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Die wichtigsten acht Punkte bei der Auswahl der Energieversorgung für IoT-Produkte : Ausgabe 11-12/2016, 07.07.2016

Checkliste schützt vor Überraschungen

Bei Neuentwicklungen von batteriebetriebenen Geräten wird der benötigten Energieversorgung oft zu wenig oder zu spät Aufmerksamkeit geschenkt. Besonders heute in Zeiten des IoT bzw. des IIoT, wo viele mobile Gadgets – sprich Wearables – und mobile, funkbasierte Systeme und Geräte entwickelt werden.

Autor: Renata SA, Text und Bilder

Die Entwicklung der elektrochemischen Batterietechnologien hat sich seit den Anfängen um 1780 durch den italienischen Arzt Luigi Galvani nicht im gleichen Tempo weiterentwickelt wie die Halbleiterindustrie mit ihrem Moore­schen Gesetz. Die wesentlichen Grundlagen der Primär- und Sekundärzellen sind längstens erforscht. Die zentralen Spannungsreihen sind bekannt. Daraus scheint sich mitunter eine trügerische Sicherheit in den Hinterköpfen von Entwicklern zu manifestieren: Alles ist machbar. Alle künftig benötigten Spezifikationen sind verfügbar. Um die Batterie kümmert man sich, wenn das restliche Design steht. Dies führt vielfach zu Überraschungen in der Abschlussphase von Designs bei Neugeräten.

Die Energieversorgung ist von zentraler Bedeutung

Dabei ist es oft der Fall, dass die Batterie als Energieversorgung in der Applikation einen grossen und wichtigen Teil des Geräts einnehmen wird. Klar, beim Entwickeln ist es viel interessanter, möglichst viele Funktionen in einem Gerät zu vereinen. Zu bedenken ist jedoch, dass die Batterie auch die benötigte Energie für die Applikationen liefern können muss. Dabei kommen zum Teil recht widersprüchliche Anforderungen zum Tragen. Möglichst lange sollte die Batterie halten und natürlich sollte das Gerät auch noch am Nordpol und im Dschungel reibungslos funktionieren. Darüber hinaus sollte die Zelle auf keinen Fall viel Platz benötigen und kosten dürfen die Batterien auch nicht viel. Dies führt dann zu einem Aha-Erlebnis, wenn die gewünschte Stromversorgung so nicht realisierbar ist.

Frühzeitig relevante Punkte diskutieren

Daher sollten folgende Überlegungen und Fragen zu einem frühen Zeitpunkt der Entwicklung gestellt und beantwortet werden. Dies kann zum einen helfen, Redesign-Kosten zu vermeiden, zum anderen können Batteriehersteller und Lieferanten von Stromversorgungen die gewünschte Unterstützung bieten und prüfen, was im gegebenen Rahmen möglich und sinnvoll ist. Folgende acht Punkte sind dabei von zentraler Bedeutung.

1) Was sind die geforderten Spannungsbereiche?

Die Nominalspannung sollte nach Möglichkeit die Betriebsspannung (im Mittel) der Anwendung sein. Die Abschaltspannung sollte optimal ins Spannungsfenster der Batteriechemie passen und auf die Belastungsspitzen Rücksicht nehmen.

2) Wieviel Strom zieht die Applikation?

Strombelastungsprofile, welche die Belastung der Applikation möglichst präzise widerspiegeln, werden immer wichtiger, da zeitlich kurzfristig höhere Belastungen z. B. für Funkübertragungen benötigt werden. Die Erfahrung zeigt uns, dass mit unter Pulsbelastungen in Durchschnittsströmen umgerechnet werden, was zu Fehlkalkulationen der benötigten Kapazität führen kann. Pulspeaks zu berücksichtigen ist äusserst wichtig. Höhere Pulse führen zu einem höheren Spannungsabfall und daher kann nicht immer die gesamte Nominalkapazität einer Batterie genutzt werden.

Daher: Nominalkapazität einer Batterie geteilt durch gemittelte Strombelastung ergibt in den meisten Fällen eben dann nicht die Lebensdauer der Applikation. Funktionsdauerabschätzung einer Batterie, welche durch Pulse belastet wird, kann in den meisten Fällen nur durch Simulationen, Erfahrungswerte oder Qualifikationstests ermittelt werden.

3) Welcher Temperaturbereich ist im Betrieb zu erwarten?

Bei der Festlegung der zu erwartenden Arbeitstemperaturen der Batterie, sind der Standardfall und die Worst-Case-Szenarien zu berücksichtigen. Zu definieren sind die zu erwartenden Höchst- und Tiefstwerte sowie das Leistungsprofil, das bei diesen extremen Temperaturen von der Batterie noch erwartet wird. Je genauer man diese Vorgaben spezifizieren kann, desto sicherer wird die Batterie den Anforderungen genügen. In diesem Zusammenhang ist die Selbstentladung (siehe Punkt 5) für die Lebensdauer mit zu berücksichtigen. Bei tiefen Temperaturen ist die Selbstentladung dann wieder zu vernachlässigen, aber der erhöhte Innenwiderstand beeinträchtigt dann die Pulsfähigkeit der Zelle. Das heisst, der Spannungsabfall steigt an und die zur Verfügung stehende Leistung sinkt.

4) Was ist die minimale Anforderung der Lebensdauer an die Applikation?

Bei der Entwicklung einer Applikation sollte man sich auch über das typische End-Userverhalten betreffend der Batterie Gedanken machen:

  • Wird eine unkomplizierte Einweglösung benötigt oder benötigt die Anwendung eine aufladbare Zelle?
  • Wie lange muss das Gerät bei Einweglösungen mindestens funktionstüchtig sein?
  • Wird vor Gebrauch der Applikation die Batterie immer zuerst aufgeladen?
  • Wie ist das typische Ladeverhalten?
  • Wie lange soll eine Batterieladung halten?
  • Wird die Applikation regelmässig und konstant genutzt?
  • Wie lange ist eine typische Gebrauchs- dauer, die die Applikation ohne zwischenzeitliche Ladung überstehen sollte?

5) Wie lange und unter welchen Bedingungen wird die Applikation gelagert bevor diese in Betrieb geht?

Was gerne übersehen wird ist, dass sich die Zellen auch bei Nichtgebrauch entladen. Bei einer Raumtemperatur von 20 °C kann die jährliche Selbstentladung einer 3-V-Lithiumknopfzelle zwischen 0,5 % und 2 % (je nach Hersteller) der Nominalkapazität liegen. Die Faustregel besagt, dass bei 10 °C Temperaturerhöhung die Selbstentladung sich jeweils etwa verdoppelt. D.h. bei 30 °C erhöht sich diese dann auf 2 %. Bei 40 °C dann auf bereits 4 % und so weiter. Gemäss der IEC60086-1 liegen die Lagerkonditionen idealerweise zwischen +10 und +25 °C. Eine Lagerung über +30 °C ist zu vermeiden. Bei Temperaturen unter +20 °C bleibt die Selbstentladung mit ca. 0,5 % bis 2 % stabil. Eine Lagerung bei tieferen Temperaturen ist möglich, jedoch ist bei schnellem «Auftauen» und Verwenden darauf zu achten, dass eine möglicherweise eintretende Kondensation zu Kriechströmen, Korrosion oder Kurzschlüssen führen kann. Je nach Batterietyp kann es noch zu anderen Komplikationen kommen. Generell gilt, dass die Selbstentladungsrate, abhängig vom chemischen System, stark variieren kann. Die Datenblätter der Hersteller sollten darüber Auskunft geben.

6) Was sind die gewünschten Batterieabmessungen?

Die Rahmenbedingungen sind entweder durch technische Spezifikationen oder durch die menschliche Ergonomie gesetzt. Das zur Verfügung stehende Volumen und etwaige Einschränkungen einer Dimension und/oder das Gewicht, beeinflussen im Wesentlichen die zur Verfügung stehenden Auswahlvarianten an Batterietechnologien. Das Volumen steht dabei in direktem Zusammenhang mit der zur Verfügung stehenden Kapazität und ist oft die bestimmende Grösse für Handgeräte oder kleinere Anwendungen. Die am häufigsten verwendeten Bauformen sind prismatische Zellen, runde Knopfzellen und Stabzellen.

7) Wie sollte die Batterie in der Applikation kontaktiert werden?

Wird ein Batteriehalter verwendet, kann die Halterung und Kontaktierung direkt ins Gehäusedesign integriert werden. Hier sind besonders Anforderungen an den Batterieersatz, bzw. mechanische und elektrische Sicherheit sowie Zuverlässigkeit entscheidend. Kontaktierung, Batteriehalter bzw. Federkontakte müssen auf die Anwendung und das Gewicht der Zelle ausgelegt werden. Hinzu kommt die Spezifikation der Vorgaben durch das verwendete Lötverfahren bei der Herstellung. Darüber hinaus können auch Details betreffend auftretenden Vibrationen eine wesentliche Rolle spielen. Bei nicht fester Kontaktierung (z. B. bei kleineren Knopfzellen) können bei sehr anspruchsvollen Anwendungen die Federkontakte mit Gold plattiert eingesetzt werden. Der Übergangswiderstand ist sehr niedrig und Gold ist gegenüber vielen anderen Materialien besonders beständig. Bei einer permanenten Verbindung zwischen Applikation und Energieversorgung sollte alternativ auf Litzen oder Metallkontakte an der Batterie geachtet werden. Angeschweisste oder gelötete Ableiter sollte man immer herstellerseitig aufbringen lassen. Bei einer unsachgemässen Anbringung von Lötfahnen oder Pins direkt auf der Zelle, z. B. durch Lötkolben, kann die Batterie beschädigt werden.

8) Welchen mechanischen Kräften ist die Applikation ausgesetzt?

Zu berücksichtigen sind bei dieser Frage die Auswirkungen durch Schläge, Zentrifugalkräfte, Verbiegungen auf die Zellen wie auch auf die Kontaktierungen. Dabei erlebt man als Hersteller oft, dass solche Anforderungen nicht in einer Standardspezifikation enthalten sind. Für alle spezifischen Anforderungen, die nicht in der Standardspezifikation enthalten sind, sollten diese möglichst präzise beschrieben und nach Bedarf eine Qualifikationsprüfung mit dem Lieferanten vereinbart werden.

Fazit

Bei aller gebotenen Diskretion in Entwicklungsprojekten sei erwähnt, dass die Beratungsqualität des Batterielieferanten in direkter Abhängigkeit zu den vorliegenden Detailinformationen über die Anwendung steht. Spezifische Fragen zur Evaluation einer möglichen Stromversorgung können nur auf Basis detaillierter Auskünfte erfolgen. Proforma sei auch die Unterzeichnung einer Geheimhaltungsvereinbarung (non-disclosure agreement, NDA) erwähnt, wenn keine andere Möglichkeit besteht, Informationen weiter zu geben. Dies geschieht alles im Sinne der optimalen Batterieauswahl. 

Infoservice

Renata SA
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Bei IoT-Anwendungen spielen die richtigen Batterien oft eine bedeutende Rolle – sie können den Erfolg oder Misserfolg eines Projekts mit beeinflussen


Konstantentladung mit kleiner Last bei einer 3-V-Lithium-Primär-Knopfzelle



Pulsentladungen von 10 und 50 mA mit kleiner Last bei einer 3-V-Lithium-Primär-Knopfzelle

Firmenprofil

Renata SA mit Hauptsitz in Itingen ist ein weltweit führender Hersteller und Zulieferer von Industriebatterien für die OEM-Elektronikindus­trie. Das Portfolio umfasst folgende Batterietechnologien: Lithium-Primär und -Sekundärzellen, quecksilberfreie Silberoxid-Knopfzellen, Zink-Luft- sowie Dünnfilmzellen und verschie­dene Batteriehalter.