Die Batteriekapazitäts-Anzeige

Als um 1990 die intelligente/smart Batterie eingeführt wurde, war eines der Hauptanliegen, eine Kommunikation zwischen Batterie und Benützer zu ermöglichen. Mit der Einführung einer Füllanzeige wurde diese Bedingung erfüllt. In diesem Artikel beurteilen wir verschiedene Füllanzeigesysteme, betrachten ihre Art zu arbeiten und bewerten ihre Vorteile und Grenzen. Da das "System Management Bus" (SMBus) am meisten verwendet wird, werden wir uns vorwiegend diesem System zuwenden.

Die Ladezustandsanzeige

Die meisten intelligenten Batterien (smart) sind mit einer Anzeige für das Ladeniveau ausgerüstet. Wenn bei einer vollgeladenen Batterie der 'Test'-Knopf gedrückt wird, leuchten alle Anzeigeelemente. Bei einer halb entladenen Batterie leuchtet die Hälfte der Anzeigelemente und bei einer leeren Batterie bleiben alle Anzeigeelemente dunkel. Figur 1 zeigt eine solche Füllanzeige.

Figur 1: Ladezustandsanzeige einer 'intelligenten' Batterie..Obwohl der Ladezustand angezeigt wird, sind der Gesundheitszustand und die Funktionszeit unbekannt.

Während die Ladezustandsanzeige (SoC) auf einer Batterie oder auf dem Bildschirm eines Computers hilfreich ist, wird die Füllanzeige jedes Mal beim Laden der Batterie um 100% zurückgesetzt, ohne Berücksichtigung des Gesundheitszustandes (SoH) der Batterie. Ein ernstes Problem entsteht, wenn bei einer älteren Batterie nach der Ladung 100% angezeigt wird, während die tatsächliche Ladeakzeptanz auf sagen wir 50% oder weniger gesunken ist. Die folgende Frage bleibt bestehen: 100% von was? Ein mit dieser Batterie wenig bekannter Benützer hat nur sehr wenig Informationen über die Funktionszeit der Batterie.

Die Reservekapazität kann nur festgestellt werden, wenn der Gesundheitszustand (SoH) bekannt ist. Figur 2 zeigt die 3 imaginären Zonen einer Batterie, die da sind: Die leere Zone, die gefüllt werden kann, die vorhandene Energie und die unbrauchbare Zone, oder 'Schrott-Zone', die keine Energie mehr speichern kann.

			Empty Zone Can be refilled		Figur 2: Batterie-Lade-Kapazität.Drei imaginäre Batteriezonen betreffend die vorhandene Energie, die leere Zone und die Schrott enthaltende Zone. Durch den Gebrauch und mit zunehmendem Alter vergrössert sich die Schrottzone.
			Available Energy
			Rock Content Unsusable - can no longer store energy

Eine Batteriefüllanzeige sollte in der Lage sein, alle 3 Zonen aufzuzeigen. Dies ist möglich, wenn der SoH der Batterie bekannt ist. Während die Anzeige des S0C relativ leicht zu bewerkstelligen ist, ist eine Messung des SoH komplizierter. Dies funktioniert wie folgt:

Bei der Herstellung der Batterie gibt der SMBus der Batterie seinen spezifischen SoH Status bekannt, der durch das Fehlen anderer Informationen 100% beträgt. Diese Information ist immer in der Batterie programmiert und ändert sich nicht. Mit jeder Aufladung wird die Batterie zurückgestellt in einen Vollladestatus. Während der Entladung werden die Energieeinheiten (Coulombs) gezählt und verglichen mit dem 100%-Zustand. Eine perfekte Batterie wird 100% auf einer geeichten Füllanzeige anzeigen. Wenn die Batterie altert und die Ladeakzeptanz abnimmt, nimmt der SoH ebenfalls ab. Der Unterschied zwischen der Herstellereinstellung von 100% und der abgegebenen Energie in Coulombs der voll entladenen Batterie ergibt den SoH (Gesundheitszustand). Wenn der SoC und der SoH bekannt sind, kann eine einfache lineare Beziehung erstellt werden. Der SoC wird angezeigt mittels grünen LEDs, der leere Teil bleibt dunkel und die unbrauchbare Zone wird mit roten LEDs angezeigt. Figur 3 zeigt eine solche dreiteilige Füllanzeige. Als Alternative kann ein numerischer Display für SoC und SoH verwendet werden. Es ist sinnvoll, diese dreiteilige Füllanzeige auf dem Ladegerät anzuordnen.

Figur 3: Dreiteilige Füllanzeige. Die Batteriegesundheitsanzeige 'liest' die Batterieinformationen, die auf dem SMBus vorhanden sind und zeigt sie mittels mehrfarbiger LED-Reihe an. Die Darstellung zeigt eine teilweise entladene Batterie mit 50% SoC, einer 20% leeren Zone und einer 30% unbrauchbaren 'Schrott'-Zone.

Der Zielkapazitäts-Schalter

Für Benützer, die nur eine einfache Ja/Nein-Anwort benötigen, gibt es Ladegeräte, die einen so genannten Zielkapazitäts-Schalter enthalten. Eingestellt auf 60, 70 oder 80% funktioniert dieser Schalter als Leistungsschalter für die Zielkapazität und signalisiert Batterien, die die vorgegebenen Kriterien nicht erreichen.

Wenn eine Batterie unter die Zielkapazitätsschwelle fällt, wird das im Ladegerät mit der Regenerations-LED angezeigt. Der Benützer wird gebeten, die Regenerationstaste zu drücken, um die Batterie zu eichen und zu regenerieren, indem ein Lade/Entlade/Lade-Zyklus durchgeführt wird. Das grüne 'Ready'-Licht am Ende der Wartung zeigt eine Vollladung an und bestätigt, dass die Batterie das verlangte Leistungsniveau erreicht hat. Wenn dieses Leistungsniveau nicht erreicht wurde, zeigt ein rotes 'Fail'-Licht an, dass die Batterie ersetzt werden soll. Figur 4 zeigt ein Cadex-Ladegerät mit zwei Ladestellen, das einen Zielkapazitätsschalter und eine Entladeschaltung enthält. Dieses Ladegerät basiert auf Niveau 3 und wartet sowohl Batterien mit SMBus wie auch 'dumme' Batterien (d.h. ohne spezielle Anzeigen).

Figur 4: Das Cadex SM2+ Ladegerät.Dieses Niveau 3-Ladegerät arbeitet als Ladegerät, als Regenerationsgerät und als Qualitäts-Überwachungssystem. Es 'liest' den effektiven Gesundheitszu-stand der Batterie und scheidet jene Batterien aus, die unterhalb der vorgegebenen Zielkapazität liegen. Jede Ladestelle arbeitet unabhängig und kann Nickel-Kadmium, Nickel-Metallhydrid und Lithium-Ion-Chemien in ca. 3 Stunden laden. Auch Batterien ohne Intelligenz können geladen werden, wobei jedoch keinerlei Angaben über den SoH möglich sind..

Die Ladezustandsanzeige

Wenn es dem Benutzer ermöglicht wird, das gewünschte Leistungsniveau der Batterie einzustellen, kommt sofort die Frage auf, welches Niveau einzustellen ist. Die Antwort wird bestimmt durch die gewünschte Anwendung, die Zuverlässigkeit und die Kosten.

Die normale Zielkapazität ist auf 80% eingestellt. Ein Absenken dieser Schwelle auf 70% wird die Standardleistung der Batterien wohl verkleinern, dafür wird eine grössere Anzahl der Batterien den Test bestehen. Eine direkte Kosteneinsparung ist das Resultat. Ein 60%-Niveau kann für jene Benutzer angebracht sein, die mit einem tiefen Budget arbeiten müssen, die einen schnellen Zugriff zu Ersatzbatterien haben und mit kürzeren und weniger gut voraussehbaren Funktionszeiten leben können. Es sei hier vermerkt, dass die Batterien immer auf 100% aufgeladen werden, wie auch immer die Zielkapazität eingestellt ist. Die Zielkapazität zeigt nur auf, wie viel Energie eine vollgeladene Batterie mindesten abgeben wird.

Intelligente Batterien, die ermöglichen, die Batterieleistungen zu erfassen, sind für spezielle Anwendungen in der Qualitätsindustrie vorbehalten. Allerdings, und trotz den grossen Fortschritten, die in den letzten 10 Jahren erreicht wurden, hat die intelligente Batterie, im Speziellen jene mit dem SMBus, nicht den erwarteten Durchbruch geschafft. Gewisse Ingenieure gehen sogar so weit, festzustellen, die intelligente Batterie sei eine unsinnige Entwicklung.

Ein Teil des Problems ist die regelmässige Eichung, die nötig ist, um die auftretenden Übermittlungsfehler, die zwischen Batterie und digitaler Empfangsschaltung auftreten, korrigieren zu können. Grössere Fehler können auftreten, wenn nur kurzzeitig geladen oder entladen wird und die Belastung dabei stark ändert. Längere Lagerung ist ebenfalls ein Grund für Fehler, da die Schaltung die auftretende Selbstentladung nicht genau kompensieren kann.

Ungeachtet dieser Limiten, wird die 'intelligente' Batterie in einem Markt mit schwierigen Nischenanforderungen eingesetzt werden. Es ist vorstellbar, dass andere Methoden gefunden werden, um die verbleibende Energie feststellen zu können, als dies heute der Fall ist. Was wichtig ist, ist die Tatsache, dass eine Füllanzeige möglich ist. Es gibt einfach keine Alternativen, für Benutzer, für die unerwartete Ausfallzeiten nicht akzeptierbar sind.

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