Akkusicherheit Funktionale Sicherheit akkubetriebener Geräte

Dieser Beitrag beschreibt, wie funktionale Sicherheit in Haushaltsgeräten und Elektrowerkzeugen angewendet werden kann, und untersucht den wirtschaftlichen Aspekt, wenn dafür statt diskreter Bauelemente ein ASIC eingesetzt wird.

Jüngste Fortschritte in der Batterie-/Akkutechnik haben im Einklang mit Umweltstandards für einen geringeren Stromverbrauch den Trend beschleunigt, Haushaltsgeräte und Elektrowerkzeuge kabellos bzw. batteriebetrieben zu betreiben.

Der Wegfall der Netzstromversorgung bietet zwar einen besseren Schutz vor Stromschlägen, mindert aber das Risiko nicht vollständig. Daher muss die funktionale Sicherheit immer noch ein wesentliches Anliegen des Systemdesigns sein.

Die rasante Verbesserung der Batterie-/Akkutechnik in den letzten Jahren hat eine neue Generation kabelloser Haushaltsgeräte, Elektrowerkzeuge und Gartengeräte hervorgebracht. Der Komfort, den diese Geräte für Verbraucher bieten, hat bei vielen Unternehmen zu einem erheblichen Wachstum geführt: allein Dyson verzeichnete ein Wachstum von 20% in Europa/Amerika und von 40% in Asien; und die US-Marke Shark ist von einer in Europa relativ unbekannten Marke in die Top 3 aufgestiegen.

Der Vorteil des kabellosen Betriebs ist nicht nur die Bequemlichkeit. Das Fehlen der Netzspannung während des Betriebs bietet einen besseren Schutz vor Stromschlägen. Das Sicherheitsrisiko ist jedoch nicht vollständig verschwunden – es liegt nun in der hohen Energie, die im Akku gespeichert ist.

In den letzten Jahren wurden daher Sicherheitsstandards und Gesetze für diese Geräte entwickelt und verbessert (IEC 60335 für Geräte im beaufsichtigten Betrieb, IEC 60730 für den unbeaufsichtigten Betrieb und UL 1642 für Lithium-Ionen-Akkus). Diese Standards unterstreichen nicht nur die wachsende Bedeutung, dass diese Geräte grundlegenden Schutz für Personen und Sachwerte vor Gefahren und Schäden bieten sollen, sondern bringen sie auch in Einklang mit Systemen in den Bereichen Industrie, Autobau, Medizin- sowie Luft-/Raumfahrttechnik – wo funktionale Sicherheit schon immer ein wichtiges Thema war und ist.

Batteriemanagement und Motorsteuerung

Tragbare batteriebetriebene Geräte basieren heute in der Regel auf Lithium-Ionen-Akkus als bevorzugte Stromquelle aufgrund ihres günstigen Energie/Gewicht-Verhältnisses, das bis zu fünfmal höher ist als bei Ni-Cd- oder Blei-Säure-Akkus. Lithium-Ionen-Akkus bieten auch eine viel höhere Anzahl von Lade-/Entladezyklen.

Bei der Verwendung von Lithium-Ionen-Akkus gibt es jedoch einiges zu beachten. Sie sind empfindlich und müssen innerhalb der Grenzen ihres Lade- und Entladeprofils bleiben: Sie tolerieren keine Überladung, da dies die Lebensdauer verkürzt. Im schlimmsten Fall kann es aufgrund eines internen thermischen Runaway-Prozesses zu einem Brand oder einer Explosion kommen, wobei die Zellentemperatur auf den Lithium-Schmelzpunkt (180,5 °C) ansteigt.

Vor diesem Hintergrund besteht auf dem Markt für Elektrowerkzeuge immer mehr Bedarf an höheren Motordrehmomenten, was eine höhere Stromkapazität erfordert. Diese muss sorgfältig gehandhabt werden, wobei die Anzahl der Zellen im Akkupack auf Kosten der zusätzlichen Zellen und ihres Gewichts erhöht wird.

Das Laden von Lithium-Ionen-Akkus bei niedriger Temperatur ist ebenfalls ein Problem. Unterhalb von 0 °C tritt eine interne Beschichtung auf, die Zellen beschädigen und die Batteriesicherheit beeinträchtigen kann.

Durch proaktives Überwachen der Temperatur, Spannung und des Stroms der Zelle und durch Aktivieren von Schutzmechanismen vor dem Erreichen kritischer Grenzwerte lassen sich die genannten Probleme in den Griff bekommen.

Bei einem Akku-Staubsauger oder -Schleifer sind somit ein Batteriemanagement und eine Motordrehzahlregelung erforderlich, genauso wie die o.g. zusätzlichen Funktionen. Um dies zu bewerkstelligen, können Entwickler einen Ansatz mit diskreten Bauelementen wählen oder einen ASIC entwickeln.

Ein typisches Motorsystem für den Akkubetrieb

Ein Batteriemanagementsystem erfordert eine hochpräzise Spannungserfassung, um den Ladezustand und die Temperatur der Lithium-Ionen-Zellen zu bestimmen. Außerdem ist ein hochauflösender A/D-Wandler (bis zu 16 Bit) erforderlich, um kritische Situationen wie Überlastung oder Überhitzung zu überwachen, was die Produktsicherheit beeinträchtigen könnte.

Darüber hinaus ist eine MCU mit integriertem Flash-Speicher erforderlich, um die Datenverarbeitung zu gewährleisten, die den Zustand der Lithium-Ionen-Zellen bestimmt und um zusätzliche Intelligenz, Benutzerschnittstellen, Debugging, Kommunikation und Hilfsfunktionen hinzuzufügen.

Betrachten wir nun den Motor. Die übliche Lösung für Motoren, die eine Drehzahlregelung erfordern, ist ein bürstenloser 3-Phasen-Motor mit PWM-Ansteuerung (Pulsweitenmodulation). Die Kosten für die Steuerelektronik dieser Architektur beschränken den Einsatz jedoch auf Highend-Systeme, die an der Netzspannung betrieben werden.

Der Übergang auf den Akkubetrieb (mit niedrigerer Spannung) bietet nun neue Möglichkeiten, wobei sehr effiziente Low-Voltage-MOS-Leistungsschalter und Brückengleichrichter verwendet werden – sofern die erforderliche Leistungsfähigkeit gegeben ist. Dies hat den zusätzlichen Vorteil, dass keine Isolierung von der hohen Netzspannung erforderlich ist. Bild 1 zeigt ein Blockdiagramm eines ASICs für Batteriemanagement und Motorsteuerung in einem tragbaren Gerät.

Einsatz von ASIC und diskreten Bauelementen im Vergleich

Die Vorteile eines ASICs in einem System sind bekannt: kleinere Stückliste, geringerer Stromverbrauch, kleinere Baugröße und geringeres Gewicht, besserer IP-Schutz, mehr Zuverlässigkeit, geringere Kosten für Test und Montage sowie die Möglichkeit, zusätzliche Funktionen zu integrieren.

Dedizierte ASICs sind jedoch mit anfänglichen NRE-Kosten (Non-Recurring Engineering) verbunden. Ab wann ist es also sinnvoll, einen ASIC für die funktionale Sicherheit in batteriebetriebenen Geräten zu entwickeln? Und wie lassen sich die Kosten minimieren?

ASICs müssen nicht die teurere Lösung sein

ASICs haben zu Unrecht den Ruf, teuer zu sein. Dies mag vor Jahren der Fall gewesen sein, und die Veröffentlichungen über ASICs haben diesen Ruf häufig noch verstärkt, indem sich verständlicherweise auf die ASICs für Google, Tesla und Apple konzentriert wurde, die auf Spitzentechnologien basieren, die natürlich hohe Summen für einen einzigen Maskensatz erfordern. Für Anwendungen, die auf modernster Halbleiterprozesstechnik basieren gehen die Masken- und Entwicklungskosten in die Hunderte von Millionen US-Dollar.

Die meisten Anwendungen benötigen jedoch keine Spitzentechnologie, und dies ist sicherlich bei batteriebetriebenen Geräten der Fall. Denn diese sind in der Regel einfach, klein und stromsparend. Verfolgt man stattdessen einen „More-than-Moore“-Ansatz mit kostengünstigeren Technologien wie Bipolar-CMOS-DMOS (BCD), lassen sich die Stromversorgung, Flash-Speicher sowie analoge und digitale Funktionen in einem einzigen Baustein integrieren und damit die Masken- und Entwicklungskosten drastisch senken.

Verschiedene Maskenoptionen und Nennspannungen bis etwa 80 V für HV-MOSFETs ermöglichen ASICs für Lithium-Ionen-Akku-betriebene Motorsteuerungen. Abhängig von der erforderlichen Motorleistung lässt sich auch die Leistungsendstufe auf demselben Chip integrieren.

Zusätzliche Funktionen sind in BDC-ASIC-Implementierungen nahezu ohne zusätzliche Kosten möglich, z.B. die Steuerung der Anstiegsgeschwindigkeit der Treiber für eine bessere EMV; Erkennung von und Abschaltung bei Brückenkurzschlüssen; thermische Überwachung des Chips sowie Überwachung von Lastspannung und -strom.

Somit ist die Entwicklung eines kundenspezifischen ASICs nicht mehr nur großen Unternehmen mit umfangreichen Entwicklungsbudgets vorbehalten. Der ASIC-Ansatz ist gerade für batteriebetriebene Geräte, die häufig einfach, klein, stromsparend und kostengünstig sein müssen, die kostengünstigste Option und erleichtert die Rationalisierung in der Fertigung.

Zum Vergleich: Die Kosten für einen CMOS-Maskensatz liegen bei 28 nm im Bereich von 1,3 Mio. US-$; bei 55/65 nm in etwa bei 0,4 Mio. US-$ und sinken bei 180 nm auf unter 100.000 US-$ (Bild 2). Und diese Beträge sinken weiter, sobald die Prozesse ausgereifter werden. Ein 55/65-nm-Maskensatz kostet so nur noch ein Drittel der Kosten, die er bei seiner Einführung hatte.

Natürlich ist der Prozess nicht die einzige Kostenbelastung bei der Entwicklung eines ASICs. Kosten für die IP-Lizenzierung, Entwicklung und Qualifizierung müssen in die Berechnung der Gewinnschwelle (ROI; Return on Investment) mit einbezogen werden.

Als Faustregel gilt, man sollte einen ASIC einem Standard-IC (COTS; Commercial Off The Shelf) vorziehen wenn man, (a) ein kleineres, effizienteres und schwerer nachzuahmendes Design erzielen möchte, und (b) wenn die Ausgaben für elektronische Bauelemente pro Fertigungslinie mehr als 2 Mio. US-$ betragen.

Möglichkeiten, die Kosten zu minimieren

Unabhängig davon, ob man intern entwickelt oder einen Anbieter kundenspezifischer ASICs beauftragt, gibt es drei goldene Regeln, um die NRE-Kosten niedrig zu halten und den ROI zu steigern.

Regel 1: Auf eine gute Planung kommt es an

Eine gute Spezifikation ist entscheidend für den Erfolg. Man sollte genau verstehen, was am Markt verfügbar ist und welche einzigartigen Funktionen oder Benutzererfahrungen ein Kunde erwartet oder wünscht. Die Folge wäre ein kundenspezifischer ASIC, dem Funktionen fehlen – oder einer, der überspezifiziert ist. In beiden Fällen gehen die Vorteile gegenüber Standard-ICs verloren.

Regel 2: Bewährte IP-Blöcke verwenden

Genauso wie ausgereifte Prozesse die Kosten für Maskensätze erheblich senken, lässt sich mit bewährten IP-Blöcken ein kundenspezifischer ASIC viel schneller realisieren und das Risiko von Fehlern erheblich verringern.

Regel 3: Wiederverwendung von Software (und ASICs)

Die Softwareentwicklung wirkt sich auf die NRE-Kosten des Projekts und auf die Time-to-Market aus. Die Entwicklung von Tools und Software ist wohl die größte Investition, die im Laufe des Produktlebenszyklus getätigt wird. Die Wiederverwendung bestehender Anwendungen und Software-Bibliotheken kann daher erheblich dazu beitragen, die Kontrolle über die Projektkosten zu wahren und die Markteinführung zu beschleunigen.

Zu beachten ist auch, dass sich die NRE-Kosten pro Baustein weiter verringern, wenn sich der ASIC über mehrere Produktlinien hinweg einsetzen lässt.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 5/2021 (Download PDF)

Der Einsatz von ASICs ist oftmals kostengünstiger

Der Übergang auf batteriebetriebene Systeme wird sich fortsetzen. GM Insights geht davon aus, dass dies allein bei Staubsaugern zu einem jährlichen Wachstum von 6,5% führen wird. Die Abkehr von der Netzstromversorgung verringert zwar das Risiko eines Stromschlags, erfordert aber die Handhabung hoher Energiemengen im Akku und des Risikos, das mit Lithium-Ionen-Batterien einhergeht. Funktionale Sicherheit ist daher ein entscheidender Bestandteil des Designs – und die Gesetzgebung sowie Standards beginnen damit, diese zu erzwingen. Für viele Systeme ist der Einsatz von ASICs der kostengünstigste Ansatz, um dies zu erreichen – vorausgesetzt, die Stückzahlen sind hoch genug.

* Enrique Martinez ist Functional Safety Manager bei EnSilica.

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