Powerpack für den Dauereinsatz

[Holomino]

Hi,

Ich liebäugel gerade mit dem Gedanken, ein LI-Powerpack für den Dauereinsatz (7d/24h)im Roboter zu basteln:
- 4 LI-ION 18650
- StepDown für den Ausgang (3A, 5..12V über Poti einstellbar)
- Ladeeingang mit Gleichrichter (kontaktlos über Royer-Übertragung oder mit Kontakten)
- Fuel-Gauge (Messung des Lade-/ Entladestroms über Shunts, näherungsweise Integration zur Bestimmung des Ladezustandes)
- Ladeschaltung Buck-Converter, über Controller-PWM geregelt.
- Balancer
- Serielle Schnittstelle und Spannungsausgang zum Rest des Roboters

- Zum Laden: Ich würde die PWM am Controller sanft bis zum maximalen Strom hochdrehen, wobei ich davon ausgehe, dass die Last (der Akku und ein bisschen Schaltung im Lade-Standby) quasi konstant ist (es wird wohl kaum ein Motor in der Ladestation anspringen, das nimmt der Funktion das Zeitkritische).
- Zum kontaktlosen Laden: Das kommt auf die Kopplung der Spulen an (wie genau sich die Ladespulen decken), was der Royer liefern kann. Hier werde ich wohl die Spannung am Ladeeingang im Auge behalten und eine zusätzliche Bedingung für den Ladestrom einfügen.

Wahrscheinlich mach ich mir gerade das Leben wieder schwerer als es ist, darum die Fragen:
- Hat schon einer von Euch so was gebaut und hat er Tipps für mich?
- Gibt's fertige Alternativen? (hab ich nicht gefunden)

[Holomino]

Da es mir keine Ruhe gelassen hat und auch aufgrund Eurer regen Teilnahme (OK, das Thema hat nix Bewegliches und ist ansonsten auch stinklangweilig) hab ich nen Musteraufbau getätigt.
Im Grunde genommen ist's ne Powerbank mit regelbarem Ausgang und "wide range"-Ladeeingang geworden. Kleiner Gimmik dabei: Alle Infos und das Groß der Funktionen lässt sich über UART oder BT auslesen/ überwachen/ steuern (Ausnahme: Die Ausgangsspannung am StepDown wird über ein Poti eingestellt).


Für den ersten Anlauf habe ich nur zwei Zellen eingebaut, das Controllerboard ist aber für vier Zellen ausgelegt. Der StepDown am Ausgang ist optional zum Aufstecken geworden, nützlich vielleicht für eine USV oder eine feste Hilfsspannung, aber eher bedingt brauchbar für Antriebsmotoren. Die verwendeten Zellen (ANSMANN 18650 2600mAh) sind durch die interne Schutzschaltung auf 5A Ausgangsstrom begrenzt. Der vorliegende StepDown (LM 2676) sollte 3A liefern, tut er aber zur Zeit noch nicht, weil die verbaute Spule die Sache auf 2A begrenzt.
Der Ladeeingang beinhaltet eine Resonanzkapazität und einen Gleichrichter aus Schottkydioden. Wie angekündigt, sollte sich das Teil auch über ein kontaktloses Ladegerät laden lassen (Test steht noch aus). Zur Zeit hänge ich ein Netzteil an den Ladeeingang. Mit 12V lässt sich über die PWM (30kHz) der Ladestrom auf 1A ohne nennenswerte Erwärmung der folgenden Bauteile im Buck-Converter aufdrehen.

An den Ausgangsstecker (Wannenstecker) führe ich neben der ungeregelten Akkuspannung noch den StepDown-Ausgang und die UART-Leitungen. Leider hab ich in diesem Entwurf vergessen, auch die 3,3V vom Controller herauszuführen. Dann könnte man die typischen drei Versorgungen 3,3V, 5V (über StepDown) und Ub an einem Stecker abgreifen.

Zur Software: Im Terminalprogramm (C#) stelle ich zur Zeit die relevanten Messergebnisse in kalibrierter Form dar:
- Vier Zellspannungen U1..4
- Gesamtspannung des Akkus UAkku
- Spannung am Entladeshunt U5
- Spannung am Ladeshunt U6
- Entladestrom IDischarge
- Ladestrom ICharge
- Temperatur vom Controllersensor
Die Berechnung des Fuel Gauge steht allerdings noch an. Auch will ich einige spezielle Betriebsmodi einbauen, um z.B. bei kurzen Patroulienfahrten mit Rückkehr zu Ladestation ein Optimum bezüglich SOC und Lebensdauer zu finden (bei z.B. 20%er zyklischer Entnahme sollen die Zellen regulär zwischen 40 und 60% aufgeladen sein, nur ab und zu werden sie zur erneuten Kalibrierung wieder auf 100% gebacht). Aber das sind neben Balancerstrategien, Lademodi und Sicherheitsabschaltungen nur noch Softwaresorgen.

Kleiner Fehlerteufel noch: Im 2.Bild steht was von "StepUp". Könnte man auch einbauen, ist hier aber ein StepDown.

[Holomino]

Versuchsaufbau:


Spule einzeln:



Nachtrag, der Test mit dem kontaktlosen Laden:
Wie bereits vermutet, liefert der mir vorliegende Lader (Royer-Übertrager) im Versuchsaufbau nicht ausreichend Leistung, um über die PWM den vorgegebenen Ladestrom von 1A zu erreichen. Hier ist bei ca. 700mA Schluss.
Interessant dabei: Gegenüber einem geregelten Netzteil (bis zum Maximalstrom quasi stabile Ausgangsspannung) wirkt der Royerübertrager erkennbar als Quelle mit Innenwiderstand, d.h. bei steigendem Strom nimmt die Spannung deutlich ab. Hier gilt es also, den optimalen Arbeitspunkt zu finden.

In der Praxis: Dreht man die PWM des Lade-Buck-Converters langsam auf, steigt zuerst der Ladestrom, fällt aber nach Erreichen des Maximums wieder ab. Der optimale Arbeitspunkt (Maximum der Leistungsübertragung) ist an dem Punkt erreicht, an dem der Ladestrom am höchsten ist. Das lässt sich softwareseitig über ICharge erfassen.