The 'smart' battery

Die 'intelligente/smart' Batterie

Eine Batterie hat das elementare Problem, nicht mit dem Benutzer kommunizieren zu können. Weder das Gewicht, noch die Farbe, noch die Dimensionen können etwas aussagen, was auf den Ladezustand (SoC) oder den Gesundheitszustand (SoH) schliessen lassen könnte. Der Benützer ist der Batterie ausgeliefert.

Eine Hilfe steht unmittelbar bevor, indem das Schweigen endlich gebrochen wird. Ein zunehmende Anzahl von den heutigen aufladbaren Batterien sind 'intelligent/smart'. Ausgerüstet mit einem Mikrochip sind diese Batterien in der Lage, mit dem Ladegerät und auch mit dem Benützer zu kommunizieren. Eine typische Anwendung von 'intelligenten' Batterien sind die Batterien von Notebooks-Computer und Video-Kameras. Mehr und mehr werden solche Batterien auch in biomedizinischen Geräten und im militärischen Bereich eingesetzt.

Es gibt verschiedene Arten von 'intelligenten' Batterien, und jede bietet andere Möglichkeiten und andere Preise an. Die einfachste 'intelligente' Batterie enthält nur einen Chip, der dem Ladegerät die anzuwendenden Ladealgorithmen vermittelt. In den Augen eines so genannten Smart Battery System (SBS) Forums verdienen jedoch solche Batterien die Bezeichnung 'intelligent' nicht.

Was macht denn eine Batterie 'intelligent'? Die Definitionen dazu ändern noch immer zwischen Organisationen und Herstellern. Das Forum SBS erklärt, dass eine 'intelligente' Batterie in der Lage sein muss, SoC-Angaben machen zu können. Benchmarq war um 1990 die erste Firma, die ein Konzept anbot, das die Technologie des Treibstoffmessgerätes verwendete. Heute stellen verschiedene Hersteller solche Chips her. Der Bereich umfasst 1-Draht-Systeme, 2-Draht-Systeme bis zum SMBus (System Management System. Befassen wir uns zuerst mit dem 1-Draht-System.

Der Ein-Draht-Bus

Das 1-Draht-System liefert die Datenkommunikation über 1 Draht. Eine solche Batterie verwendet 3 Verbindungsdrähte: Die gemeinsamen positiven und negativen Batterieanschlüsse und einen eindrahtigen Datenanschluss, welcher ebenfalls die Synchronisationsinformationen liefert. Aus Sicherheitsgründen verwenden die meisten Hersteller einen separaten Draht für den Temperatursensor. Figur 1 zeigt das Prinzipschema eines 1-Draht-Systems.

Figur 1: 1-Draht-System einer 'intelligenten' Batterie.Ein einziger Draht wird für die Datenübermittlung verwendet. Aus Sicher-heitsgründen verwenden die meisten Hersteller einen separaten Draht für den Temperatursensor.

Das 1-Draht-System speichert den Batteriecode und überwacht die Batteriedaten, inklusive Temperatur, Spannung, Strom und SoC (Ladezustand).Aus Gründen der verhältnismässig günstigen Hardwarekosten, erfreut sich das 1-Draht-System einer guten Marktakzeptanz für Funkgeräte der Spitzenklasse, Videokameras und tragbaren Computer.

Die meisten 1-Draht-Systeme haben keine einheitliche Ausführungsform, noch bieten sie eine einheitliche Messung des Gesundheitszustandes (SoH) an. Dies würde Probleme ergeben beim Konzept für Universalladegeräte. Die Benchmarq Lösung für 1-Draht-Systeme kann z.B. den Strom nicht direkt messen; sie muss ich extrahieren aus der Kapazitätsänderung über die Zeit. Dazu kommt, dass der 1-Draht-Bus den Gesundheitszustand SoH nur dann messen kann, wenn das Gerät und die Batterie vollumfänglich kompatible sind. D.h. eine solche Beziehung ist nur möglich, wenn eine Originalbatterie verwendet wird. Jeder kleinste Unterschied in den Batteriecharakteristiken macht das System unzuverlässig und ergibt falsche Messresultate.

Der SMBus

Der SMBus ist das vollständigste aller Systeme. Es zeigt den guten Willen der Elektronikindustrie, einen Standard zu finden für ein gemeinsames Protokoll und ein Datenpaket. Das System Durcell/Intel SBS, das heute angewendet wird, wurde 1993 zum Standard erklärt. Es ist ein 2-Draht-System, das 2 separate Leitungen für Daten und Synchronisation (Clock) enthält. Figur 2 zeigt das Prinzipschema eines 2-Draht-Systems.

Figur 2: 2-Draht-SMBus System.Der SMBus basiert auf einem 2-Draht-System, das stan-dardmässige Kommunika-tions-Protokolle verwendet. Dieses System liefert selbständig standardisierte Messungen über Ladezustand (SoC) und Gesundheits-zustand (SoH).

Das Ziel einer Batterie mit SMBus ist es, die Ladeüberwachung aus dem Ladegerät zu entfernen und sie in die Batterie zu versetzen. Bei einem echten SMBus-System wird die Batterie zum Meister und das Ladgerät wird zum Sklaven, der das tut, was der Meister befiehlt.

Eine von der Batterie überwachte Ladung macht Sinn, wenn man bedenkt, dass viele Batterien dieselbe Form aufweisen, aber verschiedene Chemien enthalten, die andere Ladealgorithmen benötigen. Mit dem SMBus erhält jede Batterie den korrekten Ladepegel und beendet eine Vollladung gemäss der spezifischen Erkennungsmethode. Zukünftige Batteriechemien werden in der Lage sein, existierende Ladegeräte zu verwenden.

Eine SMBus-Batterie enthält permanente und temporäre Daten. Die permanenten Daten werden bei der Herstellung in der Batterie einprogrammiert, und beinhalten eine ID-Nummer der Batterie, den Batterietyp, die Serienummer, den Namen des Herstellers und das Herstellungsdatum. Die temporären Daten werden während dem Einsatz erstellt und bestehen aus einem Zyklenzähler, einem Verhaltensmuster des Benutzers und den Wartungsbedarf. Gewisse dieser Informationen werden im Laufe des Batterielebens erneuert.

Der SMBus ist unterteilt in Niveau 1, 2 und 3. Niveau 1 wurde eliminiert, da keine Chemie unabhängige Ladung möglich war. Niveau 2 ist vorgesehen für spezifische Ladeschaltungen. Ein Laptop, der die Batterie innerhalb des Gerätes aufladen kann, ist ein typisches Beispiel für Niveau 2. Eine andere Niveau 2-Applikation ist eine Batterie, wo sich die Ladeschaltung innerhalb der Batterie befindet. Niveau 3 ist reserviert für voll selbständige, externe Ladegeräte.

Externe Niveau 3-Ladegeräte sind komplex und teuer. Es gibt wohl einige billigere Ladegeräte, die einen SMBus enthalten, die aber nicht voll mit der SBS-Technik übereinstimmen. Hersteller von SMBus-Batterien bestätigen jedoch nicht in vollem Umfang diese Einschränkungen. Die Sicherheit bleibt immer noch ein Problem, aber die Kunden kaufen diese Batterien, weil sie billiger sind. Seriöse Benutzer von industriellen Batterien, die in biomedizinischen Instrumenten, in Geräten für Datenerfassung oder in Überwachungsgeräten eingesetzt werden, verwenden Ladegeräte mit totalem Protokoll.

Unter den am meisten verbreiteten SMBus-Batterien befinden sich jene mit den Abmessungen 35 und 202 (Figur 3). Die von Sony, Hitachi, GP Batteries, Moli Energy und anderen hergestellten Batterien 'sollten' in allen tragbaren Geräten arbeiten, die für dieses System gebaut worden sind. Obwohl das Modell 35 etwas kleinere Abmessungen hat als das Modell 202, akzeptieren die meisten Ladegeräte beide Modelle. Es gibt auch eine Version ohne SMBus ('dumb' version) mit den gleichen Abmessungen. Diese Version von Batterie kann jedoch nur mit einem regulären Ladegerät geladen werden, oder mit einem Ladegerät, dass beide Versionen akzeptiert.

Figure 3: Intelligente Batterien der Serie 35 und 202, mit SMBus.Lieferbar als Nickel-Kadmium, Nickel-Metallhydrid und Lithium-Ion, werden diese Batterien in Laptpos, biomedizinischen Geräten und Überwachungsgeräten eingesetzt. Eine Version ohne SMBus, aber mit den gleichen Abmessungen ist ebenfalls erhältlich.

Im Gegensatz zum festgelegten Standard und den definierten Abmessungen, haben viele Computerhersteller ihre eigenen Batterien behalten. Die Gründe dafür sind die Sicherheit, die Leistungen und die Abmessungen. Sie argumentieren, dass die bekannten Leistungen nur dann garantiert werden können, wenn die Originalbatterien verwendet werden. Dies mag Sinn machen, aber der Hauptgrund dürfte der Preis sein. Durch das Fehlen einer Konkurrenz können diese Batterien zu Spitzenpreisen verkauft werden.

Nachteile von 'intelligenten' Batterien

Intelligente Batterien haben einige wichtige Schwachpunkte; einer davon ist der Preis. Eine SMBus-Batterie kostet etwa 25% mehr als eine vergleichbare 'Dumb'-Batterie (ohne SMBus). Dazu kommt, dass die 'intelligenten' Batterien entwickelt wurden, um die Ladegeräte zu vereinfachen. Trotzdem kostet ein vollkompatibles Niveau 3-Ladegerät um einiges mehr als ein reguläres Modell.

Ein wichtigerer Nachteil ist die Notwendigkeit einer periodischen Eichung oder das erneute Einlesen der Kapazitätsdaten. Der Entwicklungsleiter von Moli Energy, ein Hersteller von Lithium-Ion-Batterien meint dazu: Wir haben mit den Lithium-Ion-Batterien den Memory-Effekt beseitigt, aber hat nun die SMBus-Batterie den digitalen Memory-Effekt eingeführt?
Warum ist eine Eichung nötig? Die Eichung korrigiert die Übertragungsfehler, die zwischen der Batterie und der digitalen Empfangsschaltung auftreten können, während geladen oder entladen wird. Die ideale Batterieapplikation wäre, soweit es die Kapazitätsanzeige betrifft, eine Vollladung, gefolgt von einer Vollentladung mit Konstantstrom. In diesem Fall wäre der Übermittlungsfehler kleiner als 1% pro Zyklus. In der Realität jedoch wird eine Batterie nur während einiger Minuten entladen und die Ladeimpulse können sehr kurz sein und sich stark verändern. Lange Lagerung ist auch ein Grund für die Fehler, weil die Schaltung die Selbstentladung nicht zuverlässig kompensiert. Und schliesslich ist die echte Kapazität nicht mehr synchronisiert mit der Kapazitätsanzeige, und eine Vollladung und Vollentladung werden benötigt, um die Batterie auf den richtigen Stand zu bringen.

Wie oft ist eine Eichung nötig? Für den praktischen Einsatz wird empfohlen, alle drei Monate oder immer nach 40 kurzen Zyklen eine Eichung durchzuführen. Viele Batterien erleiden periodische Vollentladung als Teil ihres normalen Einsatzes. Wenn ein tragbares Gerät ein genug tiefe Entladung zulässt, um einen Reset der Batterie zu ermöglichen, und dies regelmässig erfolgt, muss keine zusätzliche Eichung durchgeführt werden. Wenn aber während einiger Monate die Batterie keinen Reset durch Vollentladung erlitten hat, ist eine gezielte Vollentladung der Batterie nötig. Dies kann mit einem Ladegerät, das eine Entladefunktion enthält gemacht werden, oder aber mit einem Batterie Analyser.

Was geschieht ,wenn die Batterie nicht regelmässig geeicht wird? Kann eine solche Batterie mit Vertrauen verwendet werden? Die meisten 'intelligenten' Batterien gehorchen eher dem Diktat der chemischen Zellen als den elektrischen Schaltungen. In diesem Fall wird sich die Batterie voll aufladen, ohne auf die Einstellungen der Kapazitätsanzeige zu schauen, und normal arbeiten, aber die digitalen Anzeigen werden unzuverlässig. Wenn dies nicht korrigiert wird, wird die Kapazitätsanzeige zum Ärgernis.

Ein zusätzliches Problem mit der SMBus-Batterie ist die Nicht-Übereinstimmung. Anders als andere, fest eingeführte Standards, gestattet das SMBus-Protokoll einige Abweichungen. Dies kann zu Problemen mit bestehenden Ladegeräten führen, und die SMBus-Batterie sollte vor der Benutzung auf die Übereinstimmung überprüft werden. Die Notwendigkeit, die Zusammenarbeit zwischen einer spezifischen Batterie und einem Ladegerät überprüfen zu müssen, ist unglücklich, umso mehr als die SMBus-Batterie eigentlich universell einsetzbar sein sollte. Ironischerweise muss festgestellt werden, dass je grösser die Möglichkeiten sind, die ein SMBus-Ladegerät und die Batterie bieten, umso grösser ist die Wahrscheinlichkeit für eine Nicht-Übereinstimmung zwischen den beiden Elementen.

Über den Autor
Isidor Buchmann ist der Gründer und Geschäftsführer von Cadex Electronics Inc., in Vancouver BC. Herr Buchmann hat fundierte Basiskenntnisse in der drahtlosen Kommunikation und studierte über zwei Jahrzehnte hinweg das praktische Verhalten von wiederaufladbaren Batterien und ihre täglichen Verwendungen. Als Autor gewann er Auszeichnungen für viele Artikel und Bücher über Batterien. Herr Buchmann's technische Ausführungen gingen rund um die Welt.
Cadex Electronics ist Hersteller von fortschrittlichen Batterieladegeräten, Batterieanalysern und PC-Software. Für Produktinformationen besuchen Sie bitte www.cadex.com.