsspannung auf. Eine geringere Toleranz wird normalerweise nicht empfohlen, da diese nur schwer einzuhalten und mit höheren Kosten verbunden ist. Im Allgemeinen rechtfertigt der kleine Zugewinn an Leistung nicht den damit einhergehenden Aufwand.

Ladegeräte für Akkus mit einer Li-Ionen-Zelle

Bei Mobiltelefonen und ähnlichen Geräten wird für das Aufladen des Akkus bevorzugt ein Ladegerät in einer eigenen Ladestation verwendet, an die das jeweilige Gerät bzw. der Akkusatz angeschlossen wird. Geeignet für diesen Verwendungszweck ist laut Maxim ein lineares Ladegerät für Akkus mit einer Li-Ionen- oder Li-Poly-Zelle. Da der Akkusatz bzw. das Ladegerät vom Hauptgerät getrennt ist, stellt die erzeugte Wärme kein großes Problem dar. In diesem Fall nun senkt der Linearregler die Differenzspannung (zwischen DC-Stromwelle und Akku) mithilfe eines Pass-Transistors, der in dem Linearbereich des Reglers aktiv ist. Da das Ladegerät nur wenig Platz hat, wird eine Luftströmung empfohlen, um ein Überhitzen infolge der Verlustleistung zu verhindern.

Das lineare Ladegerät für Akkus mit einer Li-Ionen-Zelle von Maxim trägt die Bezeichnung MAX846A. Dank seiner auf 0,5 Prozent genauen Referenz können Lithium-Ionen-Zellen, die eine hohe Spannungsgenauigkeit erfordern, sicher geladen werden. Die Spannungs- und Stromregelkreise, mit denen ein kostengünstiger externer PNP-Transistor (oder P-Kanal-MOSFET) gesteuert wird, sind voneinander unabhängig. Wie in Abbildung 1 zu sehen ist, senkt der Leistungstransistor FZT749 von Fairchild Semiconductor die Quellenspannung auf die Akkumulatorspannung und ist dabei für den Großteil des Leistungsverlusts verantwortlich. Ergebnis ist eine stabilere interne Referenz, die für eine stabilere Begrenzung der Akkumulatorspannung sorgt.

Abbildung 1: Das lineare Ladegerät für Akkus mit einer Li-Ionen-Zelle MAX846A steuert einen externen Leistungstransistor (Q1), der die Quellenspannung auf die Spannung des Akkumulators senkt.

In diesem Schaltkreis bestimmen R1 und R3 den Ausgangsstrom. R1 erfasst dabei den Ladestrom, während R3 festlegt, auf welcher Höhe der Strom geregelt wird. Der Strom aus dem ISET-Anschluss beträgt 1/1000 der Spannung zwischen CS+ und CS-. Der Stromregler regelt die ISET-Spannung auf 2 V. Dementsprechend beträgt die Strombegrenzung [2.000/(R3 *R1)] 1 A. Wie in dem Anwendungshinweis von Maxim beschrieben, haben die Regelkreise für die Spannungs- und Strombegrenzung dabei eigene Kompensationspunkte (CCV und CCI), was die Stabilisierung dieser Begrenzungen leichter macht. Dank der Anschlüsse ISET und VSET kann die Strom- und Spannungsbegrenzung jeweils angepasst werden.

Ein weiterer Anbieter von linearen Ladegeräten für tragbare Anwendungen mit geringem Platzangebot ist Texas Instruments. Die hoch integrierten Lade-ICs der Serie bq24040 von TI wurden für einzelne Li-Ionen- und Li-Poly-Zellen entwickelt. Die Ladegeräte decken einen großen Eingangsspannungsbereich ab und werden entweder von einem USB-Port aus oder über einen kostengünstigen AC-Adapter betrieben. Laut TI laden die Komponenten der Serie bq2400x den Akku in drei Phasen auf: Konditionierung, Konstantstrom und Konstantspannung. Bei allen Ladephasen überwacht ein interner Regelkreis die Sperrschichttemperatur am IC und reduziert den Ladestrom, falls der interne Temperaturschwellenwert überschritten wird.

Auch das eigenständige Lithium-Ionen-Akkuladegerät LTM8061 von Linear Technology ist für Akkus mit ein oder zwei Li-Ionen- und Li-Poly-Zellen optimiert und bietet feste Werte für die Erhaltungsladespannung von 4,1, 4,2, 8,2 und 8,4 V. Das Gerät zeichnet sich durch sein Konstantstrom-/Konstantspannungsladeverhalten mit einem maximalen Ladestrom von bis zu 2 A aus. Das Datenblatt des Akkuladegeräts aus der µModule-Reihe verweist darauf, dass es sich hierbei um eine SiP-Ladelösung (System-in-Package) mit einem integrierten DC/DC-Controller, Leistungstransistoren, Eingangs- und Ausgangskondensatoren, Kompensationselementen und einer Drossel in einem für die Oberflächenmontage geeigneten LGA-Gehäuse handelt. Das bedeutet, dass das aus der LTM8061-Reihe stammende Ladegerät für Akkus mit einer Lithium-Ionen-Zelle mit einer geringen Anzahl an externen Bauteilen auskommt (Abbildung 2).

Abbildung 2: Das Akkuladegerät LTM8061 aus der µModule-Reihe ist eine SiP-Ladelösung für Akkus mit einer Lithium-Ionen-Zelle.

Zu den weiteren Anbietern von integrierten Lade-ICs für das effiziente Aufladen von Akkus mit einzelnen Li-Ionen- und Li-Poly-Zellen zählen Fairchild Semiconductor, Intersil und STMicroelectronics.

Aufladen von zwei oder mehreren Zellen

Ein ähnlicher Schaltkreis für das Aufladen von zwei in Reihe geschalteten Li-Ionen-Zellen ist in Abbildung 3 dargestellt. Hier kommt der MAX745 von Maxim zur Anwendung, ein Schaltladegerät für Li-Ionen-Akkus mit einem Wirkungsgrad von 90 Prozent. Bei dem MAX745 sind sämtliche Funktionen auf einem Chip integriert. Das Ladegerät stellt einen regulierten Ladestrom von bis zu 4 A bereit, ohne dabei heiß zu werden, sowie eine regulierte Spannung mit einem Gesamtfehler an den Akkuanschlüssen von lediglich ±0,75 Prozent. Es nutzt kostengünstige Widerstände mit einer Genauigkeit von einem Prozent zur Einstellung der Ausgangsspannung sowie einen N-Kanal-MOSFET als Stromschalter. Der Spannungssollwert und der Ladestrom werden mithilfe von zwei Regelkreisen geregelt, die im Zusammenspiel nahtlos zwischen Spannungs- und Stromregelung wechseln. Die Akkuspannung pro Zelle wird mit handelsüblichen Widerständen mit einer Genauigkeit von einem Prozent auf 4 bis 4,4 V begrenzt.

Abbildung 3: Der MAX745 ist ein Schaltladegerät mit allen Funktionen, die für das Aufladen von Akkus mit mehreren in Reihe geschalteten Li-Ionen-Zellen erforderlich sind.

Integrierte ICs zum Aufladen von Akkus mit zwei in Reihe geschalteten Li-Ionen-Zellen sind auch von anderen Anbietern wie Texas Instruments und Linear Technology erhältlich.

Für das Aufladen von Akkumulatoren mit einer oder mehreren Lithium-Ionen-Zellen gibt es viele Möglichkeiten. Die Ingenieure müssen sich dabei zunächst mit den jeweiligen Bedingungen wie Eingangsspannung, Ladestrom, Ladeart, Schutzmöglichkeiten, USB-Kompatibilität, Kosten und weiteren wichtigen Faktoren auseinandersetzen, ehe sie sich für einen Akkumulator-Ladekreis für die jeweilige Anwendung entscheiden.

Weitere Informationen zu den in diesem Artikel beschriebenen Produkten finden Sie über die bereitgestellten Links zu den Produktseiten auf der DigiKey-Website.

Referenz

1. Anwendungshinweis 676, „New Developments in Battery Chargers”, November 2011, Maxim Integrated