Grob zusammengefasst besteht ein Energieversorgungssystem für mobile Geräte aus vier logischen Bausteinen, von denen jeder einzelne mit Intelligenz ausgestattet ist: die Quelle, die Verteilung, der Verbrauch und die Wiederbeschaffung. Für den Erfolg eines Gerätes ist es wichtig, dass die Batterie lange hält, genügend Strom liefern kann sowie leicht und klein ist. Die wichtigsten Anforderungen an ein mobiles, batteriebetriebenes Gerät sind neben Betriebsdauer, Gewicht und Grösse auch Sicherheit, Lebensdauer und ungehinderter Zugang zu internationalen Märkten.
Erster Baustein – Quelle
Wenn der Strom nicht aus der Steckdose kommt, dann hoffentlich aus einem gut geladenen Akku. Das mobile Gerät bezieht seine Energie sowohl aus der Netzversorgung als auch zeitweilig aus einem oder mehreren Batteriepacks. Klein und leicht sollte die wiederaufladbare Batterie sein, gleichzeitig aber viel Energie bereitstellen. Diese beiden Anforderungen widersprechen sich per se.
Das interne Design der Batterie legt nicht nur Kapazität und Leistung fest, es hat auch Einfluss auf die spätere Betriebssicherheit. Die Batterien von RRC unterstützen beispielsweise auch eine Authentifizierung, wodurch sichergestellt werden kann, dass ausschliesslich vom Gerätehersteller freigegebene Batterietypen in der Applikation genutzt werden. Als Gerätehersteller hat man auf diesen Block nur durch kluge Wahl des geeigneten Batteriepacks Einfluss. RRC entwickelt und fertigt wiederaufladbare, extrem energiereiche Batteriepacks aus Lithium-Ionen-Zellen, unter anderem von Samsung. Die Packs werden vorzugsweise in Medizintechnik, Industrie, Messtechnik, Logistik und im militärischen Umfeld eingesetzt. In diesen Märkten haben Qualität und Sicherheit einen sehr hohen Stellenwert, dennoch müssen die Preise wettbewerbsfähig sein. Robustheit, Zertifizierungen und Zulassungen gemäss EMC, UL, Safety, IEC62133, CE, RCM, EAC, KC, RoHS, REACH usw. sind zwingend für den Erfolg in den globalen Märkten.
Zweiter Baustein – Verteilung
Der Smart Battery Manager (SBM) wandelt die Spannung der Netzversorgung oder des Batteriepacks in verschiedene Spannungslevels für die Applikation. Verfügt das Gerät über mehr als eine Batterie oder wird es zusätzlich vom Netz versorgt, verteilt der SBM nach Anweisung des internen Mikrocontrollers dynamisch Lasten und Ströme. Damit Gerätehersteller schnell ein mobiles Gerät entwickeln können, hat congatec mit dem Modul SBM3 ein Referenzdesign geschaffen, das bis zu zwei Batteriepacks in den Konfigurationen 2S bis 4S unterstützt. Das SBM3 ist Teil des neuen Qseven-Starter-Kits für mobile Embedded-Anwendungen. Das conga-SBM3 ist ein vollständiges Batterie-Management-Subsystem. Entwickelt wurde es für die Low-Power-COM-Express- und Qseven-Module.
Dritter Baustein – Steuerung
Damit die verfügbare Energie lange ausreicht, muss das Betriebssystem über ein Verbrauchsmanagement klug mit der verfügbaren Energie haushalten. Das ACPI ist ein Schlüsselelement des Powermanagements. Es ist in das Betriebssystem eingebunden und kommuniziert mit dem SBM3. Das Powermanagement im ACPI steuert über definierte Power States den Gesamtenergieverbrauch. Einzelne Komponenten des Gerätes wie I/O oder HD lassen sich gezielt über Device Power States abschalten, die S-States definieren unterschiedlichste Level von Sleep Modi und mit den C-States wird die CPU-Leistung reguliert.
Wie der Name schon ausdrückt, besteht das Softwareinterface zum Batteriesystem aus einzelnen ACPI-Funktionen, den «Control Methods». Die beiden wichtigsten sind dabei _BIF (Battery Information) und _BST (Battery Status). _BIF gibt dabei die statischen Batteriedaten, wie z.B. Seriennummer, Design Voltage und Modelnummer, an das ACPI OS weiter. _BST hingegen liefert die sich dynamisch ändernden Batteriedaten. Dazu zählen z.B. der Ladezustand und die verbleibende Kapazität. Diese Methoden sind im congatec-ACPI-BIOS entsprechend implementiert und sorgen somit für das Bindeglied zwischen Betriebssystem und Batteriehardware. Zudem bedarf es eines Eventhandlers, welcher zeitgerecht auf sich ändernde Batteriezustände reagiert.
Vierter Baustein – Wiederbeschaffung
Batterien müssen gelegentlich geladen werden. Auch die Ladeschaltung enthält Intelligenz. Dabei ist es nur eine Teilaufgabe, die passenden Ladeströme für den entsprechenden Batterietyp zu liefern. Je nach Temperatur, Batteriezustand und Lastaufkommen entscheidet die Ladeschaltung in Zusammenarbeit mit dem SBM, wie hoch die Ströme sein müssen und wie lange sie fliessen. Dabei stützt sich der SBM auf Informationen aus der Batterie, die ihm ihren Ladezustand und ihre innere Temperatur mitteilen kann. Genauso hängen die Ladeströme von der verfügbaren Energie aus dem Netzteil und der notwendigen Aufteilung zwischen Applikation und Batterie ab. Auch die Entscheidung, ob mehrere Batterien sequenziell oder parallel zu laden sind, hängt vom Einsatz ab. Die Anforderung an die Ladeschaltung ist ähnlich widersprüchlich wie an den Batteriepack. Leistungsfähig, aber bitte klein und leicht. Die Betriebsdauer eines Mobiles hängt von der Akkukapazität, dem Verbrauch und dem Gesamtkonzept des Powermanagements ab.
Fazit
Batterien sind aus Sicht des Geräteherstellers eher ein Nebenschauplatz. Sein Fokus liegt naturgemäss auf seiner Applikation. Doch am Erfolg eines Geräts hat eine klug gewählte und optimal dimensionierte Energieversorgung grossen Anteil. Die Technologie der Zellchemie entwickelt sich weiter. Der Trend geht zu noch leistungsstärkeren Batteriepacks, die, ähnlich wie die Power-Tool-Zellen eines Akkuschraubers, hohe Ströme mit grosser Kapazität verbinden. Diese Technologien erfordern spezielles Know-how im Umgang. Mit dem «Mobility-Starter-Kit» von congatec und RRC lässt sich ein Laboraufbau zügig realisieren. Im weiterführenden Integrations-Kit werden auch alle Schaltpläne, Sourcefiles des Mikrocontroller-Programms sowie eine komplette Entwicklungsdokumentation bereitgestellt.
Damit sich Polyscope-Leserinnen und -Leser selbst ein Bild vom «Mobility-Starter-Kit» machen können, verlosen wir ein von congatec gesponsertes Starter-Kit im Wert von über 1200 Franken. Dazu müssen Sie die folgenden drei Fragen beantworten und bis zum 31. Dezember 2014 an den Verlag faxen. Wer lieber online mitmacht, kann hier klickenhttp://www.polyscope.ch/forms/PS22-14_Leseraktion_QR.php. Die Teilnehmer können von RCC power solutions und congatec sowie von der Binkert Medien AG für Marketingzwecke kontaktiert werden. Den glücklichen Gewinner veröffentlichen wir in einer der nächsten Polyscope-Ausgaben. Viel Glück an alle Teilnehmerinnen und Teilnehmer!
Infoservice
RRC power solutions GmbH
DE-66424 Homburg/Saar, www.rrc-ps.de
congatec AG
DE-94469 Deggendorf, www.congatec.com
