Tiefenentladungs-Schutz bauen

[Verata]

Hallo
Ich plane im Moment eine Schaltung, mit der man starke Modellbau LiPos zum Laden von USB Geräten nutzen kann. Da die Schaltung erkennen soll, wie viele Zellen der Akku hat, möchte ich einen ATMega 168 zur Steuerung verwenden. Dazu möchte ich die Schaltung des Lilypad Arduino verwenden. Zur Umwandlung auf 5V will ich einen Recom R-78C verwenden.
Da ich in Sachen Elektronik noch ziemlich unerfahren bin, habe ich einige Fragen:
1. Im Datenblatt des R-78C ist eine Beispielschaltung beschrieben, die neben Kondensatoren auch Induktivitäten zur Entstörung verwendet. Kann ich diese bei einem Akku weglassen (keine Restwelligkeit)?
2. Ich bin unschlüssig, wie ich die Abschaltung des USB Gerätes bei zu geringer Spannung realisieren soll. Welche Lösung wäre im Hinblick auf den Stromverbrauch am sinnigsten? Transistor, Relais oder Opto?
3. Ein weiterer Knackpunkt ist die Messung der Spannung. Laut Datenblatt kann der AD-Wandler des ATMega ein Fenster von 0-Eingangsspannung verarbeiten. Die Spannung des Akkus kann bis zu 20V betragen. Wie kann ich Die Spannung sicher durch 4 teilen? Geht ein Spannungsteiler obwohl der Stromfluss variiert?
Vielen Dank für eure Hilfe,
Verata

[colindrovin]

Ich hoffe das hilft dir weiter.
http://bastelmolch.ba.funpic.de/Bilder_NE555/Tiefentladungsschutz%20fuer%2012V%20Akku%20mit%20N E555.gif

[Chypsylon]

1. Im Datenblatt des R-78C ist eine Beispielschaltung beschrieben, die neben Kondensatoren auch Induktivitäten zur Entstörung verwendet. Kann ich diese bei einem Akku weglassen (keine Restwelligkeit)?

Ich konnte beim schnellen Durchlesen des Datenblattes die Stelle nicht finden, aber ich nehme an das die Induktivitäten auf der Ausgangsseite des Spannungswandlers angebracht sind. Der Akku liefert natürlich eine Spannung ohne Welligkeit aber die Ausgangsspannung des Spannungswandlers enthält prinzipbedingt Wechselspannungskomponenten die erst geglättet werden müssen.
Wenn du aber nur USB Geräte laden willst sollte ein Kondensator reichen.

Eine andere Idee wäre es übrigens nur einen einzelligen LiPo (also mit 3v7) zu verwenden und das mit einem StepUp-Wandler (z.B sowas (http://www.ebay.at/itm/DC-DC-Converter-Step-Up-Boost-Module-3V-to-5V-1A-USB-Charger-for-MP3-MP4-Phone-/271091382807?pt=LH_DefaultDomain_0&hash=item3f1e4e3a17)) hinaufzuwandeln.

[Verata]

Vielen Dank soweit. Zur Entstörung habe ich Lastseitig einen 10µF Kondensator vorgsehen. Am Eingng des Wandlers 22µF. Reicht das?
mfg Verata

[Chypsylon]

Vielen Dank soweit. Zur Entstörung habe ich Lastseitig einen 10µF Kondensator vorgsehen. Am Eingng des Wandlers 22µF. Reicht das?
mfg Verata

Würde ich schon noch ein bisschen großzügiger dimensionieren, aber bei deiner Anwendung ist es nicht so wichtig da kurze Spannungseinbrüche beim Laden egal sind...

[Verata]

Wie würdest du die Kondensatoren denn dimensionieren? Keramik oder Elkos?

[JonnyBischof]

Wenn du dieses Bauteil meinst:
http://www.recom-international.com/pdf/Innoline/R-78Cxx-1.0.pdf

Bei der "Induktivität" in der Beispielschaltung handelt es sich in Wirklichkeit darum: http://www.recom-international.com/pdf/Econoline/REC3-SRW_DRW_Z_Hx.pdf

Dies ist wie du siehst keine Induktivität sondern ein weiterer Schaltregler, mit welchem +-12V erzeugt werden.

Dich interessieren somit nur die unteren beiden Schaltungen, laut denen du lediglich einen Eingangskondensator und einen Ausgangskondensator siehst. Laut Datenblatt sind übrigens beide optional, das Teil sollte also auch komplett ohne weitere Beschaltung funktionieren. (Ich kenne den Regler nicht näher, aber so stehts im Datenblatt...)

Ich würde so vorgehen:
- Am Eingang hast du einen LiPo, sprich eine "echte" Gleichstromquelle (kein Schaltregler der Wechselstrom-Störungen einstreut) mit extrem niedrigem Innenwiderstand. Einen Kondensator da vorzuschalten ist absolut sinnlos, es sei denn du hast lange Kabel zwischen Akku und Regler ( > 20cm). In dem Fall machst du aber gescheiter die Kabel kürzer wenn möglich ;)

- Am Ausgang musst du dir vor allem die Frage stellen, ob deine Last gleichmässig Strom zieht oder sich sprungartig ändert. Dies hängt von deinem USB Gerät ab, kann ich ohne weitere Details nicht mehr dazu sagen. Ich würde auf jeden Fall einen Kondensator an den Ausgang packen. Ein einfacher Elko (Hauptsache low-ESR, Kapazität irgendwas zwischen 100 und 1000 uF, 10-25V) dürfte gute Dienste leisten. Wenn du den 10uF und den 22uF Kondi schon rumfliegen hast, kannst du auch einfach die beiden an den Ausgang hängen und es sollte gut sein.


Deine zweite Frage verstehe ich nicht so richtig, da müsstest du mehr Informationen liefern...



Zur Spannungsmessung:
Ich habe mir zu diesem Thema auch schon Gedanken gemacht. Du kannst die Spannung eines Modellbau-LiPos problemlos per Spannungsteiler machen (am besten in der Grössenordnung um 100 k Ohm herum definieren), ABER du misst dann nur die Gesamtspannung des Akkus. Wenn eine Zelle des Akkus tiefer entladen ist als die restlichen, so erkennt das deine Schaltung nicht, oder zu spät. Beispiel:

3 Zellen, Abschaltung bei 3.3V, sprich 9.9V Gesamtspannung.
Wenn nun zwei Zellen bei 3.7V sind und eine auf 3.0V absackt, so ergibt das immer noch 10.4V -> deine Messchaltung erkennt das nicht.
Erfahrungsgemäss ist genau das ein relativ häufiges Problem bei (billigen) LiPos.

Du musst also alle Zellen einzeln ausmessen, wenn du eine brauchbare Überwachung haben willst. Wenn du einen Mikrokontroller hast, und dein Akku einen Balancer-Stecker, dann kannst du einfach alle Spannungen am Balancer-Stecker ausmessen. Du musst dann aber etwas Hirnschmalz in die Auswertung reinstecken, da du ja auch mit dem Balancerstecker nicht die einzelnen Zellen ausmisst, sondern die Spannungen zwischen den Zellen.

Sprich:

Pin 1: Ground
Pin 2: Zelle 1 ~ 3.7V
Pin 3: Zellen 1+2 ~ 7.4V
Pin 4: Zellen 1+2+3 ~ 11.1V
...

(Anmerkung: Pinbelegung überprüfen, die ist nicht immer gleich!)

Du hast also immer noch dasselbe Problem, kannst dies aber lösen wenn du im Mikrokontroller die Differenz zwischen den gemessenen Spannungen ausrechnest.
Ist sicher machbar, aber nicht ganz trivial, und du brauchst natürlich verschiedene Spannungsteiler die dir jeweils die passend geteilte Spannung liefern.

Wenn du das Problem auf Hardware-Ebene lösen willst, sprich wenn du wirklich die einzelnen Zellenspannungen direkt messen willst, dann musst du die Differenz mit Operationsverstärkern realisieren. (Subtrahierer) Siehe http://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/0210153.htm

Vorteil dieser Lösung: Du kannst die Differenz bilden und gleich eine Verstärkung bzw. Abschwächung erreichen, indem du die Widerstände am OP geschickt berechnest.
Bauteile kriegst du billig und als DIP-Bauform, sollte kaum Probleme bereiten...

//Edit:
Dieser OP könnte zum Beispiel passen:
4-fach:
http://de.farnell.com/texas-instruments/tlc2274acn/op-amp-quad-cmos-rro-p-2274-pdip/dp/8454086

2-fach:
http://de.farnell.com/texas-instruments/tlc2272acp/op-amp-dual-cmos-rro-p-2272-pdip/dp/8454027


Kannst du ab 5V (single supply) betreiben und hat wenig Rauschen am Ausgang ( = genauere A/D Messung).
Er ist zugegebenermassen nicht besonders billig (aber immer noch unteres Preissegment), aber ich würde für diese Anwendung keinen 0815 OP nehmen wegen dem Ausgangsrauschen. Habe einmal eine Schaltung mit TS912 so schnell schnell hingepappt, die war total unbrauchbar...

[oberallgeier]

... Tiefenentladungs-Schutz bauen ...In diesem Thread gehts eigentlich auch um Tiefentladung, denn low batt ist ja nix Anderes - nur eben anderssprachlich. Darin ist das Thema "Batterie-Entladeschlussspannungsanzeige" sehr ausführlich und praxisorientiert ausgeführt. Für Dich interessant ist die low-battery-LED - denn Du könntest natürlich das Signal für die LED einfach so verarbeiten, dass bei Signalbeginn die Stromentnahme aus dem Akku abgeschaltet wird.

Im Wiki vorgestellt (klick mal) (http://www.rn-wissen.de/index.php/Einfache_Batterie-Entladeschlussspannungsanzeige) und in einer tollen Simulation (http://www.rn-wissen.de/index.php/Einfache_Batterie-Entladeschlussspannungsanzeige) anschaulich dargestellt hat das Ganze Thomas E.

[JonnyBischof]

Für Lithium-Polymer Akkus ist diese Schaltung aus oben genannten Gründen leider nicht brauchbar. Wie schon geschrieben bringt es nicht viel, wenn man nur die Gesamtspannung des Akkus überwacht...

Die billigen China-LiPos (und das sind so ziemlich alle erhältlichen LiPos ausser die schweineteuren von Kokam u.ä.) haben häufig das Problem, dass die Innenwiderstände der einzelnen Zellen nicht immer sauber abgestimmt (matched) sind (auch wenn es drauf steht - das heisst bei den Chinesen nicht viel). Somit entladen sich diese Akkus häufig ungleichmässig, wenn auch im akzeptablen Bereich. LiPo Überwachungsschaltungen messen immer die einzelnen Zellen aus, somit sind sie auch im Falle ungleichmässig entladener Akkus zuverlässig.

[PICture]

Hallo!

Wenn es fertiggebaut seien darf, schlägt google u.a. das: http://shop.lipopower.de/PCB-3S-7A-fuer-3-Zellen-LiIon-012 vor, da die Li-Po und Li-Ion Akkus praktisch gleich sind. ;)

[JonnyBischof]

Wenn man da nen Blick drauf wirft, ist es vermutlich genau das was wir vorgeschlagen haben: Sieht nach nem Mikrokontroller aus und die 4 ICs links dürften Operationsverstärker sein...
Also wenn du was gutes willst und dir den Eigenbau nicht zumutest, dann ist das sicher keine schlechte Idee. Der Preis ist auch sehr anständig, immerhin ist da eine Menge drauf und PCBs sind nicht gerade billig.

Vielleicht werd ich auch einmal ein "richtiges" Modul sauber zusammenstellen, dafür brauche ich aber etwas Zeit und die ist momentan etwas rar. Scheinbar gibts für sowas aber doch öfters Bedarf. Für mein aktuelles Projekt werd ich vermutlich eine vereinfachte Version (für nur eine Zelle) entwerfen. Evtl. gibts dann gleich das volle Paket, mal schaun ;)

[PICture]

Dieses Modul hat mein Freund Elu erfolgreich praktisch ausprobiert: http://www.conrad.de/ce/de/product/155151/Schutzmodul-fuer-Lithium-Polymer-Akkumulator-S-8261ABJMD-G3J2G-Gehaeuseart-aufgebaute-Platine-Ausfuehrung-Schutzmodul-fuer . ;)

[JonnyBischof]

Da brauchts aber auch ein Modul pro Zelle. Könnte etwas kompliziert werden...
Schön sind natürlich schon Module, die man direkt an den Balancerstecker anschliessen kann. Diese bieten dann zwar keinen Schutz vor Überstrom, Überladung oder Tiefentladung, sondern können nur zum Messen gebraucht werden. Der Vorteil von deinem Modul ist, dass es den Akku nicht nur ausmisst sondern auch gleich schützt.

[PICture]

Das habe ich nur dafür gemeint:


Für mein aktuelles Projekt werd ich vermutlich eine vereinfachte Version (für nur eine Zelle) entwerfen.

[JonnyBischof]

Achso :)
Naja bei dem Projekt wirds eh ein wenig anders. Das wird direkt in mein PCB integriert und an den FPGA angebunden.

[Verata]

Viele Dank für die zahlreichen Antworten. Meine zweite Frage hat sich mittlerweile erledigt. Dabei ging es darum, welches elektronische Bauteil ich zum Abschalten der Last verwenden soll. Ich werde ein N-Kanal MOSFET nehmen. Steuern werde ich das Ganze dann mutmaßlich mit einem ATmega328. Dann werde ich versuchen eine Schaltung für die OpAmps zu bauen, mit der ich die einzelnen Zellspannungen ermitteln und an die A/D Eingänge des Controllers weitergeben kann. Wenn ich einen Entwurf habe lade ich ihn hier hoch.
Das zu ladende USB Gerät ist ein Handy, die Schaltung brückt die Datenpinne, sodass das Handy sie als Ladegerät wahrnimmt und bis zu 1,5A zieht.

[PICture]

Ob sich der Eingenbau für dich lohnt, musst du selber entscheiden, da die von mir gelingte Schutzschaltung für max. Dauer-Laststrom 7 A ausgelegt ist ( http://shop.lipopower.de/PCB-3S-7A-fuer-3-Zellen-LiIon-012 ). ;)

[Verata]

Die Platine hilft mir leider nicht, da mein LiPo 4 Zellen hat.

[PICture]

Sie haben dafür auch etwas: http://shop.lipopower.de/PCB-4-A-4-Zellen-Lipo-Li-ION-068 . ;)

[Verata]

Danke, die Produktvielfalt hat mich einfach erschlagen ;)

[PICture]

Mir ist schon gelungen mich danach zu erholen, den Shop finde ich aber gut. :lol:

[Verata]

Auch auf die Gefahr hin, dass die Frage blöd ist:
Bei dem Pack, was ich verwenden möchte habe ich einen 5 Poligen Balancer Stecker (eine Ader pro Zelle + Ground) und das zweiadrige Hochstromkabel. Wie muss ich es an diese Platine anschließen. Für mich sieht es so aus, als müsste man die Zellen einzeln anschließen.
Viele Grüße

[PICture]

Man muss alle 7 Adern identifizieren und entsprechend der vorhandener Beschreibung richtig an die Platine anschliessen. Das Zuordnen der Adern vom Balancer-Stecker wäre per Messung der Spannungen gegen + bzw. - des zweiadrigen Hochstromkabels am einfachsten.

[Verata]

Vielen Dank für die Hilfe.