Auf einen Blick

Grob zusammengefasst besteht ein Energieversorgungssystem für mobile Geräte aus vier logischen Bausteinen, von denen jeder einzelne mit Intelligenz ausgestattet ist. Die Quelle, die Verteilung, der Verbrauch und die Wiederbeschaffung. Jeder der Blöcke enthält Hard- und Software. Die wichtigsten Anforderungen an ein mobiles, batteriebetriebenes Gerät sind neben Betriebsdauer, Gewicht und Größe auch Sicherheit, Lebensdauer und ungehinderter Zugang zu internationalen Märkten. In jedem der logischen Blöcke liegt Potenzial, um per Design den perfekten Kompromiss aus sich teils widersprechenden Anforderungen zu finden. Das Gesamtkonzept umfasst deshalb mehr als nur die wiederaufladbare Batterie.

Ein mobiles Gerät bezieht seine Energie sowohl aus der Netzversorgung als auch zeitweilig aus einem oder mehreren Batteriepacks. Klein und leicht soll die wiederaufladbare Batterie sein, gleichzeitig aber viel Energie bereitstellen. Diese beiden Anforderungen widersprechen sich. Eine Batterie besteht aus einer oder mehreren Zellen. Es gibt unterschiedliche chemische Verfahren, wie diese Zellen aufgebaut werden können. Geht es jedoch um die Energiedichte pro Zelle, dann ist die Lithium-Ionen-Technologie allen anderen chemischen Zellaufbauten weit überlegen.

Hohe Energiedichte

Damit aus der Grundeinheit Zelle eine einsatzfähige, betriebssichere, wiederaufladbare Batterie mit gewünschter Leistung ensteht, schaltet der Batteriehersteller mehrere Zellen parallel und/oder in Reihe zusammen. Die RRC2054 beispielsweise besteht aus vier in Serie geschalteten Zellen. Man spricht dann von einer 4S/1P-Konfiguration. Eingebaute Sensoren und ein Mikrocontroller machen daraus eine intelligente Smart Battery. Ein extern angeschlossenes Powermanagement kann über den SMBus Statusinformationen und batteriespezifische Daten abrufen. Alle kritischen Ereignisse werden in einem Datenlogging festgehalten und können im Garantiefall oder zur Analyse ausgewertet werden. Das interne Design der Batterie legt nicht nur Kapazität und Leistung fest, es hat auch Einfluss auf die spätere Betriebssicherheit. Die Batterien von RRC unterstützen beispielsweise auch eine Authentifizierung, wodurch sichergestellt werden kann, dass ausschließlich vom Gerätehersteller freigegebene Batterietypen in der Applikation genutzt werden. Neben den elektrischen Fakten entscheiden Fertigungsqualität des Batteriepacks und verfügbare Zulassungen über eine erfolgreiche internationale Vermarktung.

Bild 1: Blockdiagramm der Batterie RRC2054.

Bild 1: Blockdiagramm der Batterie RRC2054.RRC

Tiefentladung verhindern

Viel Energie auf engem Raum kann gefährlich werden. Extreme Tiefentladung führt zu kristallinen Strukturen in der Zellchemie, die die Isolation beschädigen können. Im schlimmsten Fall könnte die Zelle explodieren. RRC verhindert durch eine interne Spannungsüberwachung die Tiefentladung in zwei Stufen. Unterschreitet die Spannung eine erste Schwelle, schaltet die interne Elektronik die Batterie ab und gibt ihr Zeit, sich zu erholen. Diese Abschaltung ist reversibel. Hingegen bleibt der Batteriepack irreversibel abgeschaltet, wenn die Spannung eine weitere, tiefere Schwelle unterschreitet. Mit diesem Fail-Safe-Verhalten schützt sich der Batteriepack zur Not selbst vor der Zerstörung. Weitere interne Schutzschaltungen bewahren die Batterie vor Schaden durch zu hohe Ströme, Überspannungen, Kurzschluss, Verpolung oder Überhitzung. Der Ladestrom kann in Abhängigkeit der Temperatur begrenzt werden. Doch idealerweise verhindert ein kluges Powermanagement kritische Situationen bereits, bevor die Batterie als letzte Instanz eingreifen muss. Von Zeit zu Zeit kann sich die Batterie selbst kalibrieren und bewahrt sich dadurch eine gültige Kapazitätsreferenz für die internen Messwerte. Die prozentuale Kapazitätsanzeige kalibriert sich damit auch wieder auf 100 Prozent.

Standardpacks in sehs Formfaktoren

Die Standardpacks sind zur Zeit in sechs verschiedenen Formfaktoren für alle relevanten Zulassungen zertifiziert. Zu den Prüfungen gehören unter anderem Fall-, Vibrations-, Schlag- und Knicktests sowie Tests zur elektromagnetischen Verträglichkeit. Als Minimum muss ein Batteriepack den UN-Transport-Test bestehen, damit er überhaupt ohne Gefahrgutdeklaration verschickt werden darf. Außerdem besitzen die Batteriepacks die spezielle UL-Komponentenzulassung für die USA und Kanada, die PSE-Zulassung für Japan, die RCM-Zulassung für Australien und Neuseeland. Derzeit gerade in Arbeit sind die KC-Zulassung für Korea und die EAC-Zulassung für die Russische Föderation. Eingehalten werden selbstverständlich RoHS, REACH und Recyclingverordnungen sowie die elektrische Sicherheit nach IEC62133. Die CE-Erklärung ist verpflichtend. Zertifizierungen sind teuer und die RRC-Batteriepacks erfüllen weit mehr Anforderungen und Regularien als gemeinhin üblich. Doch die Kosten für die Zulassungstests verteilen sich bei den Standardpacks auf große Mengen und fallen beim Gesamtpreis nicht mehr ins Gewicht. Verteilen sich die anfallenden Einmalkosten für Design- und Zulassungsprozedere auf eine hinreichend große Applikationsstückzahl, werden auch kundenspezifisch aufgebaute Batteriepacks gebaut.

Dynamisch Lasten und Ströme verteilen

Der Smart-Battery-Manager (SBM) wandelt die Spannung der Netzversorgung oder des Batteriepacks in verschiedene Spannungslevel für die Applikation. Verfügt das Gerät über mehr als eine Batterie oder wird es zusätzlich vom Netz versorgt, verteilt der SBM nach Anweisung des internen Mikrocontrollers dynamisch Lasten und Ströme. Damit Gerätehersteller schnell ein mobiles Gerät entwickeln können, hat Congatec mit dem Modul SBM3 ein Referenzdesign geschaffen, das bis zu zwei Batteriepacks in den Konfigurationen 2S bis 4S unterstützt. Das SBM3 ist Teil des neuen Qseven-Starterkits für mobile Embedded-Anwendungen. Das vollständige Batterie-Management-Subsystem wurde für die Low-Power-COM-Express-Module und Qseven-Module entwickelt. Dimensioniert ist das Modul für Eingangsspannungen von 8 bis 30 V und deckt damit alle gängigen Eingangsbereiche ab. Für die Applikation wandelt es die Eingangsspannung in 12 und zweimal 5 V. Im SBM3-Development-Licence-Kit werden alle Informationen und Unterlagen zur Verfügung gestellt. So können OEMs ihre Geräte applikationsspezifisch und kostenoptimiert auslegen. Wird beispielsweise die hohe Eingangsspannung von 30 V nicht benötigt, lassen sich durch angepasste Hardware-Dimensionierung bis zu einem Drittel Kosten sparen.

Kommunikation zwischen SBM3 und Carrierboard

Das SBM3 enthält den 32-Bit-ARM-STM32F100-Mikrocontroller. Dieser kommuniziert sowohl mit der Batterie als auch mit dem Onboard-Controller des CoM-Boards und ist Teil der logischen Schnittstelle zwischen dem Powermanagement des Betriebssystems mit ACPI (Advanced Configuration and Power Interface) -Support (zum Beispiel Windows oder Linux) und der physikalischen Hardware. Powermanagement-Funktionen und board­spezifische Konfigurationen waren vor Einführung von ACPI traditionell im BIOS implementiert. BIOS-Lösungen waren limitiert auf statische Hardware-Konfigurationen. Der Trend geht immer mehr weg von Advanced-Power-Management (APM) oder BIOS-Implementierungen hin zu ACPI-kompatiblen Betriebssystemen. Durch die Implementierung von ACPI lässt sich jede Art von Computersystem zu vertretbaren Kosten mit Konfigurations- und Powermanagementfunktionen ausstatten, die zuvor sehr hardwarenah im BIOS lagen. Dadurch hat nun die Applikation selbst über das Betriebssystem Zugriff auf diese Managementfunktionen.

Intelligente Last- und Ladeverteilung

Manche industriellen Geräte enthalten zwei Batterien. Die zweite könnte eine kleine Backupbatterie sein, die das System beim Auswechseln der Hauptbatterie versorgt oder eine redundante Batterie mit ähnlich hoher Kapazität, auf die umgeschaltet werden kann. Ist mehr als eine Batterie im Gerät vorhanden, stellt sich die Frage: Welche der beiden soll aktuell geladen oder entladen werden? Oder sind beide gemeinsam als Energieversorgung vorgesehen? SBM3 unterstützt duales Laden und Entladen und verteilt nach Software-Vorgabe die Ströme. Das System reagiert hinreichend schnell, wenn eine Batterie entfernt wird, es konfiguriert sich dynamisch und stellt den kontinuierlichen Betrieb sicher.

Als ein Schlüsselelement des Powermanagements ist das ACPI in das Betriebssystem eingebunden und kommuniziert mit dem Smart-Battery-Manager. Über definierte Power States steuert das Powermanagement im ACPI den Gesamtenergieverbrauch. Einzelne Komponenten wie I/O oder HD können gezielt über Device Power States abgeschaltet werden, die S-States definieren unterschiedliche Level von Sleep-Modi und mit den C-States wird die CPU-Leistung reguliert. Die Kommunikation mit dem Batterie-Subsystem erfolgt wie in kommerziellen Notebooks auch über sogenannte Control-Methoden im ACPI-BIOS. Aus diesem Grund bezeichnet man eine derart realisierte Batterielösung als CMB, Control Method Battery. Das Softwareinterface zum Batteriesystem besteht aus einzelnen ACPI-Funktionen, den Control Methods. Die beiden wichtigsten sind dabei _BIF (Battery Information) und _BST (Battery Status). _BIF gibt die statischen Batteriedaten, wie zum Beispiel Seriennummer, Design Voltage und Modelnummer an das ACPI OS weiter. _BST liefert die sich dynamisch ändernden Batteriedaten wie Ladezustand und verbleibende Kapazität. Diese Methoden sind im ACPI-BIOS entsprechend implementiert und sorgen somit für das Bindeglied zwischen Betriebssystem und Batterie-Hardware. Zudem bedarf es eines Eventhandlers welcher zeitgerecht auf sich ändernde Batteriezustände reagiert. Auch dieser Handler ist im ACPI-BIOS implementiert und informiert das Betriebssystem über jede Änderung im Batterie-Subsystem. Ein Beispiel hierfür ist das An- beziehungsweise Abstecken des Netzadapters, was innerhalb weniger Sekunden zu einem Update des Stromversorgungs-Icons in der Windows-Statusleiste führen sollte.

Bild 2: Blockdiagramm zur Funktion des SBM3, Carrierboards und Computermoduls.

Bild 2: Blockdiagramm zur Funktion des SBM3, Carrierboards und Computermoduls.Congatec

Auch die Ladeschaltung enthält Intelligenz. Dabei ist es nur eine Teilaufgabe, die passenden Ladeströme für den entsprechenden Batterietyp zu liefern. Je nach Temperatur, Batteriezustand und Lastaufkommen entscheidet die Ladeschaltung in Zusammenarbeit mit dem SBM, wie hoch die Ströme sein müssen und wie lange sie fließen. Dabei stützt sich der SBM auf Informationen aus der Batterie über Ladezustand und innere Temperatur. Auch die Entscheidung, ob mehrere Batterien sequenziell oder parallel geladen werden müssen, hängt vom Einsatzfall ab. Die Anforderung an die Ladeschaltung ist ähnlich widersprüchlich wie an den Batteriepack: leistungsfähig, und dabei klein und leicht.

Die Betriebsdauer eines mobilen Gerätes hängt von der Kapazität des Akkus, dem Verbrauch des Gerätes und dem Gesamtkonzept des Powermanagements ab. Für jede Applikation sieht die optimale Lösung dabei anders aus. So wird beispielsweise ein Notarzt das mobile Gerät nach dem Einsatz sofort wieder an das Ladegerät im Rettungswagen oder Rettungshubschrauber hängen, wo es sich schnell auflädt. Wahrscheinlich wird es mit Maximalstrom geladen, damit die Ladezeit kurz ist. Der Fokus liegt auf Einsatzbereitschaft, die Batterielebensdauer ist zweitrangig. Der Batteriepack muss hohe Ströme aushalten können, die Größe des Ladegerätes ist von untergeordneter Bedeutung. Denkbar sind Lösungen mit einer zweiten, redundanten Batterie, die im Notfall als Backup die Versorgung übernimmt.

Im Gegensatz dazu nutzt der Servicetechniker sein mobiles Messgerät kontinuierlich während des gesamten Arbeitstages. Denkbar wäre hier ein batteriegepufferter Austausch des Akkus. Das Messgerät hängt nach Feierabend an der Ladeschaltung, wo es mit geringen Strömen batterieschonend langsam geladen werden kann. Der Hauptbatteriepack braucht eine hohe Kapazität, die Pufferbatterie hingegen kommt mit einer vergleichsweise geringen Kapazität aus. Das mobile Ladegerät muss klein und leicht sein.

Die richtige Batterie finden

Einfach nur die Batteriepacks entsprechend groß oder gar überdimensioniert zu planen, wäre zu teuer, zu schwer und zu voluminös. Es gilt also, einige Fragen im Vorfeld zu klären. Welcher Batteriepack ist geeignet? Wie muss er dimensioniert sein? Wie viele Akkus soll das Gerät enthalten? Wie sieht das Powermanagement-Konzept zum gezielten Stromsparen aus? Welche Teile der Hardware können temporär abgeschaltet werden? Wie tief dürfen eine Funktion oder Teile des Systems „schlafengelegt“ werden, Stichwort Sleep-Modi oder D-States? Welches Ladekonzept passt zur Anwendung? Aus den Antworten entsteht das Gesamtkonzept zur Energieversorgung des Gerätes. Allgemeingültige Lösungen gibt es nicht.

Bild 4: Mobility-Starterkit mit kompletter Hardware (SBM3, Batteriepack RCC, CoM, Carrierboard, Display und Kabelsatz) zur schnellen Evaluierung.

Bild 4: Mobility-Starterkit mit kompletter Hardware (SBM3, Batteriepack RCC, CoM, Carrierboard, Display und Kabelsatz) zur schnellen Evaluierung.Congatec

Fazit

Batterien sind aus Sicht des Geräteherstellers eher ein Nebenschauplatz. Doch am Erfolg eines Gerätes hat eine klug gewählte und optimal dimensionierte Energieversorgung großen Anteil. Die Technologie der Zellchemie entwickelt sich weiter. Der Trend geht zu noch leistungsstärkeren Batteriepacks, die ähnlich wie die Power-Tool-Zellen eines Akkuschraubers hohe Ströme mit großer Kapazität verbinden. Diese neuen Technologien erfordern spezielles Know-how. Die Zusammenarbeit von RRC und Congatec bündelt das mobile Embedded-Know-how. Gemeinsam unterstützt man die kundenspezifische Applikation. Mit den CoMs von Congatec konzentriert sich der Gerätehersteller auf die applikationsspezifische Hard- und Software. Mit dem Mobility Starterkit von Congatec und RRC ist zügig ein Laboraufbau möglich. Im weiterführenden Integrationskit werden alle Schaltpläne, Sourcefiles des Mikrocontroller-Programms sowie eine komplette Entwicklungsdokumentation bereit­gestellt.