Die als veraltet angesehenen Primärbatteriezellen erleben eine Wiedergeburt. Sie lassen sich im Gegensatz zu Sekundärzellen zwar nicht wieder aufladen, besitzen dafür allerdings andere Vorteile, wie eine hohe Energiedichte, eine geringe Selbstentladung, eine ordentliche Lebensdauer und können sofort eingesetzt werden. Primärzellen werden gewöhnlich dort verwendet, wo sich Batterien nicht einfach austauschen lassen. Zum Beispiel da der Zugang schwierig oder der Austausch zu teuer ist. Das trifft unter anderem auf Anwendungen beim Militär, bei der Warenverfolgung, Fernüberwachung und in drahtlosen Sensornetzwerken zu. Besonders bei abgesetzten Applikationen herrschen Bedingungen, die Primärzellen begünstigen, wie zum Beispiel geringe Lastströme über lange Zeit.
Den SoC genau bestimmen
Neben allen Vorteilen haben Primärzellen auch Eigenschaften, die für einige Applikationen ungeeignet sind – speziell für solche, die keine Abschaltzeiten wegen total entladener Zellen erlauben. In diesen Fällen ist der State of Charge (SoC) der Batterie, der Ladezustand, sehr wichtig. Er zeigt die verbleibende Laufzeit der Batterie an und sollte möglichst exakt bestimmt werden. Diese Bestimmung gestaltet sich bei vielen Primärzellen allerdings schwierig.
Verfahren zur SoC-Messung
Idealerweise gibt eine einfache Messung der Zellenspannung Auskunft über den Ladezustand. Einige Primärzellen, wie zum Beispiel die Lithium-Thionylchlorid-Zelle, besitzen allerdings eine sehr flache Entladekurve. Diese lässt keine präzise Bestimmung des Ladezustands zu; außer, die Zelle ist ganz entladen. Die Messung der Spannung um den SoC zu bestimmen, eignet sich somit für viele Batteriechemien, allerdings nicht für Lithium-Thionylchlorid- oder anderen Batterien mit flacher Entladekurve.
Eine andere Möglichkeit den SoC zu bestimmen ist es, eine Last an die Batterie anzuschließen und den daraus folgende Spannungsabfall zu messen. Die Werte vergleicht man dann mit einer Tabelle über den äquivalenten Serienwiderstand (Equivalent Series Resistance, ESR). Diese Werte sind abhängig vom Batterietyp. Der Nachteil der Methode ist, dass der Batterie-ESR stark von der Temperatur abhängt. Deshalb muss bei dieser Methode die Batterietemperatur genau erfassen werden. Ansonsten sind Veränderungen des ESR durch den Ladezustand nicht von solchen durch die Temperatur zu unterscheiden.
Der SoC lässt sich außerdem indirekt bestimmen, indem man die Lastbedingungen sehr gut erfasst und dann die gesamte Laufzeit für jede Batterie misst. Bei dieser Methode wird die Batterie dann zu einem festen Zeitpunkt, der zum Beispiel einem SoC von 40 Prozent entspricht, ersetzt. Dadurch kann allerdings nicht die maximale Laufzeit der Batterie ausgenutzt werden. Außerdem ist das indirekte Verfahren fehleranfällig. Kommt es zum Beispiel zu einer deutlich erhöhten Last, dann versagt diese Methode.
Eine präzisere Möglichkeit den Ladezustand einer Batterie zu messen ist das Coulomb-Counting. Dabei werden die Coulombs gezählt, die aus der Batterie fließen. Kennt man die Ausgangskapazität, kann man die verbleibende Kapazität durch zählen der Coulomb akkurat bestimmen. Dieses Verfahren ist allerdings sehr teuer und kommt deshalb selten zum Einsatz. Dafür ist es sehr effektiv und ermöglicht als Einziges eine präzise Messung der aus der Batterie entnommenen Ladung.
Herausforderung bei Primärzellen
Primärzellen vertragen keine hohen Entladeströme. Um diese zu begrenzen, eignet sich ein DC/DC-Regler, dessen Eingangsspitzenstrom sich programmieren lässt. Dabei ist darauf zu achten, dass die DC/DC-Regler-ICs keinen hohen Ruhestrom ziehen. Das würde sich ungünstig auf die Laufzeit der Batterie auswirkt. Am besten löst das ein Nanopower-Regler. Er minimiert den Ruhestrom der ICs und erhöht somit die Batterielaufzeit. Primärzellen besitzen außerdem einen hohen Innenwiderstand. Unter Rast ergeben sich dadurch Spannungseinbrüche. Deswegen sind geringe Lasten für diese Zellen besser geeignet. Auch verfügen sie über eine geringe Leistungsdichte und können Energie nicht sehr schnell abgeben. Sie eignen sich deshalb am besten für den Langzeitbetrieb und leichte Lasten, die keine schnellen und großen Energiebursts benötigen.
Die Anzahl der Versorgungsschienen in heutiger Elektronik hat zugenommen, da die Versorgungsspannungen immer niedriger werden. Trotzdem benötigen aktuelle Systeme weiterhin 3 V, 3,3 V oder 3,6 V Versorgungsschienen, um Low-Power-Sensoren, Speicher, Mikrocontrollerkerne, I/Os und die Logik zu betreiben. Bisher wurden diese Spannungsschienen durch Step-Down-Schaltregler (Buck-Converter) oder Low-Dropout-Regler (LDOs) versorgt. Diese decken aber nicht den ganzen Arbeitsbereich der Batteriezellen ab und verkürzen somit die Laufzeit eines Systems. Abhilfe schafft ein Buck-Boost-Wandler, der die Spannung entsprechend erhöht oder herabsetzt und den ganzen Arbeitsbereich der Batterie nutzt. Das vergrößert den Betriebsspielraum und erhöht die Batterielaufzeit umso mehr, je mehr Kapazität ausgeschöpft werden kann. Besonders am unteren Ende des Entladeprofils steigt die Laufzeit deutlich an.
DC/DC-Wandler mit Coulomb-Zähler
DC/DC-Wandlerlösungen erfüllen die Systemanforderungen beim Betrieb mit Primärzellen. Für einen sinnvollen Einsatz sollten sie über folgende Eigenschaften verfügen:
eine Buck-Boost-DC/DC-Architektur mit breitem Eingangsspannungsbereich, um eine regulierte Ausgangsspannung aus allen Batterietypen und deren zugehörigen Spannungspegeln zu erzeugen
einen sehr geringen Ruhestrom im Betrieb und abgeschaltet, um die Batterielaufzeit zu verlängern
eine hohe Effizienz bei der Versorgung der Versorgungsschienen
die Möglichkeit des präzisen Coulomb-Counting, um den SoC zu bestimmen
eine Einschaltstrombegrenzung zum Schutz der Zellen
eine kleine, leichte und niedrige Bauform
ein platzsparendes und thermisch optimiertes Gehäuse
Umgesetzt wird das zum Beispiel in dem Buck-Boost-Wandler LTC3335 von Linear Technology. Der LTC3335 ist ein synchroner Nanopower-Buck-Boost-Wandler mit präzisem Onboard-Coulomb-Zähler. Entwickelt wurde er für Applikationen, die auf Primärbatterien setzen und die geringe Ruheströme und eine genaue Kenntnis über die Restladung der Batterie erfordern. Der Coulomb-Zähler des Wandlers eignet sich außerdem zur Fehlererkennung, indem damit Leckströme an der Batterie oder der Last erkannt werden. Dazu lässt sich mit ihm die Batterieentladung auf ±5 Prozent genau bestimmen.
Zusammenfassend zeigt sich, dass beim Einsatz von Primärbatteriezellen einige technische Hürden überwunden werden müssen. Sind diese gemeistert, bieten sie allerdings deutliche Vorteile gegenüber aufladbaren Sekundärbatterien. Richtig umgesetzt, spricht viel für eine Renaissance von Primärzellen. Zu dieser Umsetzung gehört eine präzise Bestimmung des Ladezustands der Batterie. Sie lässt sich am besten mit Hilfe des Coulomb-Countings erreichen. Um eine maximale Batterielaufzeit zu erhalten, sollte dabei auf eine Buck-Boost-Architektur zurückgegriffen werden.
