Schatz, wo ist mein Netzkabel?

Autor/Redakteur: Thong Huynh, Application Engineering Director bei Maxim Integrated (jetzt Teil von Analog Devices)/gg

In der heutigen Zeit würde man wahrscheinlich so fragen: „Schatz, wo ist mein Ladegerät?“ Auf technologische Fortschritte in der Batterietechnologie ist es zurückzuführen, dass heute leistungsfähige und zugleich kostengünstige Batterien zur Verfügung stehen. Dies gilt insbesondere für Lithium-Ionen-Batterien. Seit den Jahren um die Jahrhundertwende ist eine kontinuierlich steigende Nachfrage nach Energiespeichern auf Batteriebasis und portablen Geräten zu verzeichnen.

Auch Superkondensatoren (auch als Ultrakondensatoren bekannt) befinden sich aufgrund spezieller Vorteile zunehmend in einer Vielzahl von Anwendungen im Einsatz. Blei-Säure-Batterien, eine 150 Jahre alte Technologie, sind noch immer häufig in Fahrzeugen, Rollstühlen, Motorrollern, Golfwagen und unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USVs) zu finden.

2019 wurden weltweit 1,16 Milliarden Lade-ICs verkauft. Experten rechnen bis 2024 mit einer Steigerung auf 1,72 Milliarden Stück, was eine jährliche Wachstumsrate von 8,6 Prozent bedeutet. Die entsprechenden Umsätze betrugen 518,1 beziehungsweise 735,4 Milliarden US-Dollar bei einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 7,3 Prozent. Bild 1 zeigt die Marktentwicklung aus Sicht des „Power IC Market Trackers – 2019“ des Marktforschungsinstituts OMDIA1.

Die Nachfrage nach Batterien, die mehr Energie als bisher speichern können und somit größere Reichweiten oder längere Laufzeiten ermöglichen, setzt in den jeweiligen Energiespeichern höhere Spannungen voraus. So haben sich beispielsweise Lithium-Ionen-Batteriestapel, die in Robotern, Drohnen, Elektrowerkzeugen und vielen anderen Geräten verwendet werden, von Lösungen mit nur einer oder zwei Zellen zu Varianten mit mehreren (bis zu zwölf) Zellen entwickelt.

Ein Lithium-Ionen-Batteriestapel mit zwölf Zellen stellt eine maximale Spannung von 50,4V zur Verfügung. Eine solche Zwölf-Zellen-Batterie hält bei gleichem Nennstrom zwölf Mal länger als eine Batterie mit nur einer Zelle. Alternativ können zwölf Batterien parallel geschaltet werden, um eine höhere Speicherkapazität zu erzielen. Allerdings würde die Parallelschaltung den Nennstrom um das zwölffache erhöhen. Höhere Ströme wiederum verursachen mehr Leitungsverluste, so dass eine Parallelschaltung von Batterien nicht zu empfehlen ist.

Industriesysteme wie Notbeleuchtungen mit Batterie-Backup, USV-Backup-Stromversorgungen und HVAC-Geräte werden mit 24VDC versorgt und benötigen daher als Backup eine 24-V-Batterie. Bei 24-VDC-Stromversorgungen können jedoch bei Transienten gemäß IEC 61131-2 und IEC 60664-1 Spitzenspannungen von 60V entstehen. In beiden Fällen benötigen die zu versorgenden Geräte Ladelösungen, die höhere Batteriespannungen verkraften und bei Transienten höheren Eingangsspannungen standhalten können.

Grundlagen: Ladegeräte

Es gibt diverse Ladetopologien. Lineare Ladegeräte senken die Spannungsdifferenz zwischen Stromquelle und Batterie über einen Leistungsschalter. Diese Art von Ladegerät ist am ineffizientesten, da der Leistungsschalter bei einer großen Spannungsdifferenz zwischen Stromquelle und Batterie viel Energie verbraucht.

Boost- oder Aufwärtsladegeräte erhöhen die Spannung der Stromquelle auf die Batteriespannung. Bei dieser Ladetopologie muss die Spannung der Stromquelle niedriger sein als die Batteriespannung. Buck- oder Abwärtsladegeräte senken die Spannung der Stromquelle und setzen voraus, dass die Spannung der Stromquelle höher ist als die Batteriespannung.

Buck-Boost-Ladegeräte können Batterien mit einer Spannung laden, die höher oder niedriger ist als die Batteriespannung. Diese Topologie erfordert vier Leistungsschalter (im Vergleich zu zwei Leistungsschaltern für Buck-Ladegeräte) und arbeitet im Allgemeinen nicht so effizient.

Buck-Ladeschaltungen mit Synchrongleichrichtung sind am effizientesten und stehen im Fokus dieses Artikels. Bild 2 zeigt die Schaltung einer synchron gleichrichtenden Abwärtsladeschaltung. Die meisten Abwärtsladeschaltungen arbeiten heute mit einer relativ niedrigen Spannung. Viele sind für eine Eingangsspannung von nur 28V ausgelegt, manche für 40V.

Bei einer Eingangsspannungsregelung von ±10 Prozent und einem Spannungsabfall von 2V über der Buck-Ladeschaltung kann ein 28-V-Ladegerät praktisch nur einen Lithium-Ionen-Batteriestapel (maximal) in der Konfiguration 5S (5 Batterien in Serie) laden. Eine neue Familie von Lade-ICs mit einer Eingangsspannung von 60V wird im Folgenden näher erläutert. Die ICs ermöglichen Ladevorgänge mit höheren Spannungen – bis zu einer Batteriespannung von 52V (oder einem 12-Zellen-Lithium-Ionen-Stapel). Außerdem verkraften sie Eingangsspannungstransienten bis 65V.

Der Standby-Strom einer Ladeschaltung sollte niedrig sein, um Energie zu sparen. Das Kennzeichnungsprogramm Energy Star vergibt fünf Bewertungssterne an Handy- und andere kleine Ladegeräte, die im Standby nur 30mW oder weniger verbrauchen. Nur einen Bewertungsstern erhalten Ladegeräte mit 300mW oder mehr. Weitere Bewertungssterne werden für alle Geräte vergeben, deren Leistungsaufnahme zwischen 30 und 300mW liegt.

Das Energy-Star-Programm zielt darauf ab, den Energieverbrauch von privat genutzten Ladegeräten zu senken. Denn meist bleiben diese eingesteckt, wenn sie gerade nicht benutzt werden. Weltweit befinden sich ständig über eine Milliarde solcher Ladegeräte am Stromnetz.

Blei-Säure-Batterien, Lithium-Ionen-Batterien und Superkondensatoren gehören zwar alle zur Gruppe der Energiespeicher, haben aber sehr unterschiedliche Lade-/Entladeeigenschaften. Im Folgenden werden die jeweiligen Besonderheiten untersucht und entsprechende Ladelösungen erörtert. Eine gute Batterieladeschaltung muss eine hohe Batterieleistung und eine lange Lebensdauer ermöglichen, insbesondere beim Laden unter widrigen Bedingungen.

Ladeschaltungen für Blei-Säure-Batterien

Die Blei-Säure-Batterie ist die älteste wiederaufladbare Batterie (Bleiakkumulator). Erfunden wurde sie 1859 von dem französischen Physiker Gaston Planté. 150 Jahre später werden Blei-Säure-Batterien noch immer in Autos, Rollstühlen, Rollern, Elektrofahrrädern, Golf-Caddys und USV-Anlagen verwendet.

Blei-Säure-Batterien müssen langsam geladen werden. Die typische Ladezeit beträgt acht bis 16 Stunden. Dieser Batterietyp muss ferner stets in geladenem Zustand gelagert werden. Eine regelmäßige, vollständige Ladung ist unerlässlich, um eine Sulfatierung zu verhindern.

Es ist gängige Praxis, Blei-Säure-Batterien in etwa acht Stunden auf 70 Prozent aufzuladen. Weitere acht Stunden sind für die wichtige Absorptionsladung erforderlich. Eine Teilladung ist in Ordnung, sofern die Blei-Säure-Batterie gelegentlich eine vollständige Ladung erhält, um Sulfatierung zu verhindern. Wenn die Batterie über einen längeren Zeitraum mit Erhaltungsladung genutzt wird, verursacht dies keine Schäden.

Es ist wichtig, die ideale Ladespannungsgrenze zu finden. Eine hohe Spannung (über 2,45V pro Zelle) ermöglicht eine gute Batterieleistung, verkürzt aber die Lebensdauer aufgrund von Gitterkorrosion auf den positiven Platten. Bei einer sehr niedrigen Spannung oder bei einer dauerhafter entladenen Batterie besteht die Gefahr der Sulfatierung auf den negativen Platten. Auch die Temperatur beeinflusst die Zellenspannung mit einem typischen Wert von -5mV/°C (0,028V pro Zelle pro 10°F). Ein gutes Ladegerät muss den Temperaturkoeffizienten ausgleichen, um eine Überladung der Batterie bei Hitze oder eine Unterladung bei Kälte zu vermeiden.

Der MAX17702 (Bild 3) ist beispielsweise eine komplette Ladeschaltung für Blei-Säure-Batterien. Das Bauteil ist für einen Eingangsspannungsbereich von 4,5 bis 60V ausgelegt und bietet einen hohen Wirkungsgrad von über 97 Prozent sowie eine hohe Spannung. Die synchrone Buck-Lösung eignet sich zum Laden von Blei-Säure-Batteriestapeln mit 12V, 24V und 48V. Die Bilder 4a und 4b zeigen den Ladezyklus und den Wirkungsgrad beim Laden.

Blei-Säure-Batterien haben eine geringe Energiedichte und sind somit ungeeignet für portable Geräte. Besser für solche Einsatzfälle geeignet sind Batterien auf Lithiumbasis.

Lader für Lithium-Ionen-Batterien

Batterien auf Lithium-Ionen-Basis bieten Vorteile wie geringes Gewicht und hohe Energiedichte und eignen sich daher speziell für portable Anwendungen, Anwendungen der Schwerindustrie, elektrische Antriebe und Satelliten.

Moderne Lithium-Ionen-Batterien sind wartungsarm und haben keinen nennenswerten Memory-Effekt. Auch muss dieser Energiespeichertyp nicht durch weitgehendes Entladen und anschließendes komplettes Vollladen „trainiert“ werden, um bei guter Gesundheit zu bleiben. In Verbindung mit Lithium-Ionen-Batterien sind jedoch Schutzschaltungen erforderlich, die sich im Batteriepack sowie im Ladegerät befinden und Kurzschlüsse, Überladung, thermisches Durchgehen und Überentladung verhindern. Bleibt bei einer Lithium-Ionen-Batterie die Spannung eine Woche oder länger unter 1,5V pro Zelle, können sich die Sicherheit beeinträchtigende Dendriten bilden.

Bevor es zu einer Tiefentladung kommt, versetzt die interne Schutzschaltung die Batterie in einen Ruhezustand. Eine Tiefentladung kann stattfinden, wenn die Batterie in einem entladenen Zustand gelagert wird, in welchem die Selbstentladung die Spannung auf den Abschaltpunkt bringt.

Ein normales Ladegerät behandelt eine solche Batterie als unbrauchbar, und das Batteriepaket wird oft entsorgt. Ein modernes Lithium-Ionen-Ladegerät verfügt über eine Aufweckfunktion oder „Vorladung“, welche ein Aufladen ermöglicht, wenn ein Lithium-Ionen-Akku aufgrund einer Überentladung „eingeschlafen“ ist. Im Vorlademodus erzeugt das Ladegerät einen geringen Ladestrom, um die Spannung sicher auf 2,2 bis 2,9V pro Zelle anzuheben und die Schutzschaltung zu aktivieren. Daraufhin beginnt ein normaler Ladevorgang.

Während des normalen Ladevorgangs arbeitet das Lithium-Ionen-Ladegerät mit konstantem Strom und konstanter Spannung (CCCV). Der Ladestrom bleibt konstant, und die Spannung wird ab einem bestimmten Grenzwert begrenzt. Bei Erreichen der Spannungsgrenze ist die Batterie gesättigt; der Strom sinkt so lange, bis die Batterie keine weitere Ladung mehr aufnehmen kann und der Ladevorgang beendet wird. Jede Batterie hat ihre eigene Niedrigstromschwelle.

Lithium-Ionen-Batterien sollten beim Laden immer kühl bleiben. Bei Lithium-Ionen-Batterien wirkt sich eine Überladung schädlich auf die Lebensdauer aus. Daher ist es sehr wichtig, die Temperatur der Batterie und deren Ladespannung zu überwachen, um die Gesundheit und Sicherheit der Batterie zu gewährleisten. Ein gutes Ladegerät muss über diese Funktionen verfügen.

Bild 5 zeigt einen modernen Lithium-Ionen-Batterielader. Der MAX17703 ist ein hocheffizienter Hochspannungs-Synchron-Abwärtsladeregler für einen großen Eingangsspannungsbereich von 4,5 bis 60V. Das Bauteil ist eine komplette Ladelösung für bis zu zwölf Lithium-Ionen-Zellenstapel.

Das Bauteil liefert genaue CCCV-Konstant-Ladeströme und -Spannungen mit einer Genauigkeit von ±4 beziehungsweise ±1 Prozent. Die Ladeschaltung geht in einen Aufladezustand, sobald der Ladestrom auf den Schwellenwert für den Taper-Strom sinkt, und beendet den Ladevorgang nach Ablauf einer Taper-Zeit.

Das Ladegerät startet einen Aufladezyklus, sobald die Ausgangsspannung unter die Aufladeschwellenspannung fällt. Dies ist eine nützliche Funktion, um den Akku vollständig geladen zu halten, wenn er über längere Zeit in der Ladestation verbleibt. Dabei wird nur wenig Strom verbraucht, um die Anforderungen gemäß Energy-Star-Richtlinie zu erfüllen.

Die Ladeschaltung kann tiefentladene Batterien erkennen und vorkonditionieren und sie über die Vorladefunktion wieder aufwecken. Als zusätzlichen Schutz erkennt die Ladeschaltung die Batterietemperatur und ermöglicht den Ladevorgang nur im definierten Temperaturbereich.

Außerdem enthält die Ladeschaltung eine Funktion zum Schutz vor eingangsseitigen Kurzschlüssen. Diese verhindert ein Entladen der Batterie, falls der Eingang versehentlich kurzgeschlossen wird. Bild 6 veranschaulicht den Ladezyklus des MAX17703.

Ladegeräte für Superkondensatoren

Superkondensatoren werden aufgrund gewisser Vorteile gegenüber Batterien in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt – Tendenz steigend. Im Gegensatz zu Batterien auf Basis von elektrochemischer Technologie arbeiten Superkondensatoren nach elektrostatischen Prinzipien ohne chemische Reaktionen. Dadurch wird die mit der elektrochemischen Energiespeicherung von Batterien verbundene Problematik hinsichtlich der Lebensdauer vermieden. Superkondensatoren punkten mit ihrer Langlebigkeit und ermöglichen Millionen von Lade-/Entladezyklen mit einer Lebensdauer von bis zu 20 Jahren. Dies übertrifft die Haltbarkeit von Batterien um eine Größenordnung.

Aufgrund ihrer niedrigen Impedanz lassen sich Superkondensatoren in wenigen Sekunden laden und entladen. Dies, in Verbindung mit der Fähigkeit, Ladungen über relativ lange Zeiträume zu speichern, macht Superkondensatoren ideal für Anwendungen mit kurzen Lade- und Entladezyklen. Superkondensatoren werden auch parallel zu Batterien in Anwendungen eingesetzt, die bei Lastwechseln sofortige Leistungsspitzen erfordern.

Die kurzen Lade- und Entladezyklen von Superkondensatoren verlangen Ladegeräte, die hohe Ströme beherrschen. Während eines Ladevorgangs, der oft bei einer Spannung von 0V beginnt, müssen die Ladegeräte reibungslos im Konstantstrommodus (Constant Current, CC) und nach Erreichen des endgültigen Ausgangswerts im Konstantspannungsmodus (Constant Voltage, CV) arbeiten. In Hochvolt-Anwendungen werden oft mehrere Superkondensatoren in Reihe geschaltet. Dies erfordert Ladegeräte, die mit hohen Ein- und Ausgangsspannungen arbeiten können.

Der MAX17701 (Bild 7) ist ein hocheffizienter, synchroner Hochvolt-Superkondensator-Abwärtsladeregler. Das Bauteil ist für hohe Ladeströme ausgelegt und arbeitet in einem Eingangsspannungsbereich (VDCIN) von 4,5 bis 60V. Die Ausgangsspannung des MAX17701 ist von 1,25 bis VDCIN -4V einstellbar.

Der MAX17701 nutzt einen externen N-Kanal-MOSFET, um eine eingangsseitige ODER-Funktion bereitzustellen, die eine Entladung des Superkondensators zurück in den Eingang verhindert. Bild 8 zeigt das vereinfachte Ladeprofil.

Blei-Säure-Batterien, Batterien auf Lithium-Basis und Superkondensatoren sind Energiespeicher mit jeweils unterschiedlichen Lade-/Entlade-Eigenschaften. Zur Entwicklung entsprechender Ladelösungen mit optimalen Eigenschaften sind daher unterschiedliche Ladegeräte erforderlich.

Ein modernes Batterieladegerät verfügt auch über Schutzmechanismen, welche die Leistungsfähigkeit sowie die Langlebigkeit der Batterie gewährleisten. Dies gilt insbesondere beim Laden unter ungünstigen Bedingungen. Neuere Ladegeräte berücksichtigen auch diese Aspekte.

Schlussbemerkung

Energiespeicher auf Batteriebasis sowie portable Geräte erfreuen sich seit Jahren zunehmender Beliebtheit. Aufgrund der Nachfrage nach Lösungen, die mehr Energie speichern und somit größerer Reichweiten oder längere Gerätelaufzeiten ermöglichen, müssen die Spannungen in den jeweiligen Batteriestapeln erhöht werden.

Bei Anwendungen in Industriesystemen für eine Spannung von 24VDC können bei Transienten Spitzenspannungen von 60V auftreten. Bei herkömmlichen Ladegeräten ist die Eingangsspannung meist auf 28V begrenzt. Moderne Ladelösungen von Analog Devices ermöglichen dank der synchronen Hochvolt-Abwärtslade-Topologie höhere Batteriestapelspannungen sowie einen höheren Wirkungsgrad beim Laden.