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balancer [2010/09/14 14:54] inoculator |
balancer [2010/09/15 14:31] (aktuell) inoculator |
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| ===== Präambel: ===== | ===== Präambel: ===== | ||
| - | Der vermehrte Einsatz von Lithium Zellen hat auch die Diskussion über das Batteriemanagement angefacht. In diesem Artikel werde ich eine Beschreibung abliefern, wie ein analoger Balancer aufgebaut sein kann, bzw. wie ich meinen ersten derartigen Balancer verwirklicht habe. | + | Der vermehrte Einsatz von Lithium Zellen hat auch die Diskussion über das Batteriemanagement angefacht. In diesem Artikel werde ich eine Beschreibung abliefern, wie ein analoger Balancer aufgebaut sein kann. |
| ===== Warnhinweise ===== | ===== Warnhinweise ===== | ||
| - | Alle her verwendeten Bilder und Beschreibungen sind abstrakt und haben nichts mit den tatsächlichen Bauteilen oder Werten zu tun. Der Nachbau alleine auf Basis dieses Artikels ist nur dem versierten Fachmann möglich -und der braucht dazu diesen Artikel nicht ;-). | + | Alle hier verwendeten Bilder und Beschreibungen sind abstrakt und haben nichts mit den tatsächlichen Bauteilen oder Werten zu tun. Der Nachbau alleine auf Basis dieses Artikels ist nur dem versierten Fachmann möglich -und der braucht dazu diesen Artikel nicht ;-). |
| ===== Das Material ===== | ===== Das Material ===== | ||
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| Ab jetzt werde ich daher auch nicht mehr " | Ab jetzt werde ich daher auch nicht mehr " | ||
| - | erstmal nur ein paar Bilder. Später kommt Text.\\ | + | Hier ein paar Bilder:\\ |
| {{: | {{: | ||
| Überwachung mit Unterspannung, | Überwachung mit Unterspannung, | ||
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| Die bestückte Platine für 5 Zellen. Der Kühlkörper ist demontiert.\\ | Die bestückte Platine für 5 Zellen. Der Kühlkörper ist demontiert.\\ | ||
| - | Die Schaltung überwacht 3 bestimmte Schwellen in der Spannung des Akkus. Dabei wird sie selber über die Akkuspannung versorgt. Das hat zu Folge, daß der Akku auch im Stillstand eine gewisse Leistung dafür aufwendet, seine Überwachung am Laufen zu halten. Eine gewisse Abhängigkeit entsteht also. Schaltschwelle 1 ist die Mindestspannung, | + | Die Schaltung überwacht 3 bestimmte Schwellen in der Spannung des Akkus. Dabei wird sie selber über die Akkuspannung versorgt. Das hat zu Folge, daß der Akku auch im Stillstand eine gewisse Leistung dafür aufwendet, seine Überwachung am Laufen zu halten. Eine gewisse Abhängigkeit entsteht also. Alle Schaltschwellen (Werte) sind abhängig |
| - | Schaltschwelle 2 ist die reguläre maximale Spannung. Wird beim Laden diese Spannung erreicht, so muss entweder das Ladegerät runtergeregelt, | + | * Schaltschwelle 1 ist die Mindestspannung, |
| - | Da die Leistung des Ladevorganges nun an dem FET in Wärme umgewandelt wird und der FET seine Grenzen hat, wird über einen kleinen SHUNT der Strom, welcher vom FET abgeleitet wird gemessen. Übersteigt dieser ein gewisses Niveau, so daß der FET gefahr | + | |
| - | Das ist dann die 3. Schaltschwelle. Diese steuert eine rote LED und einen Optokoppler an. Wird jetzt das Ladegerät nicht abgeschaltet, | + | |
| Sollte der FET aus irgendeinem Grund kaputt gehen und sich selber kurzschließen, | Sollte der FET aus irgendeinem Grund kaputt gehen und sich selber kurzschließen, | ||
| - | ===== Elektrischer | + | ===== Elektrische |
| Nachdem die Funktion der Schaltung beschrieben wurde, hier nun ein kurzer Ausflug in seinen technischen Aufbau:\\ | Nachdem die Funktion der Schaltung beschrieben wurde, hier nun ein kurzer Ausflug in seinen technischen Aufbau:\\ | ||
| Es wird mit einem einfachen 4-fach Operationsverstärker gearbeitet. Ein OP ist vergleichbar mit einem Ventil.\\ | Es wird mit einem einfachen 4-fach Operationsverstärker gearbeitet. Ein OP ist vergleichbar mit einem Ventil.\\ | ||
| Dieses Ventil hat zwei Eingänge (+ und -) an denen zwei Spannungen liegen. Ist die Spannung am Eingang + größer, so steuert das Ventil auf. Umgekehrt wenn die Spannung am Eingang - größer als an + ist, steuert das Ventil wieder zu.\\ | Dieses Ventil hat zwei Eingänge (+ und -) an denen zwei Spannungen liegen. Ist die Spannung am Eingang + größer, so steuert das Ventil auf. Umgekehrt wenn die Spannung am Eingang - größer als an + ist, steuert das Ventil wieder zu.\\ | ||
| Der Trick besteht nun darin, das Signal am Ausgang (auf/zu) auf die Eingänge zurückzuführen. Dadurch entsteht eine Regelstrecke. Habe ich keine Rückführung, | Der Trick besteht nun darin, das Signal am Ausgang (auf/zu) auf die Eingänge zurückzuführen. Dadurch entsteht eine Regelstrecke. Habe ich keine Rückführung, | ||
| + | Für die beiden Schaltschwellen " | ||
| + | Für die Regelfunktion des FETs werden zwei Regelstrecken verwendet. Einmal die Spannungsüberwachung am Akku und einmal die Stromüberwachung am FET. Hier wird auf zwei PI-Regler gesetzt. Ich werde jetzt nicht anfangen, die Regelbegriffe zu erläutern. Schauen Sie in die weiterführenden Links unten, dort sind einige gute Einstiegsseiten bei.\\ | ||
| + | Als Ergebnis des PI-Reglers wird der FET bei Erreichen der Schaltschwelle langsam aufgeregelt. Der überschüssige Strom wird durch ihn durch an der Zelle vorbei geleitet und die Spannung am Akku bleibt konstant. Sollte der Strom die Schaltschwelle der Stromüberwachung erreichen, so regelt diese langsam dagegen. So bleibt der Strom im FET konstant, dafür steigt die Akkuspannung nun langsam an -mit dem Ergebnis, daß die Überspannungswarnung schaltet.\\ | ||
| + | Hier nun die Simulation der Schaltung (**Werte und Bauteile sind an den Simulator angepasst und nicht 1:1 für die physikalische Umsetzung verwendbar**): | ||
| + | {{: | ||
| + | * Grün ist die Kurve der Akkuspannung | ||
| + | * Rot ist die Meldung, daß die Mindesspannung des Akkus vorhanden ist | ||
| + | * Hellblau die Meldung für Überspannung und | ||
| + | * dunkelblau der Strom im FET | ||
| - | ===== Die weitere Behandlung ===== | ||
| - | ===== Die Regelladung ===== | ||
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| - | ===== Defekte Zellen ===== | ||
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| ===== Nachsatz ===== | ===== Nachsatz ===== | ||
| - | + | Die Entwicklung und der Bau einer elektronischen Komponente ist nicht damit getan, irgendwelche Teile wild zusammen zu löten. Es müssen Grenzwerte berechnet werden und es ist immer mit Fehlschlägen verbunden, weil man irgendwas übersehen hat. Ich argumentiere gerne mit dem Preis der auf dem Markt erhältlichen Komponenten und daß das alles viel billiger geht. Grundsätzlich stimmt das und in einigen Fällen fragt man sich wirklich, wie skrupellos man sein muss, um manchen Preise zu verlangen.\\ | |
| + | Dennoch bitte ich immer daran zu denken, daß da oftmals Jahre an Erfahrung und Investition dranhängen. Und auch die Entwickler solcher Geräte sind Angestellte und wollen nur ihre Familien ernähren. Daß wir heute da stehen und mit billiger Ware aus dem Osten überschwemmt werden, hat vor allem mit unserem eigenen Geiz zu tun. Wenn es also ein Gerät gibt, welches in Deutschland gebaut und gewartet wird und der Preis ist etwas höher, als der des östlichen Konkurrenten, | ||
| + | Meine Projekte sind niemals als Konkurrenz zu irgend etwas Gleichartigem auf dem Markt gedacht. Es sind Beispiele, wie man es machen kann und was eigendlich dahinter steckt. Ich entwickel nicht Hauptberuflich aber mit Leidenschaft. Also kann auch mal ein Zeitplan nicht eingehalten werden. Die Ergebnisse sollen Hilfe und Anleitung bieten. Natürlich gibt es alles auch im Sinne des Tauschgeschäftes zu bekommen, aber ohne jegliche Garantie oder Gewährleistung, | ||
| ===== Weitere Erfahrungen ===== | ===== Weitere Erfahrungen ===== | ||
| - | + | == Wärme == | |
| - | + | Sämtliche Energie, die vom Ladegerät dem Akku zugeführt wird und von der Schaltung als " | |
| - | + | Annahme:\\ | |
| + | * Die Zelle hat eine Ladeschlusspannung von 4,2V | ||
| + | * Die Schaltung ist auf 5A Beipasstrom eingestellt | ||
| + | * Der FET hat einen thermischen Widerstand von 1,73K/W | ||
| + | * Das Kühlblech hat einen thermischen Widerstand von 3,6K/W | ||
| + | Der thermische Widerstand summiert sich über die Strecke. Wir haben also einen gesamten Widerstand von 1,73K/W + 3,6K/W = 5, | ||
| + | Der FET macht bei voller Ansteuerung 5A an 4,2V. Die Leistung ist also 5A x 4,2V = 21W.\\ | ||
| + | Die Erwärmung des Kühlkörpers relativ zur Umgebungtemperatur wird sich also auf 21W x 5,33K/W = 111,93K betragen.\\ | ||
| + | Bei einer Umgebungstemperatur von 15°C erhitzt sich der Kühlkörper also auf etwa: 15°C x 111,93K = 126, | ||
| + | Um eine Idee der Größe eines solchen Kühlkörpers zu bekommen, der schwarze Rillenkühler auf dem Bild der Platine hat einen Rth von 3,6K/W und ist etwa 50mm x 100mm x 30mm groß.\\ | ||
| ====== Siehe auch ====== | ====== Siehe auch ====== | ||
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| ====== Links ====== | ====== Links ====== | ||
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balancer.1284468863.txt.gz · Zuletzt geändert: 2010/09/14 14:54 von inoculator
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