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balancer

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Angelegt: 14.09.2010
von: Carsten (Inoculator)
Zweck: Aufbau und Erklärung eines analogen Balancers
BETA-Hinweis: Dieser Artikel ist in Entwicklung und nicht vollständig, solange der Hinweis steht.

Analoger Balancer

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.

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 ;-).

Das Material

Das verwendete Material ist über die regulären Quellen zu beziehen. Es werden keine besonderen Bausteine oder gar zu programmierende µPCs verwendet.

Der Aufbau

Ein analoger Balancer wird gänzlich offen nach den Regeln und Gesetzen der Reglungstechnik aufgebaut.
EVA (Eingabe-Verarbeitung-Ausgabe) findet hier keine Anwendung, da es sich um einen geschlossenen Regelkreis handelt.
Digitale Techniken werden nicht angewendet.

Zunächst sei erwähnt, daß die Bezeichnung Balancer hier -wie in vielen Fällen eigendlich vollkommen falsch ist. Ein Balancer stellt ein Gleichgewicht her. Um aber ein Gleichgewicht zu erzeugen, muss es zwei Objekte in einer Abhängigkeit geben, welche verglichen und manipuliert werden. Das macht das Gerät in diesem Artikel und auch in vielen anderen Fällen aber nicht. Dieser „Balancer“ betrachtet nur ein Objekt, nämlich „seine“ Akkuzelle. Alle anderen Zellen sind ihm vollkommen egal. Er kennt nichts Anderes.
Ab jetzt werde ich daher auch nicht mehr „Balancer“ schreiben, sondern einfach von „der Schaltung“ reden.

erstmal nur ein paar Bilder. Später kommt Text.

Überwachung mit Unterspannung, Begrenzung und Überspannung.

Das erste physikalische Ergebnis der Platine

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, welche die Zelle haben muss. Dieser, wie auch alle anderen Werte, sind vom Typ der zu überwachenden Zelle abhängig und werden beim Bestücken der Platine feste verdrahtet. So kann im Einsatz durch Vibrationen oder Unkenntnis später kein Fehler passieren. Ist die Mindestspannung erreicht, so schaltet ein Vergleicher und meldet über eine grüne LED und einen Optokoppler Betrieb. Der Optokoppler ermöglicht es, von außen das Signal abzugreifen, ohne dabei auf den Stromkreis der Schaltung direkt zuzugreifen. Es ist ein sogenannter potentialfreier Ausgang.
Schaltschwelle 2 ist die reguläre maximale Spannung. Wird beim Laden diese Spannung erreicht, so muss entweder das Ladegerät runtergeregelt, oder die überschüssige Ladeenergie irgendwie anderes verwendet werden. Das ist der eigendliche Betriebszustand der Schaltung. In diesem Fall wird zum einen eine gelbe LED und ebenfalls ein Optokoppler angesteuert. Zusätzlich wird ein Leistungsbaustein (MOS-FET) soweit geöffnet, das die Spannung an der Zelle nicht weiter ansteigt.
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 laufen würde zerstört zu werden, spricht eine weitere Regelstrecke an und steuert gegen das Signal des Steuerung. Wird jetzt also weiterhin Energie in den Akku geführt, wird dessen Spannung langsam weiter ansteigen.
Das ist dann die 3. Schaltschwelle. Diese steuert eine rote LED und einen Optokoppler an. Wird jetzt das Ladegerät nicht abgeschaltet, wird die Zelle schaden nehmen -sie wird überladen.
Sollte der FET aus irgendeinem Grund kaputt gehen und sich selber kurzschließen, verhindert eine Sicherung, daß die Zelle dadurch entladen wird. Die Sicherung ist so zu bemessen, daß der FET-Strom passieren kann, aber eine Abweichung nach Oben unmittelbar zur Auslösung führt.

Elektrischer Umsetzung

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.
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, kann das Ventil nur „auf“ oder „zu“ sein und es findet kein „dazwischen“ statt.
Für die beiden Schaltschwellen „Mindestspannung“ und „Überspannung“ trifft das auch zu. Es gibt hier keinen Bedarf etwas zu regeln. Es sollen nur zwei Zustände überwacht und absolut gemeldet werden: „ist“ oder „ist nicht“.
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.

Die weitere Behandlung

Die Regelladung

Defekte Zellen

Nachsatz

Weitere Erfahrungen

Siehe auch

Links

balancer.1284469322.txt.gz · Zuletzt geändert: 2010/09/14 15:02 von inoculator