Live from the Lab – Power for IoT

Kennst du dich mit Batterien und Akkus aus? Der Livestream „Keysight: Live from the Lab“ gibt eine gute Einführung in die Thematik. In dieser Livestream-Reihe, die von Keysight gehostet wird, werden bei jeder Veranstaltung unterschiedliche elektronische Vorgänge oder Begebenheiten beleuchtet. Bei den einzelnen Vorträgen wird versucht elektrotechnisches Wissen einfach und mit Humor zu vermitteln. Beispielsweise wurde in einem vorherigen Livestream eine 50Ω-Leitung mit Hilfe von flüssigem Stickstoff heruntergekühlt, um den Temperatureinfluss auf die Hochfrequenzeigenschaften messen zu können.

Bohrmaschinen-Akkus und Lithiumzellen

Der aktuelle Vortrag befasste sich dabei mit dem Thema „Power for IoT“. Die Vermessung eines alten Bohrmaschinen Akkus bildete hierfür die Grundlage. Für einen ersten unwissenschaftlichen Test wurden Schrauben in ein Brett geschraubt, bis der der Akkuschrauber aufgab. Trotzdem gab es hier schon das erste Learning: Batterien verlieren durch Auflade-Zyklen Kapazität und ihr Innenwiderstand erhöht sich. Im genannten Test schnitt der alte Akku im Vergleich zu einem Neuen 37% schlechter ab.

Da nahezu alle Batterien ähnliche Problematiken aufweisen, können Messungen an diesem Akku auf andere Akkus und Batterien übertragen werden. Um nicht unnötig Batterien zu verbrauchen, entwickelte Keysight aus den Messungen der genannten Akkus ein virtuelles Modell, an dem die folgenden Eigenschaften genauer erklärt werden. In den folgenden Tests wurde auf die drei größten Problematiken von Batterien eingegangen. Ebenfalls ergänzt ist die jeweilige Kernessenz

  • Alterungsprozesse (Auflade-Zyklen)
    • Nehmen Einfluss auf den Innenwiderstand der Batterie, wodurch weniger Leistung am Gerät ankommt.
    • Nehmen Einfluss auf die Kapazität der Batterie, wodurch die Batterie zwischen den Ladezyklen nur kürzer benutzt werden kann.
    • Lösung: Einsatz einer etwas Überdimensionierten Batterie, damit nach einigen Zyklen noch genug Kapazität vorhanden ist!

  • (Umgebungs-)Temperatur
    • Nimmt Einfluss auf die Kapazität der Batterie und verursacht eine Nichtlinearität des Innenwiderstands.
    • Bei niedrigen Temperaturen ~10% niedrigere Kapazität und ggf. Ausfall von Einzelzellen
    • Bei höheren Temperaturen ~15% niedrigere Kapazität
    • Lösung: Einsatz der Batterie möglichst in einer festen Temperaturumgebung für eine gleichbleibende Gesamtkapazität!

  • Strom bzw. Stromentnahme
    • Nimmt Einfluss auf die Kapazität der Batterie. Bei geringerer Entnahme ist die Zyklusdauer länger.
    • Lösung: Einsatz der Batterie bei angepasster Stromentnahme, um Lebensdauer zu verlängern!

Die gleichen Tests wurden anschließend mit einem Lithium-Ionen-Akku durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass dieser weniger empfindlich auf Kälte reagiert, dafür aber schlechtere Alterserscheinungen zeigt (~41% weniger als die nominelle Kapazität bei kälterer Umgebungstemperatur)

Versuche an DC-DC Wandlern

Der zweite große Teil der Veranstaltung befasste sich mit den Eigenschaften von DC-DC-Convertern, die in den meisten Geräten eine wichtige Rolle spielen, um unterschiedliche Versorgungsspannungen zu realisieren. Auch hier wurden zwei Wandler anhand verschiedener Tests verglichen. Dabei wurde insbesondere auf die vom Hersteller genannten Spezifikationen eingegangen:

  • Load Regulation (Veränderung der Ausgangsspannung in Abhängigkeit des Laststroms)
    • Die Spannung des Wandlers bricht ab einer bestimmten Stromentnahme schlagartig zusammen.
  • Line Regulation (Veränderung der Ausgangsspannung in Abhängigkeit der Eingangsspannung)
    • Der Wandler besitzt nach oben und nach unten eine Grenzspannung vor/nach der er nicht mehr die geforderte Ausgangsspannung liefern kann.
  • Turn-on time (Zeit, bis eine stabile Ausgangsspannung erreicht ist, nach Einschalten des Wandlers)
    • Hier muss auf ein gutes Verhältnis zwischen Flankensteilheit und einem möglichen Überschwingen der Spannung geachtet werden.
  • Turn-off time (Zeit wie schnell die Spannung von der Last getrennt wird, nach Abschalten des Wandlers)
    • Beim Abschalten können Spannungsspitzen entstehen, welche die Last beschädigen können.
  • Ripple Output (Durch Schaltvorgänge im Wandler erzeugtes parasitäres Rauschen)
    • Der Ripple Faktor = Ripple/(Average Output) sollte möglichst unter 1% liegen
  • Effizienz (Wirkungsgrad des Wandlers)
    • Bei höherer Betriebsspannung des Wandlers ist der Wirkungsgrad besser, gleichzeitig sinkt dieser bei größerer Stromaufnahme.

 

Trotz meines Vorwissens bewerte ich den Livestream als sehr lehrreich, da er auf unterhaltsame Art und Weise zum Nachdenken anregt. Vor allem die elektrischen Eigenschaften der betrachteten Bauteile wurden vertieft und auf die wichtigen Designparameter bei der Spannungsversorgung von tragbaren Geräten wurde eingegangen. Hier kannst du die Aufnahme des Livestreams kostenlos ansehen.

Du benötigst Hilfe bei der Auswahl von Akkus, Batterien oder allgemein bei der Stromversorgung von tragbaren Medizingeräten ? Dann melde dich gerne bei uns. Ein Beispiel über ein vergangenes Projekt, das wir umgesetzt haben, findest du im folgenden Blogartikel: Interview über Start-ups in der Medizintechnik mit Ralph Steidl

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