Schnell erklärt
Ein Akku kann geladen werden, während das Gerät arbeitet, wenn die gesamte Energieversorgung dafür ausgelegt ist. Das Netzteil muss Gerätebedarf und Akkuladung abdecken. Geeignetes Power-Path-Management verteilt die verfügbare Leistung und kann bei hoher Gerätelast den Ladestrom verringern. Für OEM-Geräte gehören deshalb Lastprofil, Ladeziel, Temperatur und Verhalten beim An- und Abstecken gemeinsam in die Spezifikation.
- Leistung gemeinsam planen: Gerätebetrieb und Akkuladung beanspruchen dieselbe Eingangsquelle.
- Messpunkte benennen: Netzteilstrom, Systemstrom und Akkuladestrom sind verschiedene Größen.
- Priorität festlegen: Soll das Gerät weiterarbeiten, darf die Ladung bei Spitzen langsamer werden?
- Übergänge prüfen: Ladeabschluss und Versorgungsausfall gehören zum Gerätetest.
Was bedeutet Power-Path-Management?
Power Path bezeichnet einen gesteuerten Versorgungspfad, der Geräteversorgung und Batterieladung getrennt behandelt. Das Gerät erhält Energie über den Systempfad; der Akku wird über den Ladepfad geladen. Welche Quelle das Gerät versorgt und wie viel Ladestrom verbleibt, entscheidet die konkrete Elektronik.
Texas Instruments erklärt in SLUA400A zu dynamischem Power-Management, wie der Ladestrom bei begrenzter Eingangsleistung zugunsten der Systemversorgung reduziert wird. DPM und DPPM bezeichnen unterschiedliche Regelansätze: Sie berücksichtigen Eingangsgrößen beziehungsweise die Systemspannung. Die genaue Funktion folgt aus dem gewählten Baustein und seiner Beschaltung.
Merksatz: „Netzteil angeschlossen“ bedeutet nicht automatisch „Akku lädt mit dem eingestellten Maximalstrom“.
Formulieren Sie zunächst das gewünschte Verhalten: Muss eine Messung während des Ladens weiterlaufen? Darf bei einer Funk- oder Motorlast die Ladung pausieren? Muss das Gerät auch ohne eingesetzten Akku starten? Solche Anforderungen bestimmen die Architektur stärker als die bloße Angabe „Ladegerät 2 A“.
Die Ladetechnik im WSB-Shop bietet einen Einstieg in passende Ladegeräte und Netzteile. Für gleichzeitigen Betrieb muss zusätzlich die Eignung der gesamten Geräteschaltung geklärt werden.
Sicherheitshinweis: Nutzen Sie ein vorhandenes Gerät während des Ladens nur entsprechend seiner Herstellerfreigabe. Ein passender Stecker oder ein leistungsfähigeres Netzteil ersetzt diese Freigabe nicht. Für eine neue OEM-Lösung müssen Akkuchemie, Zellzahl, Ladeparameter, Schutzfunktionen und Geräteelektronik zusammenpassen.
Wie wird das Netzteil für Betrieb und Laden ausgelegt?
Rechnen Sie zunächst mit Leistung in Watt. Ströme lassen sich nur am gleichen Spannungsniveau und mit passenden Stromrichtungen unmittelbar verrechnen. Über einen Spannungswandler gilt näherungsweise: Eingangsleistung = Ausgangsleistung ÷ Wirkungsgrad.
Fiktives Beispiel: mobiles Industriemessgerät
Für eine Vorplanung nehmen wir 5,0 V und nutzbare 3,0 A am Geräteeingang an, also 15 W. Ein pauschal angenommener Gesamtwirkungsgrad von 90 % ergibt ein verfügbares Ausgangsbudget von 13,5 W. Der Gerätepfad benötigt 6 W im Normalbetrieb und insgesamt 12 W für einen 200-ms-Impuls. Diese Werte enthalten nachgeschaltete Wandlerverluste und Hilfsverbrauch.
Der geplante Einzellen-Li-Ion-Pack soll im betrachteten Ladezustand bei aktuell 4,0 V mit 1,5 A geladen werden. Das entspricht 6 W am Packanschluss. Die 4,0 V sind der Rechenpunkt, keine Ladeschlussspannung. Alle Werte sind Annahmen; das Beispiel ist weder eine Zellfreigabe noch eine Auslegung des nachfolgend genannten TI-Bausteins.
Auf kleinen Bildschirmen können Sie die Tabelle seitlich verschieben.
| Größe | Normalbetrieb | Während des Lastimpulses |
|---|---|---|
| Verfügbares Ausgangsbudget | 15 W × 0,90 = 13,5 W | 13,5 W |
| Bedarf des Gerätepfads | 6 W | 12 W insgesamt |
| Für Akkuladung verbleibend | 13,5 − 6 = 7,5 W | 13,5 − 12 = 1,5 W |
| Rechnerische Stromgrenze bei 4,0 V am Pack | 7,5 W ÷ 4,0 V = 1,875 A | 1,5 W ÷ 4,0 V = 0,375 A |
| Ladestrom bei Zielgrenze 1,5 A | Höchstens 1,5 A; 1,5 W Budget ungenutzt | Rechnerisch höchstens 0,375 A |
Im Normalbetrieb benötigt das Modell für 6 W Geräteversorgung plus 6 W Akkuladung etwa 12 W ÷ 0,90 = 13,33 W am Eingang. Bei 5,0 V sind das rund 2,67 A Eingangsstrom. Die 1,5 A am Akku dürfen daher nicht einfach von den 3,0 A des Netzteils abgezogen werden.
Sollen auch während der 12-W-Spitze volle 6 W Ladeleistung erhalten bleiben, wären unter denselben Annahmen mindestens 18 W ÷ 0,90 = 20 W Eingangsleistung nötig – vor weiteren Reserven. Die tatsächliche Quelle, Eingangsspannung und Schnittstelle müssen dazu geeignet sein. Alternativ wird die Ladung während der Spitze reduziert.
Praxis-Tipp: Prüfen Sie das Budget auch mit niedrigster Eingangsspannung, Kabel- und Kontaktverlusten, tatsächlicher Strombegrenzung und ungünstigem Wirkungsgrad. Die 0,375 A sind eine rechnerische Obergrenze. Sie belegen keine entsprechend schnelle Regelung während eines 200-ms-Impulses.
Warum muss der Ladeabschluss unter Gerätelast geprüft werden?
Ein Ladegerät muss den Zustand des Akkus erkennen, während das Gerät weiter Energie benötigt. Wird die Gerätelast am selben Ausgang wie der Akku betrieben, kann sie die Ladeerkennung beeinflussen. TI beschreibt solche Grenzen in SLYT674 zu Ladearchitekturen. Getrennte Pfade erleichtern die Zuordnung; sie ersetzen den Systemtest nicht.
Konkretes Funktionsbeispiel: TI BQ25616
Der BQ25616 ist ein Schaltlader mit Power Path für eine Li-Ion-/Li-Polymer-Zelle. Laut Datenblatt SLUSDF7A, Abschnitte 9.3.6 und 9.3.7.3 reduziert er bei Eingangsbegrenzung den Ladestrom. Reicht die Quelle weiterhin nicht aus, kann der Akku das System im Supplement-Modus unterstützen.
Nach dem Ladeabschluss versorgt der Wandler das System weiter. Während der Eingangs- oder thermischen Regelung ist die Ladeabschluss-Erkennung vorübergehend deaktiviert. Deshalb muss auch der Zustand „angeschlossen, Gerät arbeitet, Ladestrom reduziert“ geprüft werden. Diese Beschreibung ist ein Bausteinbeispiel; sie gilt nicht automatisch für Mehrzellenpacks, LiFePO4 oder ein beliebiges fertiges Gerät.
Die Wahl zwischen linearer und schaltender Ladeelektronik beeinflusst außerdem Wärme, Aufwand und Störaussendung. TI SLYT674 erläutert die Abwägung. Für ein Messgerät gehört deshalb auch die Messqualität während des Ladens zum Prüfplan.
Welche Prüfziele gehören in den OEM-Entwurf?
Legen Sie vor dem Musterbau fest, was am Gerät nachgewiesen werden soll. Die folgenden Punkte sind vorgeschlagene Prüfaufgaben für die Entwicklung, keine Behauptung bereits bestandener WSB-Tests.
- Start und Einschaltspitze: Gerät mit niedrigem, mittlerem und hohem Ladezustand einschalten. Eingangs-, System- und Packgrößen sowie mögliche Resets erfassen.
- Lastwechsel: Das vollständige Lastprofil einschließlich Pulsdauer und Wiederholrate abfahren. Ladestrom, Spannungseinbruch und Erholung messen.
- Ladeabschluss: Unter definierter Dauerlast prüfen, ob die Ladung ordnungsgemäß endet und spätere Nachladung dem Konzept entspricht. Statusanzeigen mit Messwerten vergleichen.
- Temperatur: Akku, Ladeelektronik, Kontakte und Gehäuse bei vereinbarten Umgebungstemperaturen beobachten. Reduzierung und Abschaltung gegen die freigegebenen Grenzen prüfen.
- An- und Abstecken: Netzteil während eines Messzyklus verbinden und entfernen. Zulässige Versorgungslücken, Datenverlust und Wiederanlaufverhalten dokumentieren.
- Sonderzustände: Schwache Quelle, fehlenden Akku oder ausgelösten Packschutz berücksichtigen, soweit diese Zustände zum vorgesehenen Einsatz gehören.
Ordnen Sie jedem Prüfziel Messpunkt, Betriebszustand, Grenzwert und Verantwortlichen zu. „Kein Reset im vereinbarten Profil“ ist überprüfbar. „Unterbrechungsfrei“ allein lässt offen, welcher Spannungseinbruch und welche Dauer zulässig sind.
Ausgefülltes Muster für Ihre OEM-Anfrage
Das allgemeine Lastenheft für einen OEM-Akkupack beschreibt bereits Laufzeit, Spitzenstrom und Bauraum. Ergänzen Sie das Nutzungsszenario „Betrieb während des Ladens“ ausdrücklich. Das folgende Muster ist fiktiv und noch keine bestätigte technische Lösung.
Fiktive Anfrage: „Wir entwickeln ein mobiles Industriemessgerät, das an seiner Ladestation ohne Neustart weiterarbeiten soll. Vorläufiges Packkonzept: 1S-Li-Ion, etwa 3 Ah; Zelltyp, Schutz und Ladeparameter noch offen. Vorgesehen sind 5,0 V / 3,0 A nutzbar am Geräteeingang. Der Gerätepfad benötigt angenommen 6 W, mit Spitzen von insgesamt 12 W für 200 ms einmal pro Minute. Angestrebt werden bis zu 1,5 A Akkuladestrom bei geeigneten Ladebedingungen; während Spitzen darf der Strom sinken. Ladeziel: von 20 auf 80 % in höchstens zwei Stunden bei +25 °C und dem genannten Lastprofil, am Muster nachzuweisen. Laden soll im freizugebenden Bereich mindestens +10 bis +35 °C möglich sein. Beim Abziehen darf eine laufende Messung weder abbrechen noch Daten verlieren; elektrische Grenzwerte werden vor Musterbau vereinbart. Bauraum für den vollständigen Pack: maximal 70 × 45 × 25 mm, Anschlussraum separat. Bitte stimmen Sie Akkupack, Schutz, Temperaturerfassung und Ladekonzept mit unserer Geräteelektronik ab. Musterbedarf: 20 Stück; geplanter Jahresbedarf: 1.000 Stück.“
Die Ladezeit bleibt ein Prüfziel. Sie folgt nicht allein aus Kapazität geteilt durch maximalen Ladestrom. Ergänzen Sie Gerätezeichnung, Schnittstellenplan, vorhandene Lastmessungen und das gewünschte Fehlerverhalten. Wer Ladeelektronik, Firmware und Geräteprüfung verantwortet, wird im Projekt abgestimmt.
Häufige Fragen zum Laden bei laufendem Gerät
Reicht ein Netzteil mit höherem Nennstrom?
Nur wenn Gerät, Ladeelektronik, Akku und Schnittstelle die zusätzliche Leistung nutzen dürfen. Die interne Strombegrenzung kann unverändert bleiben. Prüfen Sie zuerst die gesamte Spezifikation.
Ersetzt das BMS die Ladeelektronik?
Nein. Packschutz und Überwachung ersetzen kein passendes Ladeverfahren und kein abgestimmtes Power-Management. Die Funktionen können in einer Lösung integriert sein; ihre Aufgaben müssen trotzdem klar definiert werden.
Kann der Akku trotz angeschlossenem Netzteil entladen werden?
Ja, bei einer Architektur mit Zusatzversorgung aus dem Akku. Beim beschriebenen BQ25616 ist dies der Supplement-Modus. Ob das im eigenen Gerät vorgesehen ist, hängt vom Konzept und den verfügbaren Leistungsreserven ab.
Ist ein Power-Path-IC bereits eine USV?
Die Bausteinfunktion allein belegt keine bestimmte Überbrückungszeit oder lückenlose Geräteversorgung. Diese Anforderungen müssen am vollständigen System definiert und geprüft werden.
Akkupack und Ladekonzept gemeinsam planen
WSB beschreibt unter Design und Entwicklung auch die Abstimmung passender Ladetechnik. Übermitteln Sie Lastprofil, Eingangsdaten, Ladeziel und Zeichnung für eine technische Projektanfrage. Den übergeordneten Ablauf erläutert der Beitrag OEM-Akkus für Gerätehersteller.
