10.04.2016

√úberwachung der Batterieladung durch Nanopower IoT-Stromversorgung

Im IoT von morgen sollen sich Ger√§te m√∂glichst √ľber optimierte Energieernter selbst versorgen. Das klingt gut und es funktioniert schon im praktischen Gebrauch. Aber es gibt noch Nachteile und es f√ľhrt zu Problemem, wenn keine Erntenergie zur Verf√ľgung steht. Der Beitrag stellt daf√ľr Batterietechnologien vor, die f√ľr den Langzeitbetrieb oder f√ľr Low Power Applikationen im IoT-Bereich ausgelegt sind.




Sam Nork

Autor: Samuel Nork, Direktor Boston Design Center Linear Technology


Das Internet der Dinge, oder IoT, bezieht sich auf die zunehmende Anzahl von verbundenen Ger√§ten, die alles √ľberwachen vom Herzschlag zur Raumtemperatur oder der Anzahl der Menschen in einem Geb√§ude. T√§glich werden neue Applikationen erfunden, um alle m√∂glichen Typen von Daten mittels WLAN zu erfassen und diese √ľber Gateways direkt in das Internet zu bringen. Wenn sich die Experten nicht irren, k√∂nnen wir bald den Zustand und den Betriebsstatus jedes Ger√§tes im Haus √ľberwachen, alle Lichter ausschalten und die exakte Position unserer Haustiere feststellen. Alles mit einem kurzen Tipp auf unser Smartphone. Allgegenw√§rtiges drahtloses Monitoring erm√∂glicht die Beobachtung und Steuerung unserer Umgebung zu jeder Zeit und √ľberall.


Das Internet of Things ist in der Industrie zu Tage getreten in Form von drahtlosen Sensoren, angeordnet in Maschennetzwerken. Diese werden in Fabriken, Industrieanlagen oder in Automobilen und Maschinen weltweit benutzt, um kritische Parameter zu erfassen, Sicherheit und Zuverlässigkeit zu erhöhen sowie die Wartung zu verringern. Unabhängig von ihrem Einsatz teilen sie alle ein Problem: wie werden sie mit Strom versorgt?


Da gibt es einige Alternativen. Drahtlose Monitore sollten klein und unauff√§llig sein und nur wenig Wartung beanspruchen. Im IoT von morgen erwarten die Experten, das viele dieser Ger√§te sich √ľber optimierte Energieernter aus endlos zu verf√ľgend stehenden Quellen selbst versorgen. Das klingt gut und es gibt da schon Fortschritte im praktischen Gebrauch. Heutige L√∂sungen haben aber noch Nachteile durch ihre Gr√∂√üe und Leistung. Auch gibt es ein Problem, wenn keine Erntenergie zur Verf√ľgung steht. Gl√ľcklicherweise gibt es Batterietechnologien, die f√ľr Langzeitbetrieb ausgelegt sind oder f√ľr Low Power Applikationen, wie sie im IoT-Spektrum vorkommen.



Lithium Thionyl Chloride: Die ideale Energiequelle f√ľr drahtlose Sensoren

In IoT-Applikationen bestehen generell gleiche Leistungs- und Energieanforderungen. Die durchschnittliche Leistung f√ľr abgesetzte Monitore ist typischerweise gering, mit der gelegentlichen Anforderung, mit Burst zu messen und zu kommunizieren. Bei Batterien f√ľr solche Applikationen gilt idealerweise Energiedichte vor Leistungsdichte.


Zus√§tzlich muss die Batterieselbstentladung sehr gering sein, um die l√§ngst m√∂gliche Betriebszeit zu erreichen und die Notwendigkeit f√ľr teure Abschaltzeiten bzw. Batterieaustausch zu reduzieren. Eine ideale Batterietechnologie daf√ľr ist Lithium Thionyl Chloride (Li-SOCL2). Diese bietet extreme geringe Selbstentladung (Lagerzeit mehr als 20 Jahre laut einiger Hersteller), sehr hohe Energiedichte und eine relativ hohe Betriebsspannung von 3,6 V typisch.


Li-SOCL2 Batterien gibt es von zahlreichen Herstellern in den verschiedensten Bauformen, Größen und Kapazitäten. Jedoch wie immer bei speziellen Technologien, gibt es beim Einsatz einiges abzuwägen.



Herausforderungen beim Einsatz von Long-Life-Batterien

Um die Vorteile der Li-SOCL2 Batterien bez√ľglich Laufzeit (Kapazit√§t) zu nutzen, sind spezielle Vorkehrungen zu treffen, besonders beim Schaltungsentwurf der jeweiligen Applikation. Wie Bild 1 zeigt, haben Lithium Thionyl Chloride Batterien eine sehr hohe Ausgangsimpedanz. Die chemische Reaktion, die die extreme geringe Selbstentladung bewirkt und die lange Laufzeit (Passivationsformation), haben den unerw√ľnschten Effekt der Begrenzung des verf√ľgbaren Ausgangstroms.









Bild 1a und b. Li-SOCL2 Spannung und Kapazität vs. Temperatur und Strom (Quelle: Tadiran)


Bei Lithium Thionyl Chloride Typen bedingt ein hoher Laststrom nicht nur ein Absinken der Spannung, sondern auch eine Verringerung der Batteriekapazit√§t. Betreibt man die Batterie aus Bild 1 mit 100 mA DC-Last, ergibt sich eine Kapazit√§t von 9 Ah, weit unter dem Spitzenwert von 19 Ah bei 4 mA Last. Daher ben√∂tigen Applikationen mit zeitweisen Spitzenstr√∂men einen parallel geschalteten Speicherkondensator, um den Spitzenburst abzufangen. Au√üerdem ist eine Batteriestrombegrenzung w√§hrend der Spitzen vorzusehen, um die maximal verf√ľgbare Kapazit√§t zu erhalten.


Die Beherrschung des Batteriestroms wird kompliziert, wenn ein DC/DC-Wandler erforderlich ist zur Stabilisierung der Versorgungsspannung der nachfolgenden Sensor- und Kommunikationselektronik. DC/DC-Wandler, die f√ľr Low Power Applikationen optimiert sind, arbeiten generell im Burst Mode, in dem der Wandler im Sleep-Mode bleibt wenn der Ausgang unter den Regelwert gelangt. Dann werden gro√üe kurze Strombursts zum Ausgang gegeben bis wieder Regelung vorliegt.


Wie bereits angemerkt, sind solche Burststr√∂me ein Problem f√ľr Lithium Thionyl Chloride Typen und auch f√ľr andere Prim√§rbatterien, mit dem Effekt einer reduzierten Systemlaufzeit. Eine ideale IoT-Powerl√∂sung kombiniert eine Langzeitbatterie mit einem DC/DC-Wandler in einem batteriefreundlichen Strom-Managementsystem.



Nanopower DC/DC-Wandler mit programmierbarem Spitzeneingangsstrom

Der LTC3335 (Bild 2) erf√ľllt alle genannten Anforderungen, er ist ein hocheffizienter synchroner Nanopower Buck-Boost-Wandler. Sein Eingangsbereich von 1,8 V bis 5,5 V und acht vom Anwender w√§hlbaren Ausgangsspannungen zwischen 1,8 V und 5 V bieten eine geregelte Versorgung an Eingangsspannungen, die √ľber, unter oder gleich der Ausgangsspannung liegen kann. Mit einem Ruhestrom von nur 680 nA und programmierbaren Eingangsstr√∂men von bis zu 5 mA herunter und bis zu 250 mA am oberen Ende, ist das Bauteil geeignet f√ľr breiten Einsatz mit Prim√§r-Batterien einschlie√ülich Lithium Thionyl Chloride Batterien ohne jede externe Strombegrenzung.




Bild 2. Beschaltung des LTC3335 Nanopower Buck-Boost DC/DC-Wandlers mit programmierbarem Spitzenstrom ILIM


Der LTC3335 arbeitet fortschrittlich (Bilder 2 und 3): ist die Ausgangsspannung √ľber dem Regelwert, geht das Bauteil in einen Sleep-Mode, in dem nur die Ausgangs√ľberwachungsschaltung aktiv ist. Zwingt die Last die Ausgangsspannung unter den Regelwert, wird der DC/DC-Wandler aktiv und Energie vom Eingang zum Ausgang geliefert. Dies erfolgt √ľber eine monolithische Vollbr√ľckenwandlerschaltung mit vier Schaltern.








Bild 3. Blockdiagram des LTC3335 DC/DC-Wandlers


Ist der DC/DC-Wandler aktiv, schalten die Schalter A und C durch. Sie erm√∂glichen so einen Stromfluss von der Batterie durch eine externe Spule zwischen den Pins SW1 und SW2. Wird der programmierte Spitzenstrom (IPEAK) erreicht, unterbrechen die Schalter A und C und die Schalter B und D schalten durch und erm√∂glichen einen Stromfluss in die Spule, um den Ausgangskondensator am PVOUT Pin zu laden. Der Strom flie√üt durch Schalter B und D bis er zu Null wird. Ist in diesem Moment der Ausgang √ľber der Regelgr√∂√üe, f√§llt das Bauteil wieder in den Sleep-Mode bis der Ausgang aus der Regelung geht. Ansonsten beginnt ein AC/BD-Schaltzyklus von vorne. Mit seinem geringen Ruhestrom und dem Synchronbetrieb erzielt der LTC3335 eine Wandlungseffizienz √ľber 80 % bei Laststr√∂men herunter bis 10 ¬ĶA - einem √ľblichen durchschnittlichen Lastpegel in vielen drahtlosen Sensoren. Zus√§tzlich werden Eingangsspitzenstr√∂me auf ein Minimum reduziert, was dem durchschnittlichen Leistungsbedarf zu gute kommt durch die Maximierung der Batterielaufzeit und der -Kapazit√§t.



Zusätzliche Herausforderung: Ermittlung der Restkapazität

Trotz der Fortschritte bei Minimierung der Laststr√∂me und der Maximierung der Batterielaufzeit, sind Applikationen stark beschr√§nkt was den Platz angeht und irgendwann m√ľssen auch die Batterien einmal ausgewechselt werden. In preiswerten portablen Ger√§ten spielen der Ladestatus der Batterie und die Ermittlung der verbleibenden Kapazit√§t eine geringe Rolle. Entweder √ľberdauern die Batterien die Nutzungsdauer des Ger√§ts oder die Konsequenzen sind gering, wenn das Ger√§t wegen eines Batteriewechsels offline geht. Im Falle von kritischen Sensoren in Fabrikautomationssystemen oder in Sicherheitssystemen der Bahn bedeuten aber unvorhersehbare Abschaltzeiten wegen Austausch leerer Batterien einen unzumutbaren zus√§tzlichen Aufwand.





Bild 4. Li-SOCL2 Spannung vs. Ausgangsstrom (Quelle: Tadiran)


Die Vorhersage der Restkapazit√§t bei Prim√§rzellen ist oft eine schwierige Angelegenheit, besonders bei Lithium Thionyl Chloride. Wie an der Entladekurve in Bild 4 zu sehen, bleibt die Leerlaufspannung einer typischen Li-SOCL2 Batterie nahezu konstant bis die Kapazit√§t Null ist. An diesem Punkt bricht die Spannung dann ganz schnell zusammen. D.h. eine Batteriespannungs√ľberwachung liefert wenig brauchbare Informationen solange die Batteriekapazit√§t sehr nahe Null ist.


Zusätzlich haben Leerlaufspannung und Batterieimpedanz eine starke Temperaturabhängigkeit. Das bedeutet, dass selbst wenn die Messung dieser Parameters eine Warnung abgibt, um unvorhersehbares Abschalten zu vermeiden, eine zusätzliche Überwachung erforderlich ist zum Erkennen der Differenz zwischen dem Knick in der Entladekurve und einem Temperatur- oder Lastwechsel. All das verbraucht unnötige Energie.



Die L√∂sung: ‚ÄúZero‚ÄĚ Ruhestrom Coulomb Z√§hler

Ein einfacher und direkter Weg, um die Batterienutzung zu √ľberwachen ist das Z√§hlen der aus der Batterie entnommenen Coulomb. Traditionelle Methoden nutzen kontinuierliches Monitoring und die Integration des Batteriestroms, der Energie auch ohne Last entzieht. Die Leistungswandlungs-Architektur der pr√§zisen Selbst√ľberwachung des LTC3335 z√§hlt dagegen die H√∂he der Ladung von der Batterie zur Last immer dann, wenn der DC/DC-Wandler den Ausgang in die Regelung bringt.


Der Hauptunterschied ergibt sich w√§hrend der Schlafperiode des DC/DC-Wandlers, durch den Ruhestrom von Null durch den Coulomb Z√§hler. Immer wenn der DC/DC-Wandler aktiv ist, flie√üt Strom von der Batterie nur, wenn Schalter A und C durchschalten. Strom √ľber die Schalter A und C flie√üt bis IPEAK erreicht ist, Schalter B und D schalten dann durch und entladen den Spulenstrom in den Ausgangskondensator bis herunter zu Null. Wird erkannt, dass der Strom Null ist, wiederholt sich der Zyklus bis VOUT wieder in Regelung ist. Mit der entsprechenden Spule steigt der Strom aus der Batterie linear von Null zum programmierten Spitzenstrom jedesmal wenn die Schalter A und C an sind - wie in Bild 5 gezeigt.


Bild 5. Batterieentladung gemessen während der AC-ON-Time


Die Zeit zum Erreichen von IPEAK in einem gegebenen AC-ON-Zyklus ist eine prim√§re Funktion der Batteriespannung, des Spulenwertes und des IPEAK Wertes. Durch Messen dieser Zeit kann die Anzahl der Coulombs ermittelt werden, die in jedem AC-ON-Zyklus √ľbertragen wird. Das erfolgt f√ľr einen vorgegebenen IPEAK Wert nach folgender Formel:





Der LTC3335 enthält einen Timerschaltkreis, der periodisch die AC-ON-Zeit misst und eine akkurate Anzahl der Coulombs ausgibt entsprechend dem IPEAK Wert, solange die Schalter A und C an sind. Ein interner Adder- und Ripplezähler rechnet die Zeit, in der Schalter A und C an sind, zusammen und multipliziert den Wert mit den skalierten Coulombs jeder AC-ON-Zeit, qAC(ON).


Die 8 MSBs in der Z√§hlerkette sind √ľber den I2C-Port zug√§nglich, sie repr√§sentieren die Gesamtzahl an Coulombs, die von der Batterie zur Last gelangten. Der Skalierungsfaktor kann √ľber I2C bestimmt werden f√ľr unterschiedliche Batteriegr√∂√üen und IPEAK Werte. Auch k√∂nnen Alarmpegel eingestellt werden, zur Signalisierung des Systems √ľber den Batterieverbrauch jeden Sensors. Da der interne Coulombz√§hler des LTC3335, w√§hrend der DC/DC-Wandler im Sleep-Mode ist, nur seinen Logikstatus halten muss, erreicht der zus√§tzliche Ruhestrom zur √úberwachung der Batterie echt Null.



Fehlerquellen und Nachteile

Wie bei den meisten L√∂sungen, gibt es Nachteile und Fehlerquellen. Der Coulomb-Z√§hler des LTC3335 (Bild6) √ľberwacht und misst die Ladung, die am Ausgang des DC/DC-Wandlers verbraucht wird. Diese schlie√üt 100% des Laststroms ein und den Treiberstrom f√ľr die internen Schalter, geliefert von VOUT. Nicht gemessen werden jedoch der Ruhestrom w√§hrend des Schlafmodes und der Strom VIN f√ľr die Schalteransteuerung w√§hrend des Ladungstransfers, daraus ergibt sich eine Fehlerquelle. Generell ermittelt der Z√§hler eine leicht erh√∂hte Anzahl an entladenen Coulombs.


Bei Spitzenstr√∂men √ľber 50 mA oder √§hnlich, ist dieser Fehler sehr klein (<5 %), aber bei sehr kleinen Spitzenstr√∂men kann er substantiell werden (>20% der aktuell entladenen Coulombs). Gl√ľcklicherweise wird in vielen Applikationen diese prim√§re Fehlerquelle vermieden, wegen der relativ gut gesteuerten und vorhersehbaren Charakteristik des ICs, das Fehlerkorrektion mittels Software zul√§sst, die den Z√§hlfehler auf einen einstelligen Prozentbereich reduziert. Das funktioniert auch bei sehr geringen Spitzenstr√∂men. Zur Kompensation dieser Fehler mittels Systemsoftware, muss man die entsprechenden Kurven aus den Datenbl√§ttern entnehmen.



Die optimale Versorgung von drahtlosen Sensoren

Das erstrebenswerte Ziel jeder drahtlosen Applikation ist ein langer und zuverl√§ssiger Betrieb. Die Auswahl aus den vielen verf√ľgbaren Stromversorgungen erfordert sorgf√§ltiges Abw√§gen von Gr√∂√üe, Betriebsdauer, Spitzenleistung usw. Drahtlose Sensoren verbreiten sich mehr und mehr in Applikationen, in denen es auf Sicherheit, Schutz oder industrielle Leistungsf√§higkeit ankommt. Da sind ein optimaler Stromverbrauch und eine lange Lebensdauer besonders wichtig.





Bild 6. Der LTC3335 ‚ÄúNull‚ÄĚ Strom Coulomb Z√§hler beruht auf einer DC/DC-Architektur


Auch nimmt die Anforderung nach Netzwerkzuverl√§ssigkeit zu. Das beinhaltet nicht nur die Robustheit der Datengenerierung und des Transports durch das Netzwerk sondern auch die Vermeidung von unerwarteten Abschaltzeiten wegen Stromausfall. Neue DC/DC-Wandler wie der LTC3335 wurden speziell entwickelt, um diese Leistungsanforderungen zu erf√ľllen und die Energienutzung zu optimieren - unabh√§ngig von Batteriegr√∂√üe und -Chemie.


Der LTC3335 bietet eine akkurate Liste der √ľbertragenen Coulombs von der Batterie zur Last, ohne die Batterie im System zu beanspruchen. Das ist einer der wenigen F√§lle, bei denen man etwas umsonst bekommt.


 


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