Antriebsmotoren in Batterie

Viele batteriebetriebene Systeme und Internet-of-Things-Anwendungen (IoT) – wie intelligente Messgeräte, intelligente Sanitärprodukte, Videotürklingeln, Roboterspielzeuge, Körperpflegeprodukte und elektronische Schlösser – enthalten einen Motor, ein Magnetventil oder ein Relais. Das Zusammenspiel zwischen der Batterie und der Motorphysik führt zu einigen interessanten Designherausforderungen, wie z. B. dem zuverlässigen Betrieb des Systems bei sich ändernder Batteriespannung, der Minimierung der Standby-Leistung zur Verlängerung der Systemlebensdauer und der Versorgung des Motors mit großen Strömen beim Starten und Abwürgen.

In diesem Artikel gebe ich einige Tipps, die Ihnen bei der Bewältigung dieser Designherausforderungen helfen.

Der dem Motortreiber zur Verfügung stehende Batteriespannungsbereich hängt von der Batteriechemie, der Entladetiefe, der Temperatur, dem Laststrom und der Anzahl der in Reihe oder parallel geschalteten Batteriezellen ab. Obwohl die Batteriemodellierung eine komplexe Wissenschaft ist, beginnen wir mit einem einfachen Batteriemodell unter Verwendung der Leerlaufspannung (VOCV), des internen Batteriewiderstands (RBAT) und der Batterieklemmenspannung (VBAT), wie in Abbildung 1 dargestellt.

Tabelle 1 zeigt einige Beispiele für Batteriespannungsbereiche für verschiedene Batteriechemien.

1,7 V/Zelle

3,4 V insgesamt

0,8 V/Zelle

1,6 V insgesamt

100–250 mΩ/Zelle

Insgesamt 200–500 mΩ

1,55 V/Zelle

4,65 V insgesamt

0,8 V/Zelle

2,4 V insgesamt

135 mΩ/Zelle (Durchschnitt)

405 mΩ insgesamt (Durchschnitt)

1,5 V/Zelle

6 V/Zelle

0,8 V/Zelle

3,2 V insgesamt

150–300 mΩ/Zelle (frisch)

600–1200 mΩ insgesamt (frisch)

4,2 V/Zelle

8,4 V insgesamt

2,75 V/Zelle

5,5 V insgesamt

160 mΩ/Zelle

Insgesamt 320 mΩ

RBAT und VOCV tragen wesentlich dazu bei, dass sich VBAT im Laufe der Lebensdauer der Batterie verändert. Mit abnehmender Batterieladung sinkt der VOCV und der RBAT steigt. Da die Last Strom aus der Batterie (IBAT) bezieht, sinkt VBAT aufgrund des Spannungsabfalls an RBAT.

Abbildung 2 zeigt die Beziehung zwischen VOCV, RBAT und IBAT über die Batterielebensdauer hinweg.

Die Entladetiefe (DoD) gibt die Batterielebensdauer als Prozentsatz im Verhältnis zur vollen Batterieladekapazität in Milliamperestunden (mAh) an. Ein DoD von 100 % bedeutet eine vollständig entladene Batterie.

Da sich VBAT mit DoD und IBAT ändert, muss die Versorgungsschienennennleistung für einen Motortreiber eine Reihe möglicher Batteriespannungen berücksichtigen. Beispielsweise verfügen viele für 24-V-Systeme ausgelegte Motortreiber über eine Mindestversorgungsschiene von 4,5 V. Bei vier in Reihe geschalteten Alkalibatterien kann sich ein Motortreiber mit einer Mindestversorgungsspannung von 4,5 V durch eine Unterspannungssperre selbst deaktivieren, bevor die Batterien vollständig entladen sind Abfluss.

DRV8210 und DRV8212 von Texas Instruments (TI) sind Beispiele für Motortreiber, die für batteriebetriebene Anwendungen mit einer Versorgungsspannung von 1,65 V bis 11 V entwickelt wurden. Dies entspricht der maximalen Spannung für einen zweizelligen Lithiumbatteriestapel (8,4 V). ein fast entladener zweizelliger Alkalibatteriestapel (1,65 V).

Batteriebetriebene Systeme verbringen den Großteil ihrer Betriebsdauer im Standby-Zustand. Verbraucher können beispielsweise motorisierte Jalousien nur zweimal am Tag bedienen oder ein elektronisches Schloss bis zu 20 Mal am Tag ver- und entriegeln. Das Ventil eines Gaszählers oder Wasserzählers darf nur einmal im Jahr ansprechen. Um in diesen Systemen lange Batterielebensdauern zu erreichen, muss der Ruhestrom des Gesamtsystems gering sein.

Das Hinzufügen von Lastschaltern an den Versorgungsschienen von Peripheriegeräten im System ist eine Möglichkeit, den Standby-Strom niedrig zu halten. Eine andere Möglichkeit besteht darin, Geräte mit niedrigen Standby-Strömen zu verwenden, die für Batterieanwendungen optimiert sind. Der DRV8210 und der DRV8212 verfügen über Ruheströme von <84,5 nA, um den Standby-Stromverbrauch des Systems zu reduzieren. Andere Möglichkeiten, den Standby-Strom des Systems zu reduzieren, bestehen darin, Widerstandsteiler zu eliminieren und die Logik-Pins des Geräts mit Pulldown-Widerständen auf 0 V zu setzen, wenn es nicht in Betrieb ist.

Große Ströme von Motoren verursachen in Batteriesystemen zwei Probleme: Sie verbrauchen Energie unproduktiv und können dazu führen, dass das System aufgrund des Spannungsabfalls über RBAT vorzeitig in einen Sperrzustand bei niedrigem Batteriestand übergeht. Es gibt zwei Hauptursachen für hohe Motorströme: Einschaltstrom während des Motorstarts und Blockierstrom. Abbildung 3 zeigt ein Beispiel dieser Ströme.

Durch die Implementierung einer Sanftanlaufroutine für den Motor durch Erhöhung des Pulsweitenmodulations-Arbeitszyklus kann der große Einschaltstrom während des Motorstarts abgemildert werden. Abbildung 4 zeigt Beispiele für Hardstart- und Softstart-Implementierungen für einen leeren Stapel von vier AAA-Batterien.

In Abbildung 4(a) führt der Einschaltstrom des Motors dazu, dass die Batteriespannung während eines harten Starts aufgrund des Spannungsabfalls über RBAT sinkt. Wenn dieses System zurückgesetzt wird oder in einen Unterspannungs-Sperrzustand um 3,5 V übergeht, kann der Motor über den ersten Start hinaus nicht weiterlaufen.

Abbildung 4(b) zeigt, wie die Verwendung eines Sanftanlaufs zu einem geringeren Spannungsabfall auf der Versorgungsschiene führt, was dazu beitragen kann, die Betriebsdauer eines Systems mit leerer Batterie etwas zu verlängern.

Um die Blockierströme zu kontrollieren, kann das Hinzufügen eines Strommesswiderstands dazu beitragen, dass der Mikrocontroller einen Blockierstrom erkennt und den Motortreiber deaktiviert, bevor er über einen längeren Zeitraum große Blockierströme zieht. Blockierzustände können durch eine unbeabsichtigte mechanische Blockierung oder durch das Erreichen eines Endanschlags durch die mechanische Last (z. B. einen vollständig betätigten Riegel in einem Smart Lock) entstehen.

Abbildung 5 zeigt eine beispielhafte Systemimplementierung mit dem DRV8212.

Der Analog-Digital-Wandler des Mikrocontrollers misst die Spannung des Messwiderstands und vergleicht diese Spannung mit einem in der Firmware gespeicherten Schwellenwert. Wenn die Strommessung für eine bestimmte Zeit den Schwellenwert überschreitet, deaktiviert der Mikrocontroller den Motortreiber, um Strom zu sparen. Es ist wichtig, die Zeitspanne für die Erkennung eines Stillstands zu konfigurieren, damit der Einschaltstrom nicht versehentlich die Stillstandserkennung auslöst.

Abbildung 6 zeigt ein Motorstromprofil während eines Stillstandszustands mit implementierter Stillstandserkennung, während Abbildung 3 die Wellenform des Motorstroms ohne Stillstandserkennung zeigt.

Batteriehersteller messen die Batteriekapazität in mAh. Daher trägt die Begrenzung sowohl der Größe des Einschaltstroms als auch der Dauer des Stillstandsstroms dazu bei, die Batterielebensdauer zu verlängern.

Aufgrund der begrenzten Lebensdauer der Batterie, der Schwankungen der Batteriespannung und der großen Motorströme kann es schwierig sein, batteriebetriebene Systeme mit Motoren zu entwerfen. Die Verwendung eines Motortreibers, der für den Spannungsbereich der Batterie ausgelegt ist, erleichtert den Designaufwand, da zusätzliche Aufwärtswandler entfallen und die minimale Batteriebetriebsspannung berücksichtigt werden kann.

Durch die Minimierung des gesamten Standby-Stroms des Systems und die Verwendung eines Motortreibers mit Energiesparmodus wird die Energieverschwendung aus der Batterie reduziert. Sowohl Sanftanlauf- als auch Blockiererkennungstechniken können auch dazu beitragen, die Betriebslebensdauer von Batterieanwendungen zu verlängern, indem sie die Größe und Dauer großer Motorströme im System reduzieren.

Durch den Einsatz dieser Techniken können Systementwickler die Betriebslebensdauer batteriebetriebener Systeme wie intelligenter Sanitärprodukte, motorisierter Jalousien, elektronischer intelligenter Schlösser und anderer verlängern.

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