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RRC Power Solutions

Woher kommt die Energie?

| Redakteur: Kathrin Schäfer

Mobile Medizingeräte arbeiten mit netzunabhängigen Energiequellen. Hierbei entscheiden Batteriepacks, Ladekonzepte, Verbrauchssteuerungen und die Dimensionierung der Spannungsversorgung über Einsatzfähigkeit, Kosten, Betriebs- und Lebensdauer der Geräte. Welche Faktoren sind bei der Wahl einer Batterie zu berücksichtigen?

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Mobility Starterkit von Congatec und RRC: Darin enthalten sind SBM3, Batteriepack RCC, Computer-On-Module, Carrierboard, Display und Kabelsatz zur schnellen Evaluierung.
Mobility Starterkit von Congatec und RRC: Darin enthalten sind SBM3, Batteriepack RCC, Computer-On-Module, Carrierboard, Display und Kabelsatz zur schnellen Evaluierung.
( Bild: Congatec )

Im Wesentlichen bestehen Energieversorgungssysteme für mobile Geräte aus vier Bausteinen: der Quelle, der Verteilung, dem Verbrauch und der Wiederbeschaffung. Wenn der Strom schon nicht aus der Steckdose kommt, dann hoffentlich aus einem gut geladenen Akku. Mobile Geräte beziehen ihre Energie aus der Netzversorgung sowie zeitweilig auch aus einem oder mehreren Batteriepacks.

Die Energiequelle

Klein und leicht sollen wiederaufladbare Batterien sein, und dennoch viel Energie bereitstellen. Weil sich diese Anforderungen widersprechen, hat die Energiedichte Priorität. Doch woher kommt die Energie? Eine Batterie besteht aus einer oder mehreren Zellen. Es gibt unterschiedliche chemische Verfahren, wie diese Zellen aufgebaut werden können. Geht es um die Energiedichte pro Zelle, dann ist die Lithium-Ionen-Technologie allen anderen chemischen Zellaufbauten weit überlegen.

Damit aus der Grundeinheit Zelle eine einsatzfähige, betriebssichere und auch wieder aufladbare Batterie mit gewünschter Leistung entsteht, schaltet der Batteriehersteller mehrere Zellen parallel und/oder in Reihe zusammen. Die RRC2054 beispielsweise besteht aus vier in Serie geschalteten Zellen. Man spricht dann von einer 4S/1P-Konfiguration.

Eingebaute Sensoren und ein Mikrocontroller machen daraus eine intelligente Smart Battery. Ein extern angeschlossenes Powermanagement kann über den SMBus Statusinformationen und batteriespezifische Daten abrufen. Kritische Ereignisse werden in einem Datenlogging festgehalten und können im Garantiefall oder zur Analyse ausgewertet werden. Das interne Design der Batterie legt nicht nur Kapazität und Leistung fest, es hat auch Einfluss auf die Betriebssicherheit. Die Batterien von RRC unterstützen beispielsweise eine Authentifizierung, wodurch sichergestellt werden kann, dass ausschließlich vom Gerätehersteller freigegebene Batterietypen in der Applikation genutzt werden. Neben den elektrischen Fakten entscheiden Fertigungsqualität des Batteriepacks und verfügbare Zulassungen über eine erfolgreiche internationale Vermarktung.

Die 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. Congatec entwickelt und fertigt modulare Computermodule. Das SBM3 ist Teil des neuen Q-Seven-Starterkits für mobile Embedded-Anwendungen. Es ist ein vollständiges Batterie-Management-Subsystem.

Für Eingangsspannungen von 8 V bis 30 V dimensioniert, deckt das SBM3 alle gängigen Eingangsbereiche ab. Für die Applikation wandelt es die Eingangsspannung in 12 V und zweimal 5 V. Das Referenzdesign umfasst die Gesamtmenge aller Möglichkeiten. Congatec stellt im Conga-SBM3-Development-Licence-Kit alle Informationen und Unterlagen zur Verfügung. So können Hersteller ihre Geräte applikationsspezifisch auslegen.

Die Steuerung

Damit die verfügbare Energie über einen langen Zeitraum hinweg ausreicht, ist es notwendig, dass das Betriebssystem über ein Verbrauchsmanagement mit ihr haushaltet. Das Advanced Configuration and Power Interface, kurz 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 beispielsweise I/O oder HD können gezielt über Device Power States abgeschaltet werden. Mit den C-States wird die CPU-Leistung reguliert.

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Die Wiederbeschaffung

Batterien müssen geladen werden. Je nach Temperatur, Batteriezustand und Lastaufkommen entscheidet die Ladeschaltung in Zusammenarbeit mit dem SBM, wie hoch Ladeströme 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. Die Entscheidung, ob mehrere Batterien sequentiell oder parallel geladen werden müssen, hängt vom Einsatzfall ab.

Batterien sind aus Sicht des Geräteherstellers ein Nebenschauplatz. Sein Fokus liegt auf dem Medizingerät. Doch an dessen Erfolg hat eine optimal dimensionierte Energieversorgung großen Anteil. Mit dem Mobility Starterkit von Congatec und RRC ist ein Laboraufbau zügig möglich. Im weiterführenden Integrationskit werden Schaltpläne, Sourcefiles des Mikrocontroller-Programms sowie eine komplette Entwicklungsdokumentation bereitgestellt. Dies kann dem Anwender zahlreiche Lernkurven ersparen.

RRC auf der Compamed 2014: Halle 8a, Stand G08

Congatec auf der Compamed 2014: Halle 8b, Stand J27

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