Li-Ionen Akku Lade-und Schutzschaltung

[tobif]

Hallo,

ich möchte mir eine Akkupack aus Li-Ionen Akkus zusammenstellen. Diese Akkus sind ja, wie man sagt, sehr kritisch zu handhaben. Ladespannung unter 4,2. Keine Tiefenentladung.
Nun möchte ich mir eine Schutzschaltung dafür bauen, die einerseits dazu geeignet ist den Akku beim Laden zu überwachen bzw. den Ladevorgang zu steuern und diesen für Tiefentladung zu schützen.

Hier gibt es auch schon ICs von Maxim, die fast nichts mehr benötigen um eine Akkupack zu überwachen. Leider sind die alle in einem sehr kleine Design, das ich mir nicht zutraue, da ich eig in dem Stadium bin, noch alles auf Lochraster aufzubauen und nichts zum ätzen da habe. Oder gibs da geigente Sachen für mich?

Deswegen habe ich mir gedacht, dies mit einem AVR zu machen. Wie wärs damit, dass ich die Spannung beim Laden jeden einzelnen Akkus messe und danach mit dem L200 zusammen den Strom noch begrenze. Die Spannung würde ich mit dem L200 ebenfalls begrenzen. Dazu bräuchte ich dann aber für jeden Akku eine L200, oder reicht es irgendwann mal alle Akkus zu balancen und auf gleiche Ladung zu hoffen und den Strom so begrenze, dass keinem drüber kommt? Oder soll ich Mosfets nehmen?
Da hab ich leider keine Ahnung von den ganzen Typen? Was haltet ihr davon, hat jemand schon was ähnliches gemacht?

Die Schutzschlatung würde ich einfach duch Messen aller Akkuspannungen realisieren und über ein Mosfet abschalten? Was soll ich hier nehmen?

[TheHawk]

Was meinst du mit sehr kleinen Design? SMD? Gibt ja schon SMD-Laborkarten wo man einen einzelnen SMD Chip drauf lötet (sind meist schon verzinnt), welche sich dann über eine Stiftleiste bequem in eine Lochrasterkarte stecken lassen.

Die Lösung mit den AVR könnte funktionieren, doch denke ich, braucht sie einen großen Aufwand

[Volker-01]

Hallo tobi,

ich mache gerade, wenn ich nicht gerade für die nächsten Klausuren lerne, eine ähnliche Sache. Ein komplettes Battery Management System (BMS) für 14 in Serie geschaltete LiPo-Zellen von je 40Ah (~2kWh). Wenn du nicht wirklich einige Erfahrung im Schaltugs- und Softwaredesign hast, würde ich die Finger von der Idee mit dem AVR lassen. Das Problem ist nämlich, das z.B. bei einem Ausfall oder einer Fehlfunktion des Mikrocontrollers die Hardware sicherstellen muss, das die Last oder das Ladegerät von der Batterie getrennt wird und somit kein Überladen oder Tiefentladen stattfinden kann. Ein einfacher Watchdog von der MCU reicht da nicht.

Bei kleinen Akkupacks hast du zusätzlich noch das Problem, das dein BMS ja die ganze Zeit durch den Akku versorgt werden muss und du daher deinen Akku bei der Lagerung relativ schnell entlädst. Hierbei kommst du ebenfalls schnell in die Tiefentladung. Die Spezial-IC's der meisten Hersteller haben häufig einen Ruhestromverbrauch, der weit unterhalb von 1µA liegt und somit kleiner ist als die Selbstentladung von LiPo-Zellen. Mein BMS hat z.B einen Strombedarf von etwas unter 1mA d.h. bei einem voll geladenen Akku mit einer Kapazität von 40Ah würde die Kapazität für ca. 4 1/2 Jahre reichen. Die Selbstentladung ist jedoch etwa gleich groß und sorgt daher für eine maximale Lagerdauer von etwa 2 Jahren. Es kommen jedoch noch viele andere Faktoren dazu, die die Lagerdauer voraussichtlich auf etwa 1J+3M beschränken werden. Solange konnte ich's noch nicht testen.

Du siehst also, sehr, sehr viele Probleme, die du bis gerade warscheinlich noch nicht einmal kanntest und das ist gerade erst einmal der Anfang.

Die Lötprobleme von kleinen SMD-Bauteilen sind da eher ein Kinderspiel und zudem musst du dir um die Funktionssicherheit sowie die Probleme des eigenbaus nicht ganz so viele Gedanken machen.

Gruß, Volker

[tobif]

Hi,

ich besitze den ERsa 260BD Lötkolben:
Link
(http://www.reichelt.de/?;ACTION=3;LA=2;GROUP=D212;GROUPID=549;ARTICLE=693 93;START=16;SORT=artnr;OFFSET=16;SID=29V2rEiawQAR0 AAE8ANUUb70d3f95e6f5d01fc76e1afb83776cdc)
meint ihr damit kann ich irgendwie SMD-Löten. Oder kennt jemand nen nicht ganz so kleinen LI-Ionen Schutz+Ladechip?

Dennoch habt ihr mich noch nicht ganz von dem AVR abgebracht. Entladung durch AVR wäre für mich kein Problem, es wird eine Beleuchtung. Mit dem AVR wollte ich dann gleich noch andere Dinge regeln wie Dimmen, Akkuspannung anzeigen etc. .Deswegen würde mich auf jeden Fall mal interresieren wie du das Laden damit löst?

[TheHawk]

Wenn du eine Bleistiftspitze unter 0.5 mm hast könnte es gehen. Kommt halt auch auf den IC an, also den Anschlussabstand der Beinchen.

[tobif]

Also, der hier macht ja eig alles für mich:
http://pdfserv.maxim-ic.com/en/ds/MAX1894-MAX1924.pdf

bisschen klein, oda, hab die Standardspitze mit 1,1 mm?

gibs nicht Alernativen die für mich lötbar sind?

[mausi_mick]

Ich Seh das mit dem AVR eher etwas kritisch, da die Referenzspannung ja massebezogen (z.B.=0)ist, beim Akku-Pack aber der Minuspol der untersten Zelle auf 0 liegt, die Minuspole der darüberliegenden Zellen - je nach Ladezustand und Zellen-Nr - auf unterschiedlichem Niveau liegen.
Ich habe pro Zelle eine kleine Platine gefertigt, mit der nur die Ladeendspannung (4,2.. V) der Zelle überprüft wird. Die Schaltung - mit einem LM385 als Ref und einem TLC271 als Komparator, einem Leistunsfet und diversen R benötigt weniger als 100 µA, kann also bei mittleren Akku's auch im Betrieb parallel geschaltet bleiben. Eine Unterspannungsabschaltung hab ich nicht realisiert, da so der Platzbedarf mit ca 2,5x2,5cm pro Akku schon recht gross war. Ich hab dann über Ebay eine Balancerschaltung für ca 14€ gekauft (für 4 Zellen und ca 3A max.Strom). War / bin aber nicht ganz zufrieden, da die beigelegte Schaltungs-/Anschlussskizze fehlerhaft war und die Abschaltschwelle - zumindest in der Beschreibung - meiner Ansicht nach zu hoch lag. Hab den Verkäufer darauf aufmerksam gemacht.
Hab die Zellen auch einige male damit aufgeladen, die Abschatung bei Unterspannung war in Ordnung, bei Überspannung ?
Zum Laden verwende
ich ein Netzteil (ca20V=), an das ich einen Strombegrenzer (mit LM317) und nachfolgend eine Spannungsstabilisierung mit 4x4,25V angeschlossen habe (auch mit LM317). Ich lade nicht mit maximal zulässigem Strom (1C) sondern mit ca 1/4C.

[avion23]

hallo maus_mick,
wenn die Abschaltschwelle bei ~4.35V bei deinem Balancer liegt, dann ist das normal. Diese Schutzschaltungen ersetzen nicht das Ladegerät, sondern sind für den Notfall gedacht.
DIe Zelle wird dabei geschädigt, es passt aber auch mehr rein. Die Frage ist, wieviel von ihrer Lebensdauer sie verliert...

[Volker-01]

Hab dir mal ein kleines Blockschaltbild gemacht, um das Grundlegende Prinzip meines BMS zu erläutern.

https://www.roboternetz.de/phpBB2/files/battery-schematic.png

Über die Schalter "S1 ... S6" wird die zu messende bzw. zu balancende Zelle ausgewählt. Das Balancen kann hier entweder durch nachladen über die Leitungen an Punkt A oder durch entladen (wie von mir bevorzugt) mittels des Schalters "Se". Bei den Schaltern handelt es sich natürlich nicht um einen "normalen" Schalter, sondern um z.B. Mosfets. Zu beachten ist, das die ganze Messschaltung sowie der Ballancer-Teil vom Rest des gesamten Systems isoliert aufgebaut ist. Geladen werden bei mir die Zellen ganz normal über einen Konstantstrom an "+Vbat".

Der Präzisionsgleichrichter braucht im übrigen nicht sonderlich Präzise sein, da sich der Symmetriefehler des "Präzisionsgleichrichters" leicht herauskalibrieren lässt, da die Polarität der Spannung ja bekannt ist.

Soviel nun mal kurz zum BMS für LiPo-Zellen.

Gruß, Volker

[mausi_mick]

Mit den Schaltern und dem isolierten Aufbau könnte das wohl gehen, bei den Fet's sollte man dann welche mit wenigen mOhm On-Widerstand wählen.
Bei der Messschaltung hab ich eher den Eindruck, dass sie für Wechselspannung ausgelegt ist (funktioniert auch bei 0Hz ?) , hab aber auch keine Ahnung, wie genau das geht, da man wohl - um die Kapazität gut zu nutzen - wohl nahe (kleiner als 1%) an die Zellenendspannung von 4,2...V gehen muss, ohne sie je zu überschreiten.

[Volker-01]

Wenn du dir mal die Sammelleitungen oben unter den Schaltern S1...S6 ansiehst, dann wirst du feststellen, das je nach dem, welche Zelle du zuschaltest die Spannung am Präzisionsgleichrichter mal positiv, mal negativ anliegt. Daher brauchst du entweder einen AD-Wandler, der bipolar arbeitet, oder du musst dafür sorgen, das du aus der negativen Spannung eine Positive machst. Das besorgt hier der Präzisionsgleichrichter, welcher natürlich auch bei 0Hz funktioniert. Den Tiefpass hab ich nur drinnen, da ich die Akkus auch während dem Entladen überwachen möchte. Da jedoch die Antriebsmotoren Ströme von bis zu 40A benötigen und ich einfach sicher gehen wollte, weniger Störungen einzufangen habe ich in meiner Schaltung beim Präzisionsgleichrichter sowie bei der Messbereichsanpassung noch einen Kondensator für die Tiefpassfilterung spendiert. Die Messbereichsanpassung hab ich noch mit rein gemacht, das wie der Name schon sagt, der Messbereich an den A/D-Wandler angepasst und somit der maximale Arbeitsbereich dessen auch ausgenutzt wird.

Bei den Fets musst du auf jeden Fall aufpassen. Es geht nicht mit einem einzelnen Fet pro Schalter, du musst immer 2 nehmen. Das mit den Fets wird aber ab einer Spannung von 20V nochmals sehr viel aufwendiger, da du dann ein Problem mit der Gate-Source-Spannung bekommst. Aber die zwei Punkte kannst du dir ja vielleicht mal selbst überlegen, warum das so ist.

Gruß, Volker

[tobif]

is ne super idee, deine schaltung:
hast du vor, erst mir konstantstrom, dann mit konstant spannung zu laden?

aber wo hab ich denn meinen denkfehler: a ich eh 2 fets pro "schalter" brauch, könnt ich doch jeweils einen auf mess+ und mess- schalten und mir den gleichrichter sparen. :-s

[neddi]

hi,

wieviel Volt soll der Akku denn später haben ?


Die "Bratbeck" Platine ist für 14.4 Volt ausgelegt
Info's, Schaltplan usw für Bratbeck:
http://www.krack-bernhard.homepage.t-online.de/Li_Ion/kk06.html
http://www.mtb-news.de/forum/showthread.php?t=90275

Akku- und Ladegerätbau mit "Bratbeck" Platinchen
http://www-users.rwth-aachen.de/Tobias.Hahn/frameset_lux.htm

es gibt aber auch schutzschaltungen bei ebay:
http://stores.ebay.de/LEDSEE-electronics_Li-ion-batteries-Accesories_W0QQcolZ2QQdirZQ2d1QQfsubZ4QQftidZ2QQtZ km

oder du Schaltest einfach 2 Camcorder Akkus in Reihe zusammen, diese haben ja schon eine Schutzschaltung integriert und du kommst dann auf den doppelten Wert der Akkus

bei mtb-news gibt es auch eine Sammelbestellung für günstige 2400mAh zellen

[Volker-01]

Zeichne dir, wenn du das mal Skizzierst, die Diodenstrecke der Mosfets mit ein. Dann kommst du ganz schnell drauf, warum ich das so behaupte. :-)

Wenn du nicht von alleine dahinter kommst, dann schick ich dir morgen gerne mal die Lösung, warum es da Raucht.

Gruß, Volker

[verlierer]

hab mir aus 4x8 liion-zellen externen akku für mein notebook gebaut.
zuerst elektonik mit operationsverstärkern und spannungsreferenzen gelötet..
war nicht wirklich der renner.. fehleranfällig.

bei ebay gibts den graupner balancer plus für so 20 euro.
der ist klasse.

dazu hab ich mir notebook-multispannungsnetzteil geholt, bei dem spannung durch kleinen widerstandsstecker eingestellt wird.
10k spindelpoti auf miniplatine mit zwei steckpfosten da rein und auf 17,00 volt eingestellt.

das reicht

gibt auch fertige externe akkus.
bei www.atronis-technology.com zum Beispiel.

roland,
keep it simple

[tobif]

hast recht, dann wird ja diode nicht mehr in sperrreichtung betrieben und ich bekomm nen kurzschluss, zumindest der fet feht drauf.
Da ma am Fet Soure net umpolen kann bruahct man dewegn loscgerweise zwei.

[Volker-01]

Genau. Ab einer Spannung oberhalb von 20V wirds dann aber noch komplizierter/Aufwendiger. Da kann man dann aber z.B. Opto-Fets einsetzen, wie z.B. den AQV252GA. Dies widerum aber nur bis zur, bei diesem Typ, maximalen Sperrspannung von ca. 60V. Dann brauchst du andere, oder du musst dir wider mit normalen FETs weiterhelfen und die Ansteuerung sehr viel aufwendiger machen.