Leitfaden für Konstrukteure zum Laden von Lithium (Li-Ion)-Batterien
Die Vorteile von Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion-Batterien) haben ihre Position als primäre Energiequelle für tragbare Elektronik zementiert, trotz des einen Nachteils, bei dem die Entwickler die Laderäte begrenzen müssen, um die Zelle nicht zu beschädigen und eine Gefährdung zu vermeiden. Glücklicherweise sind die heutigen Lithium-Ionen-Batterien robuster und können mit “Schnelllade”-Techniken wesentlich schneller geladen werden.
In diesem Artikel werden die Entwicklungen bei Lithium-Ionen-Batterien, der optimale Ladezyklus der Elektrochemie und einige Schnellladeschaltungen näher betrachtet. Der Artikel erläutert auch die Nachteile der Beschleunigung des Ladevorgangs und ermöglicht es den Ingenieuren, eine fundierte Entscheidung über ihr nächstes Ladegerätedesign zu treffen.
Das Konzept hinter Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion-Batterien) ist einfach, aber es bedurfte immer noch vier Jahrzehnte Anstrengung und viel Forschungsaufwand, um die Technologie zu entwickeln, die heute die Mehrzahl der heutigen tragbaren Produkte zuverlässig versorgt.
Die ersten Zellen waren zerbrechlich und anfällig für Überhitzung während des Ladevorgangs, aber durch die Entwicklung wurden diese Nachteile überwunden. Nichtsdestotrotz muß das Wiederaufladen immer noch nach einem präzisen Schema erfolgen, das die Ladeströme begrenzt, um sicherzustellen, daß die volle Kapazität erreicht wird, ohne daß es zu einer Überladung mit dem damit verbundenen Risiko einer dauerhaften Schädigung kommt. Die gute Nachricht ist, daß die jüngsten Entwicklungen in der Materialwissenschaft und Elektrochemie die Mobilität der Ionen der Zelle erhöht haben. Die größere Mobilität erlaubt höhere Ladeströme und beschleunigt den “Konstantstrom”-Teil des Ladezyklus.
Dank dieser Entwicklungen können Smartphones, die mit der neuesten Generation von Li-Ionen-Batterien ausgestattet sind, in 20 bis 30 Minuten von etwa 20% auf 70% Kapazität aufgeladen werden. Eine kurze Batterieauffrischung auf eine Dreiviertelkapazität spricht zeitkritische Verbraucher an und eröffnet einen Marktsektor für Ladegeräte, die eine Schnellladung sicher unterstützen können. Die Chip-Hersteller haben darauf reagiert und bieten Designern ICs an, die verschiedene Ladesätze ermöglichen, um die Batterieauffüllung für Li-Ionen-Zellen zu beschleunigen. Schnelleres Aufladen ist das Ergebnis, aber wie immer muß ein Kompromiß eingegangen werden.
Verbesserungen der Leistung von tragbaren Geräten
Li-Ionen-Zellen basieren auf Interkalkulationsverbindungen. Die Verbindungen sind Materialien mit einer geschichteten kristallinen Struktur, die es den Lithiumionen ermöglichen, aus den Schichten zu migrieren oder sich zwischen den Schichten aufzuhalten. Bei der Entladung einer Lithium-Ionen-Batterie wandern die Ionen von der negativen Elektrode durch einen Elektrolyten zur positiven Elektrode, wodurch sich die Elektronen in entgegengesetzter Richtung um den Schaltkreis bewegen, um die Last zu versorgen. Sobald die Ionen in der negativen Elektrode verbraucht sind, hört der Strom auf zu fließen. Das Aufladen der Batterie zwingt die Ionen, sich zurück über den Elektrolyten zu bewegen und sich in die negative Elektrode einzubetten, um für den nächsten Entladezyklus bereit zu sein (Abbildung 1).
Abbildung 1: In einer Lithium-Ionen-Batterie bewegen sich die Lithium-Ionen von einer Einlagerungsverbindung zur anderen, während Elektronen durch den Stromkreis fließen, um die Last anzutreiben. (Bildquelle: Digi-Key)
Heutige Zellen verwenden für die positive Elektrode Einlagerungsverbindungen auf Lithium-Basis, wie z.B. Lithium-Kobalt-Oxid (LiCoO2), da es viel stabiler als hochreaktives reines Lithium und damit wesentlich sicherer ist. Für die negative Elektrode wird Graphit (Kohlenstoff) verwendet.
Diese Materialien sind zwar zufriedenstellend, aber die Dinge sind nicht perfekt. Jedes Mal, wenn die Ionen verschoben werden, reagieren einige von ihnen mit der Elektrode, werden zu einem intrinsischen Teil des Materials und gehen so bei der elektrochemischen Reaktion verloren. Infolgedessen wird die Versorgung mit freien Ionen allmählich erschöpft und die Lebensdauer der Batterie nimmt ab. Schlimmer noch, jeder Ladezyklus verursacht eine volumetrische Ausdehnung der Elektroden. Dies belastet die kristalline Struktur und verursacht mikroskopische Schäden, die die Fähigkeit der Elektroden zur Aufnahme freier Ionen vermindern. Dadurch wird die Anzahl der Wiederaufladezyklen begrenzt.
Die Behebung dieser Schwächen stand im Mittelpunkt der jüngsten Forschung an Lithium-Ionen-Batterien, mit dem primären Ziel, mehr Lithium-Ionen in die Elektroden zu packen, um die Energiedichte, definiert als Energie pro Volumen- oder Gewichtseinheit, zu erhöhen. Dies erleichtert es den Ionen, sich in die Elektroden hinein und aus den Elektroden heraus zu bewegen, und erleichtert den Durchgang der Ionen durch den Elektrolyten (d.h. Verbesserung der Ionenbeweglichkeit).
Die Ladezeit (für einen bestimmten Strom) wird letztlich durch die Kapazität der Batterie bestimmt. Zum Beispiel benötigt ein 3300-mAh-Smartphone-Akku etwa doppelt so lange zum Aufladen wie ein 1600-mAh-Akku, wenn beide mit einem Strom von 500 mA geladen werden. Um dies zu berücksichtigen, definieren die Ingenieure die Laderaten in Form von “C”, wobei 1 C dem maximalen Strom entspricht, den der Akku eine Stunde lang liefern kann. Zum Beispiel im Falle eines 2000-mAh-Akkus ist C = 2 A. Dieselbe Methode gilt für das Laden. Das Anlegen eines Ladestroms von 1 A an eine 2000-mAh-Batterie entspricht einer Rate von 0,5 C.
Daraus scheint zu folgen, daß eine Erhöhung des Ladestroms die Aufladezeit verkürzt. Das stimmt, aber nur bis zu einem gewissen Grad. Erstens haben die Ionen eine endliche Mobilität, sodaß eine Erhöhung des Ladestroms über einen bestimmten Schwellenwert hinaus sie nicht schneller verschiebt. Stattdessen wird die Energie tatsächlich in Form von Wärme abgeführt, wodurch die Innentemperatur des Akkus steigt und die Gefahr einer dauerhaften Schädigung besteht. Zweitens bewirkt ein uneingeschränktes Aufladen mit einem hohen Strom schließlich, daß so viele Ionen in die negative Elektrode eingebettet werden, daß die Elektrode zerfällt und die Batterie zerstört wird.
Jüngste Entwicklungen haben die Ionenbeweglichkeit der neuesten Lithium-Ionen-Zellen erheblich verbessert, sodaß ein höherer Ladestrom verwendet werden kann, ohne die Innentemperatur gefährlich zu erhöhen. Aber selbst bei den modernsten Produkten besteht immer noch die Gefahr einer Überladung, da diese eine direkte Folge der physikalischen Beschaffenheit der Zelle ist. Folglich schreiben die Hersteller von Lithium-Ionen-Batterien ein strenges Laderegime vor, um ihre Produkte vor Schäden zu schützen.
Tut es sorgfältig
Das Laden von Lithium-Ionen-Batterien folgt einem Profil, das Sicherheit und eine lange Lebensdauer ohne Leistungseinbußen gewährleisten soll (Abbildung 2). Wenn eine Lithium-Ionen-Batterie tiefenentladen wird (z.B. auf unter 3 V), wird eine kleine “Vorkonditionierungs”-Ladung von etwa 10 % des Vollladestroms angewendet. Dadurch wird verhindert, daß sich die Zelle so lange überhitzt, bis sie in der Lage ist, den vollen Strom der Konstantstromphase aufzunehmen. In Wirklichkeit wird diese Phase nur selten benötigt, da die meisten modernen Mobilgeräte so konstruiert sind, daß sie sich abschalten, solange noch etwas Ladung vorhanden ist, da eine Tiefentladung, wie eine Überladung, die Zelle beschädigen kann.
Abbildung 2: Li-Ionen-Ladeprofil unter Verwendung der Konstantstrommethode, bis die Batteriespannung 4,1 V erreicht, gefolgt von einem ‘Aufladen’ unter Verwendung der Konstantspannungstechnik. (Bildquelle: Texas Instruments)
Dann wird die Batterie typischerweise mit einem konstanten Strom von 0,5 C oder weniger geladen, bis die Batteriespannung 4,1 oder 4,2 V erreicht (abhängig von der genauen Elektrochemie). Wenn die Batteriespannung 4,1 oder 4,2 V erreicht, schaltet das Ladegerät in eine “Konstantspannungs”-Phase, um eine Überladung zu vermeiden. Bessere Batterieladegeräte schaffen den Übergang von Konstantstrom zu konstanter Spannung reibungslos, um sicherzustellen, daß die maximale Kapazität erreicht wird, ohne eine Beschädigung der Batterie zu riskieren.
Durch Aufrechterhaltung einer konstanten Spannung wird der Strom allmählich reduziert, bis er etwa 0,1 C erreicht, woraufhin die Ladung beendet wird. Wenn das Ladegerät mit der Batterie verbunden bleibt, wird eine periodische Aufladung vorgenommen, um der Selbstentladung der Batterie entgegenzuwirken. Die Nachladeladung wird typischerweise eingeleitet, wenn die Ruhespannung der Batterie auf weniger als 3,9 bis 4 V abfällt, und endet, wenn die Vollladespannung von 4,1 bis 4,2 V wieder erreicht ist.
Wie bereits erwähnt, verkürzt eine Überladung die Lebensdauer der Batterie erheblich und ist potenziell gefährlich. Sobald sich die Ionen nicht mehr bewegen, wird der größte Teil der an die Batterie angelegten elektrischen Energie in Wärmeenergie umgewandelt. Dies führt zu einer Überhitzung, die aufgrund des Ausgasens des Elektrolyten zu einer Explosion führen kann. Aus diesem Grund fordern die Batteriehersteller eine präzise Steuerung und geeignete Sicherheitsmerkmale der Ladegeräte.
Eine Unterladung ist zwar nicht gefährlich, kann aber auch eine nachteilige Auswirkung auf die Batteriekapazität haben. Zum Beispiel kann eine Unterladung von nur 1% die Batteriekapazität um etwa 8% verringern (Abbildung 3).
Abbildung 3: Eine Unterladung um nur Bruchteile eines Prozents kann die Kapazität von Lithium-Ionen-Batterien erheblich verringern. Aus diesem Grund ist es wichtig, daß die Endspannung während der Ladung genau gemessen wird.
Aus diesen Gründen sollte das Ladegerät die Endspannung auf ±50 mV von 4,1 oder 4,2 V genau kontrollieren und in der Lage sein, zu erkennen, wann die Batterie vollgeladen ist. Zu den Erkennungsmethoden gehören die Bestimmung, wann der Strom während der Konstantspannungsstufe auf 0,1 C abfällt, und bei einfacheren Ladegeräten, das Laden nur für eine vorbestimmte Zeit und unter der Annahme, daß die Batterie voll geladen ist. Viele Ladegeräte verfügen auch über Einrichtungen zur Bestimmung der Batterietemperatur, sodaß der Ladevorgang beendet werden kann, wenn ein Schwellenwert überschritten wird. [1]
Beschleunigte Aufladung
Da die neueste Generation von Batterien eine höhere Ionenmobilität aufweist, ist ein schnelleres Laden ohne die Gefahr einer Überhitzung möglich. Chip-Hersteller haben bisher eine breite Palette integrierter Lösungen für das Management von Lithium-Ionen-Batterien angeboten, um das Design von Ladegeräten zu vereinfachen. Jetzt bieten sie auch Silizium an, das es den Ingenieuren ermöglicht, Produkte zu entwerfen, die die Vorteile des schnelleren Ladens während der Konstantstromphase nutzen. (Beachten Sie bitte, daß es keine von der Industrie akzeptierte Definition einer “schnellen oder schnelleren Ladung” für eine Lithium-Ionen-Batterie gibt. Vielmehr wird der Begriff qualitativ auf jedes Ladekonzept angewandt, das die Ladung im Vergleich zu einer “typischen” 0,5 C-Laderate beschleunigt).
Maxim Integrated bietet zum Beispiel seinen MAX8900A an, ein Ladegerät, das auf einem Schaltnetzteil mit Abwärtsregelung (“Buck”) basiert. Der Baustein kann bis zu 1,2 A aus einer Versorgung von 3,6 bis 6,3 V liefern, wobei der Entwickler die Ladeparameter mit externen Komponenten anpassen kann.
Beispielsweise kann der Entwickler eine Konstantstrom-Schnellladung implementieren, sobald die Batteriespannung die Vorkonditionierungsspannung übersteigt und bis die Spannung 4,2 V erreicht. Der maximale Schnellladestrom wird durch den Widerstand zwischen dem SETI -Pin und Masse bestimmt (siehe Abbildung 4).
Abbildung 4: Der Ladestrom in der Konstantstromphase beim Laden von Lithium-Ionen-Batterien, den der MAX8900 von Maxim Integrated liefert, kann mit dem hier unten in der Mitte dieser Anwendungs-Schaltung gezeigten SETI -Widerstand eingestellt werden. (Diagramm gezeichnet mit Digi-Key Scheme-it, basierend auf einem Originalbild mit freundlicher Genehmigung von Maxim Integrated)
Zum Beispiel für RSETI = 2,87 kΩ beträgt der Schnellladestrom 1,186 A und für RSETI = 34 kΩ beträgt der Strom 0,1 A. Abbildung 5 zeigt, wie der Ladestrom mit RSETI variiert. Maxim bietet ein praktisches Entwicklungskit für den MAX8900A an, das es dem Konstrukteur ermöglicht, mit Komponentenwerten zu experimentieren, um deren Auswirkungen nicht nur auf die Konstantstrom-Laderate, sondern auch auf die Laderaten in anderen Teilen des Ladezyklus zu untersuchen.
Abbildung 5: Variation des Ladestroms in der Konstantstromphase beim Laden einer Lithium-Ionen-Batterie, die vom MAX8900 mit RSETI-Widerstandswert geliefert wird.
Im MAX8900 sind einige Schutzvorrichtungen eingebaut, um sicherzustellen, daß die Batterietemperatur während der Schnellladung nicht gefährlich ansteigt. Diese entsprechen den Spezifikationen der Japan Electronics and Information Technology Industries Association (JEITA) für das sichere Laden von Lithium-Ionen-Batterien. Bei Lithium-Ionen-Batterien mit einer Temperatur zwischen 0 und 15°C wird der Schnellladestrom auf 50% seiner programmierten Rate begrenzt, und wenn die Batterietemperatur über 60°C ansteigt, wird der Strom ganz abgeschaltet, bis die Temperatur auf ein sicheres Niveau fällt. Der Chip selbst ist durch ein thermisches Foldback geschützt, das den Ladestrom auf 25% des maximalen Niveaus begrenzt, wenn die Innentemperatur 85°C übersteigt.
Maxim Integrated ist nicht der einzige Anbieter, der den Entwicklern Flexibilität bei der Wahl der Schnell-Laderate bietet. Das Schaltladegerät MC32BC3770 von NXP Semiconductors bringt Kontrolle in das Laderegime, indem es dem Entwickler ermöglicht, nicht nur die Betriebsparameter über eine I²C-Schnittstelle einzustellen, sondern neben dem Schnellladestrom auch den Ladestrom, die Batterieregulierungsspannung, den Vorladestrom, die Schnellladeschwelle und die Spannung der Ladungsreduktionsschwelle einzustellen.
Der Schnellladestrom selbst ist von 100 bis 2000 mA programmierbar, mit einer Standardeinstellung von 500 mA. Aus Sicherheitsgründen wird der Schnellladestrom immer durch die Einstellung der Eingangsstrombegrenzung begrenzt. Der MC32BC3770 kann mit einer Eingangsspannung von bis zu 20 V betrieben werden und verfügt über einen einzigen Eingang für USB und einen Zweiwege-Ausgang zum Einschalten eines Geräts, wenn der Akku vollständig entladen ist.
Der FAN5400 von Fairchild Semiconductor ermöglicht es dem Entwickler außerdem, die Laderaten und Betriebsmodi des Chips über eine I²C-Schnittstelle zu programmieren. Bei dem Gerät handelt es sich um ein USB-kompatibles Batterieladegerät, das auf einem Schaltnetzteil basiert, das über einen 6-V-Eingang (max.) betrieben wird und bis zu 1,25 A Ladestrom bietet.
Der FAN5400 wurde entwickelt, um die Ladezeit zu minimieren und gleichzeitig die USB-Konformität zu gewährleisten. Der Entwickler kann sowohl den maximalen Ladestrom als auch die Stromschwelle wählen, um den Ladevorgang während der Konstantspannungsphase über einen I²C-Host zu beenden. Zu den Sicherheitsfunktionen gehört ein Timer, der den Strom abschaltet, wenn der Ladezyklus eine voreingestellte Dauer überschreitet, und der Ladestrom wird begrenzt, wenn die Temperatur des Chips 120°C übersteigt.
Texas Instruments bietet seinerseits den bq25898 an, einen Switch-Mode-Batterielademanagement-Baustein, der eine Schnellladung mit hoher Eingangsspannung unterstützt. Der Baustein kann eine Eingangsspannung von bis zu 12 V aufnehmen und eine Ausgangsspannung von bis zu 4 A erzeugen. Damit eignet er sich zum Laden der Akkus mit größerer Kapazität in der neuesten Generation von Smartphones und Tablets.
Ähnlich wie die Lösungen von NXP Semiconductors und Fairchild Semiconductor wird der bq25898 über eine serielle I²C-Schnittstelle konfiguriert, über die der Entwickler den Ladestrom und die minimale Systemspannung einstellen kann. Zu den Sicherheitsfunktionen gehören Batterietemperaturüberwachung, ein Ladetimer und Überspannungsschutz.
Schnelllade-Kompromiß
Der Konstrukteur sollte sich des Kompromisses bewußt sein, der mit einer Schnellladung einhergeht: je schneller die Ladung, desto geringer die Kapazität, wenn die Batterie auf den relativ langsamen Konstantspannungsteil des Laderegimes umschaltet. Beispielsweise führt das Laden bei 0,7 C zu einer Kapazität von 50 bis 70 Prozent, wenn 4,1 oder 4,2 V erreicht werden, während das Laden bei weniger als 0,2 C zu einer vollen Batterie führen kann, sobald die Spannung 4,1 oder 4,2 V erreicht. Mit anderen Worten, wenn der Verbraucher eine schnelle Auffrischung von z.B. 25 bis 50 Prozent benötigt, ist eine Schnellladung ideal, aber wenn der Verbraucher gewöhnlich für eine vollständige Aufladung einsteckt, ist es normalerweise schneller, dies bei einer bescheidenen Laderate von 0,5 C zu tun als bei einer Schnellladungsrate von 1 C oder mehr, was dann ein längeres, relativ langsames “Nachladen” erforderlich macht.
Der andere Kompromiß besteht darin, daß die durch das Schnellladen erzeugte erhöhte Innentemperatur – auch wenn sie unter dem vom Hersteller einer bestimmten Li-Ionen-Zelle festgelegten “sicheren” Schwellenwert liegt – leichte Schäden verursachen könnte, die letztlich zu einer verringerten Kapazität und weniger Ladezyklen führen. Da Verbesserungen in der Batterietechnologie die Robustheit der Zellen erhöhen, müßten die Schnellladezyklen jedoch extrem sein, um die Lebensdauer der Batterie auf weniger als die “nützliche” Existenz des tragbaren Produkts zu reduzieren (definiert als die Zeit zwischen dem Kauf des Produkts durch den Verbraucher und dem Ersatz durch ein neueres Modell).
Schlußfolgerung
Während einige neuartige Batterietechnologien im Labor entwickelt werden, wird die Li-Ionen-Zelle wohl noch einige Zeit lang das wichtigste Energiespeichermedium für tragbare Produkte sein. Als solche wird die Technologie weiterhin einer intensiven Entwicklung unterzogen werden, wobei ihre Nachteile angegangen werden müssen. Die Ionenmobilität gehört zu diesen Schwachstellen und wird sich wahrscheinlich sogar im Vergleich zur neuesten Generation von Batterien verbessern – was zu einem schnelleren Aufladen bei konstantem Strom führt.
Konstrukteure können die Vorteile eines schnelleren Ladevorgangs nutzen, indem sie sich für einen Batteriemanagementchip entscheiden, der ihnen Flexibilität bei der Auswahl ermöglicht.
Referenz:
[1] “Entwicklung erschwinglicher Mixed-Signal-Leistungssysteme für Batterieladegeräte-Anwendungen – Developing Affordable Mixed-Signal Power Systems for Battery Charger Applications,” Terry Cleveland, Scott Dearborn, Microchip Technology Inc.