Eine Verlängerung der Batterielaufzeit bietet vielfältige Vorteile. Sie reichen von höherer Systemleistung über verbesserte Betriebszeit bis hin zu niedrigeren Kosten. Eine Möglichkeit zur Verlängerung der Batterielaufzeit besteht darin, über die Optimierung des Schaltungsdesigns die Anzahl der Bauteile zu begrenzen, durch die Strom fließen muss, bevor eine Last erreicht wird. Im vorliegenden Artikel erfahren Sie, wie die PassThru™-Technologie zur Langlebigkeit und Effizienz eines Energiespeichersystems beitragen kann.
Einführung
Eine Verlängerung der Batterielaufzeit bedeutet höhere Systemleistung, längere Betriebszeit und geringere Kosten. Typischerweise lässt sich dies über drei Möglichkeiten erreichen: die Verbesserung der Batterietechnologie, die Entwicklung besserer Geräte und die Innovation von Energiemanagementsystemen. Die Verbesserung der Batterietechnologie beinhaltet auch die Auswahl der richtigen Batterie für die jeweilige Anwendung und die Entwicklung des geeigneten Batteriemanagementsystems zur Steuerung des Ladevorgangs, zur Temperaturregulierung und zur Minimierung von Verlusten. Die Entwicklung besserer Geräte erfordert die Berücksichtigung effizienter Hardwarekomponenten und robuster Firmware. Beide sind notwendig, um ein optimales Gleichgewicht zwischen Funktionalität und Langlebigkeit zu gewährleisten. Um den Energieverbrauch intelligent zu optimieren, können die neuesten Energiemanagementsysteme genutzt werden, die KI-basierte Algorithmen, neuere Topologien und effiziente Wandlersteuerverfahren wie den PassThru-Modus und den Energiesparmodus nutzen.
Wie funktionieren Superkondensatoren?
Die Nutzung von Energiespeichergeräten wie Superkondensatoren neben Batterien kann für verschiedene Anwendungsfälle von Nutzen sein. Die Vorteile reichen vom schnellen Laden und Entladen für kurze Stromstöße über eine längere Lebensdauer bis hin zur Verbesserung der Effizienz des Gesamtsystems. Superkondensatoren eignen sich beispielsweise hervorragend zur schnellen Speicherung von Energie und zur Bereitstellung von Notstrom. Zu ihren Vorzügen zählen die hohe Beständigkeit gegen extremen Temperaturen und Umgebungsbedingungen. In Kombination mit Batterien tragen Superkondensatoren dazu bei, die Leistung zu verbessern und die Batterielaufzeit zu verlängern, beispielsweise in Elektroautos. Außerdem weisen Superkondensatoren auch ökologische Vorteile auf.
Abbildung 1: Vergleich der typischen Entladeeigenschaften eines Superkondensators für 24 V und eines LiPo-Akkus bei 0,5 A Last
Abbildung 1 zeigt, wie sich ein Superkondensator von einer Batterie unterscheidet. Bei gleicher Nennspannung weist der aus 6 Zellen bestehende LiPo-Akku mit 0,1 Ah die Eigenschaften einer Spannungsquelle auf, da er während des gesamten Betriebs eine stabilere Spannung liefert. Im Gegensatz dazu sinkt bei einem Superkondensator mit 2 Farad Kapazität die Spannung linear, wenn Strom zum Verbraucher führt. Diese lineare Entladungscharakteristik von Superkondensatoren erfordert effizientere Systeme zur Umwandlung ihrer Energie. In diesem Fall wird die Funktionalität des Buck-Boost-Wandlers am besten ausgeschöpft, da er die Ausgangsspannung ordnungsgemäß regeln kann, unabhängig davon, ob die Eingangsspannung unter oder über der Ausgangsspannungseinstellung liegt.
Was ist der PassThru-Modus?
Die PassThru-Technologie ist ein wesentliches Merkmal für Geräte mit breitem Eingangsstrom. Sie ermöglicht eine verbesserte Effizienz und verlängert die Lebensdauer von Energiespeichersystemen im Vergleich zu Systemen, die eine herkömmliche Steuerung (handelsübliche Buck-Boost-Controller) nutzen. „Passthrough“ erfolgt, wenn bei einem vordefinierten Spannungsfenster der Eingang direkt zum Ausgang geleitet wird, als würde er sich wie ein kurzgeschlossenes Kabel verhalten. Die PassThru-Technologie fungiert als Netzwerk zwischen Stromquelle (z. B. Superkondensator) und Stromverbraucher. Dadurch gewährleistet sie die Spannungsregelung in einem festgelegten akzeptablen Bereich. Sie stellt sicher, dass das Gerät so effizient wie möglich läuft, indem es einen direkten Pfad von der Stromquelle zur Last bereitstellt. Der PassThru-Modus ist ein wichtiger Bestandteil zur Gewährleistung einer optimalen Effizienz in jedem mit Superkondensator gespeisten Gerät, da er die Lade-/Entladezyklen des Superkondensators reduziert sowie das EMI-Verhalten und die Gesamtleistung des Geräts verbessert.
Wie der PassThru-Modus die Lebensdauer eines Energiespeichersystems verlängert
Der PassThru-Modus in Buck-Boost-Wandlern mit 4 Schaltern bietet einen direkten Pfad von der Stromquelle zur Ausgangslast gemäß einer angegebenen Fenstereinstellung, wie in Abbildung 2 dargestellt. Der Eingang wird direkt zum Ausgang weitergeleitet. Dies verbessert nicht nur die Effizienz im festgelegten PassThru-Fenster durch die Eliminierung von Schaltverlusten, sondern auch die elektromagnetische Verträglichkeit, da im PassThru-Modus keine Schaltfrequenz entsteht. Der PassThru-Modus in einem Buck-Boost-Wandler bietet Flexibilität, da er die Möglichkeit eröffnet, eine andere Abwärts-Ausgangsspannung als die Aufwärts-Ausgangsspannung einzustellen. Dies unterscheidet ihn von typischen Buck-Boost-ICs, die nur eine nominale Ausgangsspannung haben. Diese Funktion schützt auch den Verbraucher, wenn sich die Eingangsspannung ungewöhnlich verhält. Die PassThru-Technologie ist eine Betriebsweise des LT8210, bei dem es sich um den einzigen auf dem Markt erhältlichen Buck-Boost-Controller-IC handelt, der über diese Fähigkeit verfügt.
Abbildung 2: Schaltkreisdiagramm des Buck-Boost-Wandlers mit PassThru-Modus
Um einen Einblick in den PassThru-Modus-Betrieb des LT8210 zu erhalten, können Sie sich dessen Datenblatt oder das Effizienzprofil seines Demoboards ansehen. Abbildung 3 zeigt das Effizienzprofil des DC2814A-A-Demoboards bei einer Eingangsspannung von 4 V bis 24 V und einer Last von 10 % bis 80 %. Das mit dem LT8210 bestückte Demoboard arbeitet mit einer Eingangsspannung von 4 V bis 40 V, einem Volllaststrom von 3 A und einer Ausgangsspannung von 8 V bis 16 V. Der Betrieb im PassThru-Modus erhöht den Wirkungsgrad bei schwereren Lasten um bis zu 5 % und bis zu 17 % bei geringeren Lasten, z. B. bei einer Stromlast von 10 %, bezogen auf den Buck-Boost-Betrieb. Bei Betriebsbedingungen mit geringer Last bietet der PassThru-Modus daher eine deutliche Verbesserung.
Dabei gilt allerdings. Zwar ermöglicht der PassThru-Modus des LT8210 die Einstellung einer anderen Boost-Ausgangsspannung als der Buck-Ausgangsspannung. Wenn die Eingangsspannung in der Nähe der Ausgangsspannungseinstellung liegt, tritt jedoch der Buck-Boost-Bereich auf. Dieser im LT8210 vorhandene Buck-Boost-Bereich ist auf die Überschneidung der Buck- und Boost-Steuerbereiche in Bezug auf die Stromregelung eines Induktors zurückzuführen.
Abbildung 3: Effizienzprofil des DC2814A-A
Das in Abbildung 4 dargestellte System veranschaulicht die Wirkung des PassThru-Modus. Der Buck-Boost-Wandler mit 4 Schaltern wird als Vorregler für einen Point-of-Load-Wandler verwendet, der auch als Motortreiber verwendet wird. Während die Stromquelle ein Superkondensator für 24 V ist, benötigt der Gleichstrommotor eine Eingangsspezifikation von 9 V und 0,3 A. Der Buck-Boost-Wandler nutzt entweder den PassThru-Modus oder die herkömmliche 4-Schalter-Buck-Boost-Steuerung im kontinuierlichen Leitungsmodus (CCM). Zu beachten ist, dass die herkömmliche Buck-Boost-Steuerung keinen PassThru-Modus besitzt. Die einzigen Betriebsweisen sind Buck, Boost und Buck-Boost-Funktionen, wie in Abbildung 3 dargestellt.
Die Boost-Ausgangsspannung des im PassThru-Modus betriebenen Systems ist auf 12 V, die Buck-Ausgangsspannung auf 27 V eingestellt. Dadurch kann die Startspannung des Superkondensators innerhalb der Durchlassbandgrenzen liegen.5 Somit arbeitet das System im Spannungsbereich zwischen 24 V und 12 V des Superkondensators im PassThru-Modus. In dieser Zeit erreicht der Wirkungsgrad 99,9 %. Zu beachten ist, dass der Wandler vor dem Übergang in den Boost-Modus den Buck-Boost-Modus durchläuft, was zu einem Effizienzabfall führt. Andererseits wurde das System, das mit der herkömmlichen Buck-Boost-Steuerung arbeitet, so eingestellt, dass es mit einer konstanten Ausgangsspannung von 16 V arbeitet. Dies dient dazu, die Ausgangsspannung etwa in der Mitte der Einstellungen der Durchlassbandgrenzen einzustellen.
Abbildung 4: Blockdiagramm eines mit Superkondensator betriebenen Motors
Abbildung 5: Effizienzvergleich eines PassThru-fähigen Systems mit einem herkömmlichen CCM-betriebenen Buck-Boost-Wandler
Abbildung 5 zeigt einen Effizienzvergleich der beiden Buck-Boost-Wandler, während die Spannung bei 2,7 W von 4 V auf 24 V gewobbelt wird. Der PassThru-Modus steigerte die Effizienz um 22 % bis 27 % gegenüber dem konventionell gesteuerten System. Zum weiteren Nachweis der Unterschiede zwischen den beiden Systemen wurde diese mit der Batterieemulatorfunktion des IT6010C-80-300 von ITECH getestet. Um die Reaktion des Superkondensators mit einer Laufzeit von mindestens 120 Sekunden zu emulieren, wurden dabei folgende Einstellungen verwendet: Startspannung von 24 V, Endspannung von 0 V, elektrische Ladung von 0,005 Ah und Innenwiderstand von 0,01 mΩ. Abbildung 6 zeigt die Wellenformen der beiden Systeme. Kanal 1 bezieht sich auf die Batterieemulatorspannung, Kanal 2 auf die Motorspannung und Kanal 3 auf den Motorstrom. Die Laufzeit des über PassThru-gesteuerten Systems betrug 224 Sekunden, die des konventionell gesteuerten Systems dagegen nur 150 Sekunden. Somit lief das System im PassThru-Modus um 49 % länger.
Abbildung 6: Gesamtbetriebszeit des mit Superkondensator betriebenen Motors
Im Folgenden sind einige Punkte aufgeführt, die ein PassThru-gesteuertes System effizienter machen:
- Der PassThru-Modus macht den Buck-Betrieb überflüssig.
- Die Batteriespannung liegt innerhalb des Durchlassbereichs.
- Es ist für den Betrieb bei geringer Last ausgelegt, wobei der Schwerpunkt auf Schaltverlusten liegt.
Fazit
Die PassThru-Technologie ist eine wichtige Komponente für optimale Leistung in jedem mit Superkondensator betriebenen Gerät. Der Einsatz des synchronen Buck-Boost-Controllers LT8210 mit PassThru-Modus bietet bei Geräten, die mit Superkondensatoren gespeist werden eine erhebliche Effizienzoptimierung gegenüber einem konventionell (CCM-betriebenen Buck-Boost) gesteuerten System. In unserem Beispiel ergab sich durch den PassThru-Modus eine um 27 % höhere Effizienz und längere Gesamtbetriebslaufzeit des Systems, wodurch sich die Betriebszeit des Energiespeichersystems um 49 % verlängerte.
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