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Laden von Li-Ionen-Batterien

Energiequelle Batterie

9. Mai 2017, 11:19 Uhr | Pushek Madaan und Rajiv Badiger

Mit einer sorgfältig konzipierten Ladeschaltung können Systemkosten und die Abmessungen von Batterien reduziert werden. Ein herkömmlicher A/D-Wandler reicht aus, um ein CCCV-Ladeprofil zu implementieren.

Mit heute zunehmend mehr mobilen Geräten ist ein effizienter Einsatz von Batterien wichtig. Entwickler achten vor allem auf die Stromzufuhr des Geräts. Ein wichtiger Aspekt ist, den Energiebedarf der Endgeräte zu verringern, denn je länger eine Batterie hält, desto höher ist der empfundene Marktwert des Produkts. Gleichwohl ist auch die Batterie selbst zu beachten. Die Auswahl geeigneter Batterien ist von Bedeutung, da diese die Betriebsstunden mobiler Geräte festlegen. Außerdem beeinflussen Batterien Gewicht und Materialkosten der Endgeräte.

Implementierung eines Batterieladers

Neben der Verwendung geeigneter Batterien ist auch die korrekte Auslegung der Ladeschaltung entscheidend. Eine falsche Ladeschaltung kann die Lebensdauer der Batterie verringern oder zu ihrem Ausfall führen, dadurch können toxische Inhaltsstoffe auslaufen oder Batterien sogar explodieren.

Ladeschaltungen für Lithium-Ionen-Batterien (Li-Io-Batterien) laden nach dem CCCV-Verfahren: CC steht für Constant Current und CV für Constant Voltage. Der Ladevorgang hat mehrere Phasen (Bild 1), um die Batterie mit ihrer vollen Kapazität zu laden und Sicherheitsregeln einzuhalten. Das CCCV-Ladeprofil setzt sich aus folgenden Phasen zusammen:

Vorladen
Aktivieren
Konstantstrom
Konstantspannung

Der Ladevorgang beginnt mit dem Vorladen. In dieser Phase wird überprüft, ob die Batterie in einwandfreiem Zustand ist. Während des Vorladens beträgt die Stromzufuhr 5 bis 15 % der Batteriekapazität.

Ist die Batteriespannung bei einem Wert von mindestens 2,8 V, befindet sie sich in gutem Zustand und der Ladevorgang wird mit der Aktivierungsphase fortgesetzt. Der Strom ist dabei konstant. Sobald die Batteriespannung 3 V überschreitet, beginnt die Schnellladephase. Die Batterie wird dabei mit Konstantstrom geladen, dieser entspricht der Batteriekapazität oder ist kleiner. Die Schnellladephase wird solange fortgesetzt, bis die Ladeschlussspannung (4,2 V) oder das Zeitlimit des Ladevorgangs erreicht sind. Sobald die Ladeschlussspannung erlangt ist, schaltet das Programm auf Konstantspannung um. Der Ladestrom wird verringert. Diese Phase dauert im Vergleich zum Rest am längsten. Die Batterie ist voll geladen, wenn der Ladestrom niedriger ist als der »Ladeschlussstrom« (gewöhnlich 2 % der Batteriekapazität). Für jede Phase des Ladens gibt es aus Sicherheitsgründen ein eigenes Zeitlimit.

Um das CCCV-Verfahren zu implementieren, müssen die Batteriespannung und der Ladestrom stets bekannt sein. Da sich die Batterie während des Ladevorgangs erwärmt, muss auch die Temperatur der Batterie überwacht werden. Überschreitet die Temperatur einen vorgegebenen Grenzwert, nimmt die Batterie Schaden.