Authentifizierung und präzise Überwachung von Akkus

Die Nutzer erwarten von Akkus nicht nur Strom, sondern einen sicheren und vorhersagbaren Betrieb sowie Benachrichtigungen, wenn sie geladen oder ersetzt werden müssen. Dies stellt die Entwickler vor zwei Herausforderungen. Die erste ist die verlässliche und genaue Vorhersage der Akkukapazität. Die zweite besteht darin, sicherzustellen, dass der störungsfreie Betrieb des Produkts durch Original-Akkus sichergestellt ist.

Die MAX172xx-Familie von Ladungsanzeigen von Maxim Integrated bietet den Entwicklern eine Ein-Chip-Lösung, die mit minimalem Aufwand eine hohe Genauigkeit und eine sichere Authentifizierung bietet.

Der Faktor Akkuleistung

Die Akkuleistung ist in allen Klassen von mobilen Produkten zu einem wichtigen Unterscheidungsmerkmal geworden. Allerdings fallen den Nutzern die Akkus nur dann auf, wenn sie ihre Erwartungen nicht erfüllen. Viele Hersteller suchen noch immer nach verlässlichen Methoden zur Ermittlung einer Schätzung der verbleibenden Ladung eines Akkus, insbesondere bei Lithium-Ionen-Akku-Packs.

Anders als bei früheren Akkutechnologien ist die Ausgangsspannung über einen großen Teil des Betriebsbereichs unveränderlich, aber stark temperaturabhängig (Abbildung 1). Daher neigt die herkömmliche Messung der Leerlaufspannung (open-circuit voltage, OCV) zur Vorhersage des Ladezustands (state-of-charge, SOC) bei Lithium-Ionen-Zellen zu erheblichen Fehlern. Darüber hinaus sind Akkus durch den erforderlichen Messwiderstand einem ständigen Ladungsverlust ausgesetzt, auch wenn die Entwickler versuchen, Strategien zur Verlängerung des Zeitraums zwischen Aufladungen zu entwickeln.

Abbildung 1: Wie bei jedem Lithium-Ionen-Akku erschwert der relativ flache Verlauf der Ausgangsspannung den Versuch, Ausgangsspannung und Kapazität der Zelle in Zusammenhang zu bringen. (Bildquelle: Richtek)

Bei einem anderen verbreiteten Ansatz, der Coulomb-Zählung, werden Eingangs- und Ausgangsstromstärken des Akkus sorgfältig überwacht. Im Idealfall würde dieser Ansatz eine sehr genaue und verlässliche Schätzung des Ladezustands des Akkus liefern. In der Praxis entstehen durch die nicht idealen Charakteristiken realer Schaltungen Fehler, die mit der Zeit zu erheblichen Verfälschungen der Schätzung des Ladezustands führen.

Die Gerätehersteller arbeiten nicht nur an genaueren Schätzungen des Ladezustands, sondern ergreifen auch seit Jahren Maßnahmen, um sicherzustellen, dass für ihre Geräte nur Original-Akkus verwendet werden. Nicht lizenzierte Kopien stellen nicht nur eine erhebliche finanzielle Einbuße für den Hersteller des Produkts dar, sondern sie beeinträchtigen darüber hinaus den Betrieb des akkubetriebenen Geräts durch den Verbraucher. Diese gefälschten Akkus erfüllen oft nicht die strengen mechanischen und elektrischen Anforderungen des Bestimmungsprodukts. Die Kopien haben möglicherweise keinen ausreichenden Schutz vor Kurzschlüssen, keine Temperaturüberwachung und kein Lademanagement. All dies ist für Lithium-Ionen-Akkus besonders wichtig.

Darüber hinaus können Akkus, die die Anschlusswerte nicht exakt erfüllen, zu Schäden beim Bestimmungsprodukt führen. Trotz eingebauter Schutzmechanismen reagieren hochentwickelte Halbleiterbausteine empfindlich auf Versorgungsspannung und -stromstärke. Akkus, die die erforderlichen Spezifikationen nicht erfüllen, können Komponenten überbeanspruchen, die Leistung beeinträchtigen und zu kürzerer Lebensdauer und Ausfällen führen.

Einzelchip-Lösung

In der Vergangenheit haben die Hersteller von akkubetriebenen Geräten und Akku-Packs zur Schätzung des Ladezustands von Akkus und zur Überprüfung auf Original-Akkus mehrere Komponenten benötigt. Der MAX17201 von Maxim Integrated ist dagegen eine Ein-Chip-Lösung, mit der sowohl der Ladezustand sehr genau geschätzt als auch der Akku sehr sicher authentifiziert werden kann.

Mithilfe des MAX17201 oder einer seiner Varianten und einer Handvoll zusätzlicher passiver Komponenten können diese Fähigkeiten im System (Abbildung 2A) oder im Akku-Pack (Abbildung 2B) implementiert werden. Der MAX17201 und der MAX17211 überwachen eine einzelne Zelle, der MAX17205 und der MAX17215 überwachen dagegen ein Pack aus mehreren Zellen.

Abbildung 2: Der MAX17201 und der MAX17211 unterstützen sowohl die Integration im System (A) als auch im Akku (B) und liefern präzise Schätzungen der Kapazität und authentifizieren den Akku mithilfe von nur wenigen zusätzlichen Komponenten. (Bildquelle: Maxim Integrated)

Für Entwickler stellt dies nahezu eine Drop-in-Lösung dar. Hardwareingenieure können den Baustein mithilfe einer einfachen seriellen 1- oder 2-Draht-Schnittstelle in die Energieversorgung des Zielsystems integrieren. (Die Bausteine der MAX1720x-Serie unterstützen eine serielle I²C-Schnittstelle, die Bausteine der MAX1721x-Serie unterstützen die serielle 1-Draht-Schnittstelle von Maxim.) Bei der Entwicklung der Software müssen einige einfache Befehle über die serielle Schnittstelle implementiert werden, die die im MAX172xx eingebauten Routinen zur Ermittlung des Ladezustands und zur Authentifizierung des Akkus ausführen.

Entwickler können die Feinabstimmung der Akkus mit Hilfsmitteln von Maxim durchführen, aber dieser traditionelle Schritt bei der Integration des Systems und des Akkus kann oft übergangen werden. Die Standardeinstellungen des Bausteins decken ein breites Spektrum von Akkus ohne zusätzliche Charakterisierung ab. Während des Lebenszyklus des Akkus können sich die Entwickler bezüglich genauer Ergebnisse auf die Fähigkeit des Bausteins zur automatischen Kompensierung von Temperaturabweichungen, der Entladung und sogar der Alterung des Akkus beziehen.

Adaptiver SOC-Algorithmus

Zur Schätzung des Ladezustands wird im Baustein der proprietäre ModelGauge-m5-Algorithmus von Maxim eingesetzt, der eine Coulomb-Zählung mit einer Messung der Leerlaufspannung verbindet. Der Algorithmus hebt die Stärken der einzelnen Schätzungen hervor, um die Schwächen der anderen auszugleichen. Nach einem Reset beim Einschalten ist die Coulomb-Zahl z. B. unbekannt. Selbst wenn der Entwickler die mit der Erhaltung dieses Werts nach dem Ausschalten im nicht flüchtigen Speicher verbundenen Kosten akzeptiert, würde eine geringe Entladung des Akkus während einer längeren Abschaltdauer diese Genauigkeit wertlos machen. Der m5-Algorithmus von Maxim umgeht dieses Problem, indem er die Leerlaufspannung als primäre Quelle für die Schätzung des Ladezustands verwendet.

Während der weiteren Nutzung des Akkus setzt der m5-Algorithmus verstärkt die Coulomb-Zählung ein, die den Ladezustand zuverlässiger überwacht, da sich die Ausgangsstromstärke in Abhängigkeit von normalen Änderungen der Systemlast ändert. Im Zeitverlauf vergleicht der m5-Algorithmus die Ergebnisse der Coulomb-Zählung mit den Ergebnissen der Schätzungen des Ladezustands aufgrund der Leerlaufspannung. Wenn sich der Unterschied zwischen den Schätzungsmethoden vergrößert, erhöht oder verringert der m5-Algorithmus die Coulomb-Zahl in festgelegten Schritten, um sie den Ergebnissen aus der Leerlaufspannung anzugleichen. Der Nettoeffekt ist eine Schätzung des Ladezustands, die sowohl die Drift der Coulomb-Zählung als auch die Instabilität der Leerlaufspanungsmethoden vermeidet (Abbildung 3).

Abbildung 3: Der ModelGauge-m5-Algorithmus von Maxim Integrated verbindet die herkömmlichen Methoden Coulomb-Zählung und Messung der Leerlaufspannung, um die Vorteile beider Methoden zu maximieren und deren Nachteile zu minimieren. (Bildquelle: Maxim Integrated)

In praktischen Anwendungen hat die Restladung des Akkus mehrere Facetten. Änderungen der Temperatur und der Entladung haben Einfluss auf die Ladung, die für die Anwendung zur Verfügung steht. Im MAX17201 und seinen Varianten können verschiedene Kapazitätsmessungen, die der Nutzung in praktischen Anwendungen angepasst sind, von dedizierten Registern abgelesen werden (Abbildung 4). Der Host liest diese Register bei Bedarf mit einfachen Befehlen über die serielle Schnittstelle aus.

Abbildung 4: Die Bausteine der MAX172xx-Familie von Maxim Integrated verbinden herkömmliche Kapazitätsmessungen (MixCap) mit zusätzlichen Werten für die augenblickliche Kapazität (AvCap), die der Anwendung tatsächlich zur Verfügung steht, und einem Ergebnis (RepCap), das eine geglättete Darstellung der verfügbaren Kapazität liefert. (Bildquelle: Maxim Integrated)

Das MixCap-Register liefert eine herkömmliche Sicht der idealen Kapazität auf Grundlage einer sehr geringen angenommenen Stromentladung und einer variablen Ausgangsspannung. Das AvCap-Register soll dagegen eine realistischere Angabe der für eine Anwendung verbleibenden tatsächlichen Kapazität liefern. Der Wert in diesem Register reduziert den MixCap-Wert beispielsweise durch Berücksichtigung der wegen einer erforderlichen minimalen Spannung einer Zelle nicht verfügbaren Ladung.

Gleichzeitig bietet der Registerwert AvCap eine momentane Darstellung der effektiv verbleibenden Kapazität, die sich bei Änderungen der Last (siehe Ereignis "load increases (ansteigende Last)" in Abbildung 4) dramatisch ändern kann. Da sich die Last ständig ändert, können die AvCap-Werte allein eine zu pessimistische oder zu optimistische Sicht der verbleibenden Kapazität liefern. Leider können diese schnellen Änderungen vom Standpunkt des Benutzers aus verwirrend sein, wenn sie direkt angezeigt werden. Maxim stellt ein weiteres Register RepCap bereit, das die AvCap-Ergebnisse glättet, sodass die Entwickler in der Lage sind, den Nutzern eine stabilere Angabe der verbleibenden Kapazität zu bieten.

Schätzung des Lebenszyklus des Akkus

Schätzungen der Kapazität von Lithium-Ionen-Zellen sind auch unter idealen Bedingungen recht schwierig. Mit der Zeit können Alterung und ständige Ladungs- und Entladungszyklen zu einer Reduzierung der Kapazität einer Zelle führen (Abbildung 5). Die Möglichkeit einer genauen Schätzung des Endes der Lebensdauer ist wesentlich, um Szenarien zu vermeiden, in denen die Nutzer plötzlich feststellen, dass ein Akku seine Ladung nicht mehr über einen angemessenen Zeitraum halten kann. In der Praxis kann eine einfache Zählung der Zyklen zur Vorhersage des Lebensendes eines Akkus zu unerwartet kurzen Schätzungen der Lebensdauer führen, wenn die Nutzung des Akkus die vom Hersteller angegebenen Nennwerte für die Betriebsbedingungen überschreitet.

Abbildung 5: Lithium-Ionen-Akkus wie der hier dargestellte 3-Volt-Akku ML2430 von FDK America verlieren nach häufigeren Ladezyklen Kapazität. (Bildquelle: FDK America)

Der ModelGauge-m5-Algorithmus von Maxim enthält eine Funktion, die eine Vorhersage der für eine Zelle verbleibenden Arbeitszyklen liefert. Der Cycle+-Mechanismus überwacht zeitliche Änderungen der Zellenkapazität und sagt die Anzahl der Ladezyklen voraus, bevor die Kapazität der Zelle unter eine vordefinierte Schwelle sinkt. Der Vorhersagemechanismus für die Alterung benötigt eine vom Entwickler angegebene Anzahl von Zyklen, bevor eine Vorhersage getroffen werden kann.

Wegen der Vielzahl von Faktoren, die Einfluss auf eine Zelle haben, kann die Genauigkeit der Vorhersage der Alterung leiden, sobald sich Charakteristiken der Zelle aufgrund von Alterung, Umgebung und Anwendung ändern. Daher legt Maxim bestimmte Grenzwerte für die Vorhersage der Alterung fest. Mithilfe des Algorithmus können die Entwickler z. B. die Anzahl der Zyklen bestimmen, bis die Kapazität der Zelle einen festgelegten Prozentwert der Startkapazität unterschreitet. Dieser Prozentwert kann mithilfe des DeadTargetRatio-Registers des Bausteins festgelegt werden. Damit sind Werte zwischen 75 % und 86,72 % der Startkapazität zulässig. Der Hersteller warnt explizit, dass Versuche, die Anzahl der verbleibenden Zyklen unter dem festgelegten Prozentwert vorherzusagen, unzuverlässig sind und vom Algorithmus nicht unterstützt werden.

Trotz seines eingeschränkten Effektivitätsbereichs ermöglicht die Fähigkeit des MAX17201 – die verbleibenden Ladezyklen eines Akkus vorherzusagen – den Entwicklern eine Korrektur der im Datenblatt der Zelle festgelegten Lebenszyklusparameter. Wenn das Nutzungsmuster dafür spricht, dass die Zelle ihr Lebensende vorzeitig erreicht, können die Entwickler die Ladungs- und Entladungsmechanismen der Zelle dynamisch ändern, um die Lebenszykluserwartungen bezüglich des Endprodukts zu berücksichtigen. Schließlich können die Entwickler Funktionen der Benutzerschnittstelle implementieren, die vor einem frühzeitigen Versagen der Batterie warnen.

Authentifizierung des Akkus

Bestimmte spezialisierte Bausteine konnten eine Schätzung des Akku-Ladezustands liefern und es wurden mechanische und elektronische Maßnahmen ergriffen, um das Fälschen und Kopieren von Akkus zu erschweren. Im einfachsten Fall können durch bestimmte Gehäuseabmessungen und die Anordnung der Anschlüsse mechanische Kriterien festgelegt werden, die ein Akku erfüllen muss, um in einem Zielprodukt zu funktionieren.

Darüber hinaus können die Hersteller einfache passive Widerstandsnetzwerke einbauen, die für einen bestimmten Akkutyp einen bestimmen Wert liefern müssen. Noch weiter gehen aktive Identifizierungssysteme, die beim Einlesen durch die Akku-Authentifizierungsschaltung des Systems eine bestimmte ID oder Seriennummer liefern.

Aber alle diese Ansätze haben sich schließlich als ungeeignet zur Verhinderung von Akkufälschungen erwiesen.

In den Bausteinen MAX172xx ist ein ausgeklügelter Abfrage-Antwort-Ansatz implementiert, der auf einem Informationsaustausch auf Grundlage von Zufallsdaten und einem geheimen Schlüssel beruht. Dieser Typ von Abfrage-Antwort-Authentifizierung führt zu einer großen Anzahl von Abfrage-Antwort-Paaren. Die Fälscher können nicht darauf hoffen, alle möglichen Paare mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand in ihre Akkus einbauen zu können. Darüber hinaus ist in jeden Baustein der geheime Schlüssel eingebrannt und nicht von außen auslesbar. Da er nur intern zur Verfügung steht und nie über den Bus übertragen wird, können Fälscher den Schlüssel nicht einfach erfassen und in Kopien verwenden. Ohne den exakten geheimen Schlüssel sind Versuche, die richtige Antwort zu erraten, aussichtslos.

Maxim hat in die MAX172xx-Familie zwei Typen von Abfrage-Antwort-Sequenzen eingebaut. Bei einem der beiden Ansätze besitzen der Host und der MAX172xx dieselbe geheime Information und jeder berechnet einen MAC (Message Authentication Code), den der Host mit seinem eigenen Ergebnis vergleicht, um den Akku zu identifizieren (Abbildung 6). Die Durchführung dieser Authentifizierungsmethode ist einfach. Der Host initiiert die Sequenz, indem er eine 160-Bit-Anfrage in einen dafür vorgesehenen Bereich des Arbeitsspeichers des MAX172xx schreibt.

Mithilfe einer einfachen Befehlsfolge weist der Host dann den MAX172xx an, als Antwort auf diese Anfrage einen MAC zu berechnen. Der Host wartet auf das Ergebnis, liest den berechneten MAC aus dem Baustein aus, vergleicht ihn mit seinem eigenen Ergebnis und akzeptiert den Akku, wenn die Ergebnisse übereinstimmen.

Abbildung 6: Ein Host stellt unter Verwendung einer geheimen Information eine Anfrage an den MAX172xx und vergleicht den vom Baustein generierten MAC mit seinem eigenen Ergebnis, um den Akku zu verifizieren. (Bildquelle: Maxim Integrated)

Bei manchen Anwendungen ist die Verwendung einer geheimen Information auf dem Host möglicherweise nicht kosteneffizient. Gerätehersteller könnten die zusätzlichen Kosten für eine Speicherung von Schlüsseln im System scheuen.

Der MAX172xx bietet einen alternativen Ansatz, der einen Schlüssel auf dem Host entbehrlich macht. Hier verfügt jeder einzelne Host über ein eindeutiges Paar Anfrage-MAC (Abbildung 7). Ein Host gibt dann einfach dieselbe Befehlsfolge wie oben beschrieben an den Baustein ab, aber dieses Mal unter Verwendung der gespeicherten Anfrage. Der Host vergleicht dann den vom Baustein berechneten MAC mit dem gespeicherten MAC, um den Akku zu authentifizieren. Aus der Perspektive des Hosts ist dieser Ansatz einfacher als eine gemeinsame geheime Information. Für praktische Zwecke bietet dieser Ansatz trotzdem den gleichen Schutzgrad: Selbst wenn der Fälscher in den Besitz dieses bestimmten Paars gelangt, würde dies nur für diesen bestimmten Host Zugriff auf den Akku gewähren.

Abbildung 7: Der MAX172xx bietet einen einfacheren Authentifizierungsmechanismus, der eine sichere Speicherung eines Schlüssels auf dem Host durch eine einfache Speicherung eines für jeden Host eindeutigen Paars Anfrage-Antwort ersetzt. (Bildquelle: Maxim Integrated)

Fazit

Akkus spielen eine wesentliche Rolle für die allgemeine Benutzerfreundlichkeit eines akkubetriebenen Produkts. Ungenaue Schätzungen des Ladezustands des Akkus und eine inakzeptable Lebensdauer lassen das Produkt als Ganzes als unzuverlässig oder fehlerbehaftet erscheinen. Auch führt ein Schaden des Produkts aufgrund einer versehentlichen oder absichtlichen Verwendung eines falschen Akkus zur Unzufriedenheit des Kunden mit dem Zielsystem und nicht nur mit dem Akku.

Die MAX172xx-Familie bietet eine Ein-Chip-Lösung zur Schätzung des Akku-Ladezustands und zur Authentifizierung des Akkus. Mithilfe von Bausteinen dieser Serie können die Produktentwickler den Nutzern exakte Schätzungen der Akkulaufzeit bieten und sicherstellen, dass im Interesse von Leistung und Sicherheit nur Original-Akkus verwendet werden.