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1

Sonntag, 7. März 2010, 13:29

Eingebauter Balancer für A123-Akkus

Servus,

da ich inzwischen zu der Erkenntnis gelangt bin, daß ich auf Dauer für meine neueren A123-Akkus einen Balancer brauche, habe ich über über das "wie" nachgedacht:

Da ich eine bequeme Lösung bevorzuge und kein zusätzliches Gebamsel am Akku mag, wäre es doch reizvoll, den Balancer (eigentlich Limiter) in den Akku mit einzubauen. Einen Balancer habe ich bis jetzt noch nicht, also müßte ich mir diesen sowieso erst anschaffen oder bauen, also kann man da ja auch gleich was eigenes entwerfen!
Also folgendes schwebt mir da vor:
eine kleine Platine an jeder einzelnen Zelle, die bei Überschreitung der Spannung (>3,6V) einen Entladestrom fließen lässt, eine LED für die Funktionskontolle (sieht man ja durch den Schrumpfschlauch des Akku-Packs) und das Ganze natürlich klein und leicht, damit der Akku nicht unnötig viel schwerer wird. Das kleine, SMD-bestückte Platinchen dürfte wohl kaum mehr als ein Gramm wiegen. Da es für jede Zelle 1x benötigt wird, sollen keine teueren und nur leicht erhältliche "Brot-und Butter"-Komponenten verwendet werden. Weil die Schaltung ständig an der Zelle angeschlossen ist, soll auch kein nennenswerter Ruhestrom fließen.
Aktuell besteht der Schaltungsentwurf aus einem LM385 als Spannungsreferenz (SO-8 Gehäuse) und einem PIC12F675. Der PIC befindet sich im Sleep-Modus und wird nur von Zeit zu Zeit über den Watchdog-Timer aufgeweckt, dadurch braucht die Schaltung Standby nur wenige Microampere. Der LM385 wird nur mit Strom versorgt, wenn die Zellenspannung gemessen wird.
Über einen Transistor (BC807) und Widerstände werden ggf. bis zu 200 mA "verbraten" (analog geregelt über PWM+Tiefpass). Da die ganze Schaltung an der Zelle klebt, funktioniert diese als Kühlkörper und leitet die Wärme ab, so daß sich auch die winzige Platine nicht übermäßig erwärmt - immerhin müsste diese max. etwa 0,8W verbraten.
Über Kurzschluß eines Ports des PICs an Masse wird die Schaltung abgeglichen, d.h. der Controller speichert dann den aktuell gemessenen Spannungswert als Schwellenspannung ab.
Steigt die Akkuspannung an (= Laden), blitzt die LED zur Funktionskontrolle immer mal kurz auf.
Wird "balanciert", kann man am Impuls/Pausenverhältnis den "Spannungsüberschuss" der Zelle ablesen.
Bei den Kosten rechne ich so mit ca. 3 Euro pro Platinchen (Platine: <1 Euro, Microcontroller: 1,15, LM385: 0,28, Widerstände etc. im Cent-Bereich)

Na, was meint Ihr dazu?

Grüße,

Thomas

wurpfel1

RCLine User

Wohnort: CH-rheintal

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2

Sonntag, 7. März 2010, 14:26

hi Thomas

ich bevorzuge ne lösung für ein pack, üblich sind bei mir 4s oder 8sA123. so können 12/24V lader verwendet werden.
es gibt von MAXIM diverse einchiplösungen genau für diesen zweck.. sie sind einfach in der anwendung.



DS2726, mit 1wire interface, nur noch die lastwiderstände und die optionalen freigabeFETs
http://www.maxim-ic.com/quick_view2.cfm/qv_pk/5887


oder den hier MAX11068
http://www.maxim-ic.com/quick_view2.cfm/qv_pk/5523
bin schon zu alt zum spielen.. macht aber gleichwohl spass ;-)

3

Sonntag, 7. März 2010, 15:59

Hallo Wurpfel,

danke, aber der DS2726 geht doch nur für LiPos (U>4V), oder habe ich da etwas übersehen? Das Gehäuse ist, denke ich, mit "Hausmitteln" auch blöd zu verarbeiten...

Zum MAX11068 gibt's kein Datenblatt zum 'Runterladen, und einfach so im nächsten Elektronikladen bekommt man ihn wohl auch nicht. Was mir bei der "zentralen" Platine ein wenig fehlen würde, ist die simple, optische Funktions- und Statuskontrolle, und man muß eine größere, komplexere Platine machen, mit allen Balancer Widerständen drauf und der damit zentral dort zu verbratenden Verlustleistung. Das würde sich meiner Meinung nach halt eher für einen externen Balancer anbieten.

Grüße,

Thomas

VOBO

RCLine User

Wohnort: NRW

Beruf: Dipl.-Ing. Elektrotechnik/Nachrichtentechnik

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4

Sonntag, 7. März 2010, 16:49

Hallo Thomas,

deine Idee finde ich gut, könnte ich z.B gut gebrauchen wenn ich demnächst meine Sender mit A123-Zellen ausrüste.

Ich gebe aber zu bedenken das 200mA Balancerstrom ziemlich wenig sind.

Gerade die A123-Zellen lädt man gerne auch mal schneller z.B. bei mir mit 8A.
Da sind 200mA garnichts und verhindern nicht ein Wegdriften.
Es sollten schon 1000mA sein!
Gruß Volker!

Fliegen macht glücklich!

Dieser Beitrag wurde bereits 1 mal editiert, zuletzt von »VOBO« (7. März 2010, 16:49)


5

Sonntag, 7. März 2010, 17:51

Hallo Volker,

1000 mA (oder sogar noch mehr) könnte man mit etwas zusätzlichem Aufwand in Form eines externen Widerstands und FETs auch leicht erreichen, nur halt nicht auf einem fingernagel-großen Platinchen mit ein paar SMD-Bausteinen. Knapp 4W auf vielleicht 2 Quadrahtzentimetern sind halt doch etwas viel!
Aber ich denke nicht, daß es in der Praxis tatsächlich notwendig ist. Wenn die Zellen nur halbwegs in Ordnung sind, sind ja nur kleine Ladungsunterschiede auszugleichen (ein paar Milliamperstunden). Zudem ist es bei den A123-Zellen, im Gegensatz zu LiPos, nicht so kritisch, wenn die Spannung mal 0,1 bis 0,2 V über die Ladeschlußspannung hinausgeht. Wichtiger dürfte sein, daß ein evtl. vorhandenes Ungleichgewicht sich im Laufe von vielen Ladezyklen nicht immer mehr verstärkt, und das wird auch durch einen kleinen Ausgleichsstrom wirksam verhindert. Die Schaltung soll bei mir das machen, was ich jetzt erwas umständlich von Hand machen muß, nämlich regelmäßig alle paar Zyklen mal am Ende der Ladung die Zellenspannung nachmessen und ggf. Zellen, die etwas zu hoch liegen, ein wenig zu entladen. Dazu brauche ich auch manuell keinen hohen Entladestrom.

Grüße,

Thomas

wurpfel1

RCLine User

Wohnort: CH-rheintal

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6

Montag, 8. März 2010, 08:39

hi leutz

eine füllstandsanzeige gibt es auch bei MAXIM ;)
doch wozu, das DS2726 hat ein 1wire-interface.



der DS2726 nehme ich zum balancieren, als eindeutige 64bit-ID, als interface zur telemetrie und als genauer spannungsmesser um die ladung zu beenden.
die overvoltage-überwachung dient bei A123 nur der sicherheit: bis ihr die zelle bei 4,1V habt ist einiges schiefgelaufen, vermutlich brennt gerade euer lader ab ;)

der A123 macht das nichts aus :evil:




übrigends reichen 300mA völlig aus um einen 16kWh-Emobilakku mit 108 zellen zu balancieren.
wettrüsten ist für ne 2,3Ah zelle nicht wirklich nötig :D
bin schon zu alt zum spielen.. macht aber gleichwohl spass ;-)

Dieser Beitrag wurde bereits 1 mal editiert, zuletzt von »wurpfel1« (8. März 2010, 08:40)


chemienator

RCLine User

Wohnort: Landkreis OPR (Brandenburg)

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7

Montag, 8. März 2010, 18:58

Wenn du die überflüssige Leistung schlichtweg verbraten willst, kannst du das doch viel einfacher mit ner einfachen Reihenschaltung aus Zelle, Widerstand und Z-Diode in Sperrichtung realisieren.
Steigt die Zellenspannung über die Z-Spannung, wird die die Leistung über den Widerstand verbraten. Wenn du das ganze leuchtend haben willst, klemmst du halt noch ne LED mit ran.

Den Umweg über Käfer verstehe ich da nicht wirklich.
Wozu muss man jeden Sch*** über Digitalelektronik friemeln, wenn das Ganze auch genausogut mit 2 einfachen Bauelementen zu realisieren ist, die jeder Hobbyelektroniker in der Schublade hat?

Dieser Beitrag wurde bereits 1 mal editiert, zuletzt von »chemienator« (8. März 2010, 19:07)


Space

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Wohnort: Hasloh b. Hamburg

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8

Montag, 8. März 2010, 19:38

Zitat

Wozu muss man jeden Sch*** über Digitalelektronik friemeln, wenn das Ganze auch genausogut mit 2 einfachen Bauelementen zu realisieren ist, die jeder Hobbyelektroniker in der Schublade hat?
Weil die Sch*** Analogtechnik nunmal auch analoge runde Kennlinien hat und tolereanzbehafteter ist ;)
Gruß

Thomas

wurpfel1

RCLine User

Wohnort: CH-rheintal

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9

Montag, 8. März 2010, 19:53

ein batzen Zdioden hat vermutlich auch etwas mehr leckstrom als die 3uA-sleep :evil:




ihr wisst schon dass man eine autolipo ziemlich kitzelt? das ist nur solange safe wie der SOC bekannt ist. die lebensdauer profitiert übrigends auch stark von den infos die dieser 6 € käfer ausspuckt :D
bin schon zu alt zum spielen.. macht aber gleichwohl spass ;-)

chemienator

RCLine User

Wohnort: Landkreis OPR (Brandenburg)

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10

Montag, 8. März 2010, 20:16

Hab mir grad mal das Datenblatt einer Z-diode bei Conrad gezogen.
Bis 5,1V Z-spannung ist kein Sperrstrom angegeben, die mit 5,7V hat 1,0µA und die 6,1V hat 1,5µA. http://www.produktinfo.conrad.com/datenb…_130V_de_en.pdf

@ Space, was interessiert dich die Kennlinie? Wichtig ist die Z-spannung, welche wohldefiniert ist. Dann greift einige mV über der Z-Spannung die Kennlinie der Diode und darüber lässt sich alles schön linear über die kennlinie des Widerstands berechnen. also muss man nichtmal mit E-funktionen umgehen können, wenn einem diese paar mV nicht interessieren.

Toleranz ist auch so ein tolles Thema, was viele benutzen ohne es mal quantitativ durchgerechnet zu haben. Denn auch digitalelektronik ist aus analogen Bauteilen aufgebaut, welche einer Toleranz unterliegen.
Man könnte noch die temperaturabhänigkeit der Z-Dioden einwerfen, welche sich im Bereich von 10mV bewegt. aber auch das ist für diese Anwendung uninteressant, da sowohl die zellen einer Temperaturdrift unterliegen wie auch die Z-Dioden und die Widerstände. Allerdings heben sich diese Effekte teilweise auf bzw sind in Bereichen, die niemanden interessieren und nur mit sehr teuerer Messtechnik überhaupt messbar sind.

Das Problem was ich momentan sehe, ist, dass einige Leute super darin sind µCs zu programmieren und mit enlischen fachtermini umsich werfen. Aber im Gegenzug nichtmal einfachste Grundschaltungen beherschen.


edit: ich habe parallel mal das Thema mit nem digitalfreak besappelt. er würde das ganze auch über µCs aufbauen und u.a. ne log-funktion miteinabuen. Allerdings würde er das ganze auch als externen ballancer ausführen, wo ich auch wieder zur digitalen Technik greifen würde. soll das ganze jedoch am Akku hängen, wenig Strom ziehen und nahezu nichts wiegen würden wir beide die variante mit der Z-diode vorziehen.

Dieser Beitrag wurde bereits 1 mal editiert, zuletzt von »chemienator« (8. März 2010, 20:23)


wurpfel1

RCLine User

Wohnort: CH-rheintal

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11

Montag, 8. März 2010, 21:17

wenn ich nur die ladeschlussspanung begrenzen möchte greife ich in die grabbelkiste und gut ist ;)

wobei die Zdiode bei genau 3V65 100% leiten soll und bei 3V6 noch nicht etwas schwierig zu finden ist :evil:


hier interessiert:
den akku gut auszunutzen und dabei maximale lebensdauer zu erreichen.


dass erfordert mehr als analogtechnik leisten kann... ein BMS ist digital einfacher zu lösen
bin schon zu alt zum spielen.. macht aber gleichwohl spass ;-)

12

Montag, 8. März 2010, 22:53

Hallo Christoph,

Zitat

Original von chemienator
Steigt die Zellenspannung über die Z-Spannung, wird die die Leistung über den Widerstand verbraten. Wenn du das ganze leuchtend haben willst, klemmst du halt noch ne LED mit ran.

Den Umweg über Käfer verstehe ich da nicht wirklich.
Wozu muss man jeden Sch*** über Digitalelektronik friemeln, wenn das Ganze auch genausogut mit 2 einfachen Bauelementen zu realisieren ist, die jeder Hobbyelektroniker in der Schublade hat?


tja, wenn das so einfach ginge, hätte (nicht nur) ich schon längst eine solch einfache Schaltung an jeder Zelle dran!
Geht aber so nicht - nicht nur, wegen der Streuung der Z-Diode (könnte man ja selektieren) und der Temperaturdrift, sondern vor allem wegen der "weichen" Kennlinie einer Z-Diode. So, wie Du hier schreibst, hast Du Dich offenbar tatsächlich noch nicht mit dem Verhalten von realen Z-Dioden auseinandergesetzt und hältst das offenbar auch nicht für nötig (Zitat: " was interessiert dich die Kennlinie?").
Bitte mach eigene Experimente oder frage jemanden, der sich damit auskennt, aber unterstelle hier keinem, daß er nicht die einfachsten Grundschaltungen beherrscht!

Hier nochmal die Aufgabe: eine Schaltung, die permanent am Akku verbleiben kann, also Ruhestrom im Microamperebereich, kein zusätzliches Gebamsel in Form von Balancer-Anschluß oder Schnittstelle zum Ladegerät, Entladestrom bei U>3,65V im 100-200 mA-Bereich, leichte Überwachung der Funktion der Schaltung selbst und des Akkus durch Augenschein. Letzteres ist eigentlich weniger wichtig, aber wenn schon ein Controller da ist, der vielleicht auch kaputt gehen könnte, oder sich evtl. mal aufhängen könnte, gibt die LED einfach ein Gefühl der Sicherheit.

Grüße,

Thomas

13

Dienstag, 9. März 2010, 02:53

Limiter Schaltplan

So sieht die Schaltung konkret aus:
»Ottili« hat folgendes Bild angehängt:
  • sch.gif

14

Dienstag, 9. März 2010, 03:03

RE: Limiter Schaltplan

Layout und Bestückung...

(Originalgröße ist 10 x 30 mm)
»Ottili« hat folgendes Bild angehängt:
  • brd.gif

Dieser Beitrag wurde bereits 1 mal editiert, zuletzt von »Ottili« (9. März 2010, 03:04)


15

Dienstag, 9. März 2010, 09:23

RE: Limiter Schaltplan

So, jetzt das ganze noch mit nem kleinen Atmel, dann wär ich auch glücklich ;)
ne, das Projekt gefällt mir ziemlich gut, wenn ich mir mal ne Pack A123er leisten kann, würd ich mir das auch überlegen, den balancer gleich anzubauen.
Allerdings dann wirklich mit nem Atmel :)
vielen Dank jedenfalls für die gute Idee

viele Grüße,
Hermann

16

Dienstag, 9. März 2010, 11:15

RE: Limiter Schaltplan

Hallo Hermann,

durch Änderung des Layouts müsste sich dafür auch problemlos ein Atmel, z.B. ATiny5, verwenden lassen. Die Schaltung selbst wird sich nicht viel ändern.

Grüße,

Thomas

17

Dienstag, 9. März 2010, 11:24

RE: Limiter Schaltplan

Hallo Thomas,

um die Schaltung gings mir nicht, die anzupassen ist nicht sonderlich aufwendig, sondern eher um die Software :)

viele Grüße,
Hermann

18

Dienstag, 9. März 2010, 12:16

RE: Limiter Schaltplan

Hi Hermann,

die Software muß ich auch für den PIC noch schreiben - wird aber bestimmt nicht sehr komplex werden. Sollte also dann für jemanden, der schon mal ein paar Zeilen Code für Atmels geschrieben hat, auch kein Problem darstellen. Zeitkritisch ist das Ganze ja auch nicht, geht also sicher auch in Bascom oder C. Da gibt's ja auch hier im Forum schon einige Aktivitäten...

Grüße,

Thomas

wurpfel1

RCLine User

Wohnort: CH-rheintal

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19

Dienstag, 9. März 2010, 17:59

von atmel gibt es application-notes die akkuüberwachungs-SW enthalten.
bin schon zu alt zum spielen.. macht aber gleichwohl spass ;-)

20

Dienstag, 9. März 2010, 18:16

Zitat

von atmel gibt es application-notes die akkuüberwachungs-SW enthalten.

hast Du da zufällig nen Link?

viele Grüße,
Hermann