10.04.2016

Überwachung der Batterieladung durch Nanopower IoT-Stromversorgung

Im IoT von morgen sollen sich Geräte möglichst über optimierte Energieernter selbst versorgen. Das klingt gut und es funktioniert schon im praktischen Gebrauch. Aber es gibt noch Nachteile und es führt zu Problemem, wenn keine Erntenergie zur Verfügung steht. Der Beitrag stellt dafür Batterietechnologien vor, die für den Langzeitbetrieb oder für 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 Geräten, die alles überwachen vom Herzschlag zur Raumtemperatur oder der Anzahl der Menschen in einem Gebäude. Täglich werden neue Applikationen erfunden, um alle möglichen Typen von Daten mittels WLAN zu erfassen und diese über Gateways direkt in das Internet zu bringen. Wenn sich die Experten nicht irren, können wir bald den Zustand und den Betriebsstatus jedes Gerätes im Haus überwachen, alle Lichter ausschalten und die exakte Position unserer Haustiere feststellen. Alles mit einem kurzen Tipp auf unser Smartphone. Allgegenwärtiges drahtloses Monitoring ermöglicht die Beobachtung und Steuerung unserer Umgebung zu jeder Zeit und überall.


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 unauffällig sein und nur wenig Wartung beanspruchen. Im IoT von morgen erwarten die Experten, das viele dieser Geräte sich über optimierte Energieernter aus endlos zu verfügend stehenden Quellen selbst versorgen. Das klingt gut und es gibt da schon Fortschritte im praktischen Gebrauch. Heutige Lösungen haben aber noch Nachteile durch ihre Größe und Leistung. Auch gibt es ein Problem, wenn keine Erntenergie zur Verfügung steht. Glücklicherweise gibt es Batterietechnologien, die für Langzeitbetrieb ausgelegt sind oder für Low Power Applikationen, wie sie im IoT-Spektrum vorkommen.



Lithium Thionyl Chloride: Die ideale Energiequelle für drahtlose Sensoren

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


Zusätzlich muss die Batterieselbstentladung sehr gering sein, um die längst mögliche Betriebszeit zu erreichen und die Notwendigkeit für teure Abschaltzeiten bzw. Batterieaustausch zu reduzieren. Eine ideale Batterietechnologie dafür 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 bezüglich Laufzeit (Kapazität) 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 unerwünschten Effekt der Begrenzung des verfügbaren 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 Batteriekapazität. Betreibt man die Batterie aus Bild 1 mit 100 mA DC-Last, ergibt sich eine Kapazität von 9 Ah, weit unter dem Spitzenwert von 19 Ah bei 4 mA Last. Daher benötigen Applikationen mit zeitweisen Spitzenströmen einen parallel geschalteten Speicherkondensator, um den Spitzenburst abzufangen. Außerdem ist eine Batteriestrombegrenzung während der Spitzen vorzusehen, um die maximal verfügbare Kapazität 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 für 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 große kurze Strombursts zum Ausgang gegeben bis wieder Regelung vorliegt.


Wie bereits angemerkt, sind solche Burstströme ein Problem für Lithium Thionyl Chloride Typen und auch für andere Primärbatterien, mit dem Effekt einer reduzierten Systemlaufzeit. Eine ideale IoT-Powerlösung kombiniert eine Langzeitbatterie mit einem DC/DC-Wandler in einem batteriefreundlichen Strom-Managementsystem.



Nanopower DC/DC-Wandler mit programmierbarem Spitzeneingangsstrom

Der LTC3335 (Bild 2) erfüllt 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 wählbaren Ausgangsspannungen zwischen 1,8 V und 5 V bieten eine geregelte Versorgung an Eingangsspannungen, die über, unter oder gleich der Ausgangsspannung liegen kann. Mit einem Ruhestrom von nur 680 nA und programmierbaren Eingangsströmen von bis zu 5 mA herunter und bis zu 250 mA am oberen Ende, ist das Bauteil geeignet für breiten Einsatz mit Primär-Batterien einschließlich 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 über dem Regelwert, geht das Bauteil in einen Sleep-Mode, in dem nur die Ausgangsüberwachungsschaltung 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 über eine monolithische Vollbrückenwandlerschaltung 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 ermöglichen 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 ermöglichen einen Stromfluss in die Spule, um den Ausgangskondensator am PVOUT Pin zu laden. Der Strom fließt durch Schalter B und D bis er zu Null wird. Ist in diesem Moment der Ausgang über der Regelgröße, fällt 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 über 80 % bei Lastströmen herunter bis 10 µA - einem üblichen durchschnittlichen Lastpegel in vielen drahtlosen Sensoren. Zusätzlich werden Eingangsspitzenströme auf ein Minimum reduziert, was dem durchschnittlichen Leistungsbedarf zu gute kommt durch die Maximierung der Batterielaufzeit und der -Kapazität.



Zusätzliche Herausforderung: Ermittlung der Restkapazität

Trotz der Fortschritte bei Minimierung der Lastströme und der Maximierung der Batterielaufzeit, sind Applikationen stark beschränkt was den Platz angeht und irgendwann müssen auch die Batterien einmal ausgewechselt werden. In preiswerten portablen Geräten spielen der Ladestatus der Batterie und die Ermittlung der verbleibenden Kapazität eine geringe Rolle. Entweder überdauern die Batterien die Nutzungsdauer des Geräts oder die Konsequenzen sind gering, wenn das Gerät 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 zusätzlichen Aufwand.





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


Die Vorhersage der Restkapazität bei Primärzellen 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 Kapazität Null ist. An diesem Punkt bricht die Spannung dann ganz schnell zusammen. D.h. eine Batteriespannungsüberwachung liefert wenig brauchbare Informationen solange die Batteriekapazität 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 Lösung: “Zero” Ruhestrom Coulomb Zähler

Ein einfacher und direkter Weg, um die Batterienutzung zu überwachen ist das Zählen 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 präzisen Selbstüberwachung des LTC3335 zählt dagegen die Höhe der Ladung von der Batterie zur Last immer dann, wenn der DC/DC-Wandler den Ausgang in die Regelung bringt.


Der Hauptunterschied ergibt sich während der Schlafperiode des DC/DC-Wandlers, durch den Ruhestrom von Null durch den Coulomb Zähler. Immer wenn der DC/DC-Wandler aktiv ist, fließt Strom von der Batterie nur, wenn Schalter A und C durchschalten. Strom über die Schalter A und C fließt 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 primäre 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 übertragen wird. Das erfolgt für 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 Zählerkette sind über den I2C-Port zugänglich, sie repräsentieren die Gesamtzahl an Coulombs, die von der Batterie zur Last gelangten. Der Skalierungsfaktor kann über I2C bestimmt werden für unterschiedliche Batteriegrößen und IPEAK Werte. Auch können Alarmpegel eingestellt werden, zur Signalisierung des Systems über den Batterieverbrauch jeden Sensors. Da der interne Coulombzähler des LTC3335, während der DC/DC-Wandler im Sleep-Mode ist, nur seinen Logikstatus halten muss, erreicht der zusätzliche Ruhestrom zur Überwachung der Batterie echt Null.



Fehlerquellen und Nachteile

Wie bei den meisten Lösungen, gibt es Nachteile und Fehlerquellen. Der Coulomb-Zähler des LTC3335 (Bild6) überwacht und misst die Ladung, die am Ausgang des DC/DC-Wandlers verbraucht wird. Diese schließt 100% des Laststroms ein und den Treiberstrom für die internen Schalter, geliefert von VOUT. Nicht gemessen werden jedoch der Ruhestrom während des Schlafmodes und der Strom VIN für die Schalteransteuerung während des Ladungstransfers, daraus ergibt sich eine Fehlerquelle. Generell ermittelt der Zähler eine leicht erhöhte Anzahl an entladenen Coulombs.


Bei Spitzenströmen über 50 mA oder ähnlich, ist dieser Fehler sehr klein (<5 %), aber bei sehr kleinen Spitzenströmen kann er substantiell werden (>20% der aktuell entladenen Coulombs). Glücklicherweise wird in vielen Applikationen diese primäre Fehlerquelle vermieden, wegen der relativ gut gesteuerten und vorhersehbaren Charakteristik des ICs, das Fehlerkorrektion mittels Software zulässt, die den Zählfehler auf einen einstelligen Prozentbereich reduziert. Das funktioniert auch bei sehr geringen Spitzenströmen. Zur Kompensation dieser Fehler mittels Systemsoftware, muss man die entsprechenden Kurven aus den Datenblättern entnehmen.



Die optimale Versorgung von drahtlosen Sensoren

Das erstrebenswerte Ziel jeder drahtlosen Applikation ist ein langer und zuverlässiger Betrieb. Die Auswahl aus den vielen verfügbaren Stromversorgungen erfordert sorgfältiges Abwägen von Größe, Betriebsdauer, Spitzenleistung usw. Drahtlose Sensoren verbreiten sich mehr und mehr in Applikationen, in denen es auf Sicherheit, Schutz oder industrielle Leistungsfähigkeit ankommt. Da sind ein optimaler Stromverbrauch und eine lange Lebensdauer besonders wichtig.





Bild 6. Der LTC3335 “Null” Strom Coulomb Zähler beruht auf einer DC/DC-Architektur


Auch nimmt die Anforderung nach Netzwerkzuverlässigkeit 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 erfüllen und die Energienutzung zu optimieren - unabhängig von Batteriegröße und -Chemie.


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


 


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