Geschichte der Li-Ionen-Batterieschutz-ICs Folge 2

In der letzten Ausgabe habe ich erklärt, wie sich die Funktionen der Li-Ionen-Batterieschutz-ICs in den letzten 20 Jahren verändert haben. Im zweiten Teil dieser Serie mit dem Titel "Geschichte der Li-Ionen-Batterieschutz-ICs" möchte ich darüber sprechen, wie sich die Leistung und das Gehäuse der Schutz-ICs verändert haben.

Vergleich und Veränderung der Leistung

Die wichtigste Leistung von Schutz-ICs ist die Genauigkeit der Erkennungsspannung. Insbesondere die Genauigkeit der Überladungserkennungsspannung wirkt sich erheblich auf die Sicherheit und Leistung von Li-Ionen-Akkus aus.

Im Hinblick auf die Sicherheit der Akkus ist es wünschenswert, die Überladungserkennungsspannung so niedrig wie möglich einzustellen. Andererseits ist es wünschenswert, die Ladespannung so hoch wie möglich einzustellen, um die Kapazität der Akkus zu erhöhen. Wenn die Ladespannung jedoch höher als die Überladungserkennungsspannung ist, wird die Überladungsschutzfunktion jedes Mal aktiviert, wenn der Akku geladen wird, und es ist nicht möglich, 100% der Akkukapazität zu laden. Daher ist es notwendig, jede Einstellung der Ladespannung und der Überladungserkennungsspannung mit hoher Genauigkeit zu verwalten, damit diese nicht verkehrt herum eingestellt werden.

Die Genauigkeit der Überladungserkennungsspannung des RS5VG, unseres ersten Schutz-ICs, betrug ±50mV. Die Genauigkeit eines allgemeinen Spannungsdetektors, wie es die damaligen Spannungserkennungs-ICs waren, betrug ±2,5%. Wenn eine Schutzschaltung mit diesem Spannungsdetektor entworfen wurde, betrug die Genauigkeit der Überladungsspannung ±106,25 mV, wenn die Überladungserkennungsspannung 4,25 V betrug. Die Genauigkeit der Überladungserkennungsspannung des RS5VG war mehr als doppelt so hoch wie die eines allgemeinen Spannungsdetektors zu dieser Zeit.
Die Genauigkeit der Überladungserkennungsspannung hat sich seitdem verbessert. Im Jahr 1998 erreichte der R5421N ±25mV, und im Jahr 2009 erreichte der R5471K ±10mV im Temperaturbereich von 0 bis 50°C. Es versteht sich von selbst, dass die technologische Entwicklung sowohl bei den Schaltkreisen als auch bei den Herstellungsverfahren wesentlich zur Erreichung von ±10mV beigetragen hat.
Es gibt eine weitere wichtige Erkennungsgenauigkeit. Das ist die Genauigkeit der Überstromerkennung. Insbesondere die Genauigkeit der Überstromerkennung bei Entladungen wurde hervorgehoben.
Die Entladungsüberstrom-Erkennungsspannung des RS5VG, unseres ersten Schutz-IC, betrug 0,2V±30mV. Da die Entladungsüberstromfunktion den Durchlasswiderstand eines FET nutzt und der FET mit der Ausgangsleitung des Akkupacks in Reihe geschaltet ist, wirkt sich der Durchlasswiderstand des FET direkt auf die Impedanz des Akkupacks aus. Aus der Sicht des Akkupacks ist es wünschenswert, dass die Impedanz so niedrig wie möglich ist, um einen großen Strom fließen zu lassen, daher ist der Durchlasswiderstand des FET weiter gesunken. Dementsprechend hat sich auch der erforderliche Wert der Entladeüberstrom-Erkennungsspannung von Schutz-ICs verringert.

Im Jahr 2009 erreichte die Entladungsüberstrom-Erkennungsspannung des R5471K 0,13 V mit einer Genauigkeit von ±10 mV. Wie in der vorangegangenen Spalte erläutert, sank die Überstromerkennungsspannung im Jahr 2013 mit der Einführung der Überstromerkennungsmethode unter Verwendung eines externen Widerstands anstelle des Durchlasswiderstands des FETs auf 0,015 V, da ein niedriger externer Widerstand verwendet wurde. Entsprechend verbesserte sich die Genauigkeit auf ±3,1 mV. Im Jahr 2019 erreichten die Entladungsüberstrom-Erkennungsspannung und die Genauigkeit des R5612L 0,0075V±1mV.

Da der Entladungsüberstrom niedriger und genauer geworden ist, haben sich auch die Spannung und die Genauigkeit der Kurzschlusserkennung verbessert, wie in Tabelle 1 dargestellt.

Darüber hinaus hat sich auch die Genauigkeit der 0-V-Akkuladesperrspannung verbessert. Im Jahr 1997 hatte der RS5VM eine Genauigkeit von 0,8V±0,3V, und im Jahr 2019 erreichte der R5445Z eine höhere Genauigkeit von 1,55V±0,05V. Einige Kunden verlangen, dass die Akkus so lange verwendet werden, bis ihre Spannung fast die Grenzspannung erreicht hat, die auch bei tief entladenen Akkus sicher verwendet werden kann.

Die Spannungstoleranz, die in Tabelle 1 als "Absolute Maximalwerte" beschrieben wird, ist neben der Genauigkeit eine wichtige Leistung. Der RS5VG, unser erster Schutz-IC, wies für alle Pins dieses Schutz-ICs eine Spannung von 12 V auf, was die absoluten Höchstwerte betrifft. Beim RN5VM von 1997 wurde die Spannungstoleranz für Pins, die mit der Batteriespannung verbunden sind, und für Pins, die außerhalb des Akkus angeschlossen sind, wie z. B. Akkuladegeräte oder Systemlasten, getrennt eingestellt. Mit dieser Technologie wurde der RN5VM als hochspannungstoleranter Schutz-IC freigegeben, ohne dass sich seine Chipgröße wesentlich verändert hat. Beim RN5VM lagen die absoluten Höchstwerte der Pins, die mit der Batteriespannung verbunden sind, bei 12 V und die der Pins, die außerhalb des Batteriepacks angeschlossen sind, z. B. an Akkuladegeräte, bei 28 V. Danach, im Jahr 2009, wurde der höhere Wert auf 30 V erhöht, was bis heute gilt.

Wie oben beschrieben, hat sich die Leistung von Schutz-ICs vor allem auf die Genauigkeit der Überladungserkennungsspannung und der Überstromerkennungsspannung bei der Entladung entwickelt, aber die Anforderung an die Genauigkeit kann weiter bestehen.

Vergleich und Veränderung der Gehäusegrößen

Li-Ionen-Akkus werden seit 1992 in tragbaren Videokameras eingesetzt und haben sich durch den weit verbreiteten Einsatz in Mobiltelefonen erheblich weiterentwickelt. Die Entwicklung von Mobiltelefonen ging einher mit Miniaturisierung, Verkleinerung und Gewichtsreduzierung. Dementsprechend mussten auch die Akkus kleiner und dünner werden, und auch bei den Schutz-ICs war es notwendig, sie kleiner und dünner zu machen.

Das Gehäuse des RS5VG, unseres ersten Schutz-ICs, war SOP8. Die Größe des Gehäuses betrug 5,2 x 6,2 mm, was heute undenkbar ist. Obwohl er ein Jahr später, 1996, im VSOP8-Gehäuse untergebracht wurde und eine Größenreduzierung von fast 40 % im Vergleich zum SOP8 erreichte, war die Bewertung durch den Markt leider nicht zufriedenstellend. Es hatte keine nennenswerte Auswirkung auf unsere Kunden.
Ein Jahr später, 1997, wurde das RN5VM im SOT23-6-Gehäuse untergebracht und erreichte eine Verkleinerung auf weniger als 50% des RV5VG und 1/4 des RS5VG. Da dieses SOT23-6-Gehäuse für gängige Bauelemente wie Transistoren verwendet wurde und die Kosten niedrig gehalten werden konnten, hatte es sowohl in Bezug auf die Größe als auch auf die Kosten einen erheblichen Einfluss auf den Markt.
Im Jahr 2004 wurde der R5401K in das erste bleifreie Gehäuse, DFN1820-6, verpackt. Danach wurde die Miniaturisierung des bleifreien Gehäuses vorangetrieben. Im Jahr 2015 wurde für den R5499Z zum ersten Mal das WLCSP6-Gehäuse in Chipgröße verwendet, und der Anteil des WLCSP-Gehäuses auf dem Markt ist gestiegen.

Die Veränderungen der Gehäusegröße von Schutz-ICs ist in Tabelle 2 dargestellt.

In den 20 Jahren von 1995 bis 2015 wurde die Größe des Gehäuses auf 2,8 % der Fläche reduziert, und auch die Höhe des Gehäuses wurde von 1,5 mm auf 0,4 mm verringert. Für die Zukunft ist eine weitere Verkleinerung der Bauhöhe geplant.

In den letzten Jahren haben sich Li-Ionen-Akkus in kleinen Geräten wie Wearables und Hearables durchgesetzt, und Miniaturisierung und Verkleinerung sind wesentliche Anforderungen des Marktes.

Wie bereits erwähnt, habe ich im ersten und zweiten Teil dieser Serie mit dem Titel "Geschichte der Schutz-ICs für Lithium-Ionen-Akkus" über die Funktion und Leistung von Schutz-ICs sowie über den Übergang und die Entwicklung der Schutz-IC-Gehäuse gesprochen. Grundsätzlich gibt es drei Parameter für die Verwaltung der Akkusicherheit: Akkuspannung, Lade-/Entladestrom und Akkutemperatur. Daher dachte ich, dass das Potenzial von Funktion und Leistung für Schutz-ICs nicht so groß war, als unser erster Schutz-IC entwickelt wurde, aber selbst jetzt, mehr als 25 Jahre nach dem Aufkommen der Schutz-ICs, gibt es immer wieder neue Anforderungen von Kunden. Dementsprechend bemühen wir uns täglich, die Technologie weiterzuentwickeln und fortschrittliche Produkte zu entwickeln.

Beim nächsten Mal möchte ich darüber sprechen, wie sich die Anwendungen für Lithium-Ionen-Akkus, die Schutz-ICs verwenden, verbreitet haben und wie sich unsere Zielkunden verändert haben.
 

• Die Entwicklung der Funktionen von den Anfängen bis zur Gegenwart - Geschichte der Li-Ionen-Batterieschutz-ICs - Folge 1
   
• Entwicklung von Leistung und Gehäuse von den Anfängen bis heute - Geschichte der Li-Ionen-Batterieschutz-ICs - Folge 2
   
• Veränderungen bei den Anwendungen von Li-Ionen-Akkus - Geschichte der Li-Ionen-Batterieschutz-ICs - Folge 3
   
• Maßnahmen bei Problemen mit Li-Ionen Akku-Schutzschaltungen - Folge 4
   
• Die Zukunft der Li-Ionen-Batterieschutz-ICs - Folge 5