Maxim Integrated Products stellt mit dem MAX17047 einen Batterie-Ladezustandsanzeige-Chip für Single-Cell-Li+-Akkupacks auf den Markt. Der Baustein nutzt den ModelGauge m3-Algorithmus von Maxim, ein nach dem Coulomb-Zähler-Prinzip arbeitendes Batterieüberwachungs-Verfahren. Es ist nicht von den abrupten Anzeigesprüngen betroffen ist, die typischerweise bei Messschaltungen vorkommen, die Coulomb-Zähler-Algorithmen nutzen.

Der Schaltkreis ist für die Überwachung des Ladezustands von Single-Cell- und Multicell-Li+-Batterien in Tablet-Computern, Handies, Smartphones, E-Readern, mobileb Spielgeräteb, Digitalkameras, Handheld-Computern, in Bankenterminals, portablen Navigationsgeräten und tragbaren medizinischen Geräte geeignet.

Der Batteriezustands-Überwachungsschaltkreis MAX17047 ModelGauge m3 wird in einem bleifreien 10-pin-TDFN-Gehäuse mit einer Abmessung von 3mm x 3mm ausgeliefert. Mit dem System-Mikroprozessor kommuniziert er über eine Standard-Zweidrahtschnittstelle. Der Preis beträgt 1,24US$ (ab 10.000 Stück, FOB USA).

Traditionelle Ladezustandsmessschaltungen

Traditionelle Ladezustandsmessschaltungen für Li+-Batterien sind innerhalb des Batteriepacks untergebracht und benötigen eine Reihe externer Bauteile. Um die Ladung der Batterie zu ermitteln, nutzen die Überwachungsschaltkreise Coulomb-Zähler. Diese Technik hat ein Problem: Kleine ADC-Offset-Fehler akkumulieren sich ständig auf. Zur Verminderung der so entstehenden kumulativen Offset-Drift ist der Einsatz eines großen Strommesswiderstands erforderlich. Darüber hinaus muss die Batterie regelmäßig in die Betriebszustände "voll", "leer" und "standby" versetzt werden.

In einigen neueren Entwicklungen wurde die Batterie-Zustandsanzeige nicht mehr batterieseitig, sondern systemseitig implementiert. Dieser Ansatz verringert zwar die Systemkosten, nicht aber den Platzbedarf auf der Leiterplatte, denn nach wie vor wird hierzu ein voluminöser Strommessungswiderstand benötigt. Darüber hinaus sind die gegenwärtig verfügbaren Algorithmen zur Drift-Korrektur mit einer unerwünschten Nebenwirkung behaftet: Sie führen zu plötzlichen und sprunghaften Änderungen in der Ladezustands-Anzeige.

Das rührt daher, dass diese Algorithmen die Batteriespannung im Standby-Betrieb messen und Korrekturen vornehmen, denen das Verhältnis der Leerlaufspannung der Batterie (‚Open Cell Voltage‘ = OCV) zum Ladezustand (‚State Of Charge‘ = SOC) zugrunde liegt.

Die ModelGauge m3-Technik

Die ModelGauge m3-Technik überwindet die Limitierungen der Techniken zur Ermittlung des Ladezustands. Sie vereint die Kurzzeit-Genauigkeit und Linearität eines Coulomb-Zählers mit der Langzeitstabilität einer spannungsbasierten Ladezustandsanzeige. Der Algorithmus nimmt in kurzen Zeitabständen kleinste Korrekturen vor und vermeidet somit die abrupten Anzeigeänderungen, die in Coulomb-Zähler-Algorithmen sonst auftreten.

Da der ModelGauge m3-Algorithmus die Anfälligkeit gegenüber Offset-Fehlern des Analog-Digital-Wandlers für die Strommessung verringert, kommt der MAX17047 mit einem kleineren Strommesswiderstand aus, ohne dass dies die Genauigkeit der Ladezustands-Abschätzung beeinträchtigt. Der Chip führt darüber hinaus automatisch einen Ausgleich des Einflusses von Alter, Temperatur und Entladestrom auf die Messung durch.

Er zeigt die genaue verbleibende Batteriekapazität in mAh oder als SOC-Prozentwert an, ebenso die verbleibende Zeit bis zur vollständigen Entleerung der Batterie. Er passt sich Änderungen der Batterie aufgrund von Alterung und Verschleiß an, und gibt bei ungewöhnlichen Batteriezuständen ein Warnsignal aus. Der Chip stellt zwei Methoden zur Ermittlung des Alters- beziehungsweise Gesundheitszustands der Batterie zur Verfügung: Über die Verringerung der Kapazität und über einen Ladezykluszähler.

Der Baustein ermöglicht Präzisionsmessungen von Strom, Spannung und Temperatur. Zur Messung der Temperatur wird ein externer Thermistor eingesetzt, der durch ratiometrische Messungen über einen Hilfseingang unterstützt wird. Wird der Temperaturwert auf andere Weise zur Verfügung gestellt, so kann der System-Mikrocontroller diesen Wert auch direkt in den Chip schreiben.

Damit lassen sich der Thermistor sowie ein Widerstand und ein Kondensator als externe Beschaltung einsparen. Der Baustein wird in geeichtem Zustand ausgeliefert. Die ICs können systemseitig statt batterieseitig verbaut werden.

Vorteile für batteriebetriebene Geräte

Der MAX14047 kommt mit einem Versorgungsstrom von typ. 25µA aus. Dadurch steigert er sowohl die Laufzeit als auch die Standby-Zeit. Diese Single-cell-Batteriezustandsanzeige benötigt neben dem Strommesswiderstand an externer Beschaltung lediglich einen weiteren Widerstand und drei Kondensatoren. Die Anschlüsse für die Messung und für die Stromversorgung des Chips werden direkt mit der Batterie verbunden; ein zusätzlicher Spannungsregler wird nicht benötigt.

Das IC lässt sich durch die Verwendung eines externen Bufferverstärkers wie dem MAX9910 auch an Akku-Anwendungen mit Multicell-Serien-Konfiguration anpassen.

Überwachungs- und Alarmfunktionen sichern den zuverlässigen Betrieb. Ein programmierbarer Alert Indicator sendet bei Überschreiten kritischer Schwellen der Batteriespannung, des Ladezustands und der Temperatur eine Warnmeldung an den System-Mikrocontroller. So kann beispielsweise eine zu niedrige Batteriespannung erkannt und entsprechende Maßnahmen eingeleitet werden, bevor die Batterie leer ist. Dieses Feature verlängert die Batterielebensdauer, denn der System-Mikrocontroller kann länger im Sleep-Modus verbleiben, ohne durch ständiges Abfragen des Batteriestatus Energie zu verbrauchen.

Der MAX17047 kann das System im Falle ungewöhnlicher Batterietemperaturen warnen und damit zur Erhaltung der Betriebssicherheit und der Lebensdauer des Systems beitragen. Darüber hinaus kann der Chip das System davon in Kenntnis setzen, sobald eine Batterie eingesetzt oder entfernt wird, und das System elegant herauf- oder herunterfahren.