LiPo Ladegerät mit Balancer - Eigenbau

[Q-Man]

Hallo Heinz,

Da der OP schon ab 3V arbeitet sollte eine Anpassung funktionieren.
Der Eingangsspannungsteiler, die Referenzspannung und der Lastwiderstand müssen neu berechnet werden.


In der LiPo Ausführung beträgt der Widerstand im Lastzweig (BUZ11 Strecke 1-2 Ri=0,03Ohm) 2,7Ohm. Bei 4,2V wird der Strom auf 1,55A begrenzt.Wenn die Spannung unter 4,2V sinkt sperrt der BUZ11 wieder. Wenn mann mit dem Osziloskop am Gate (1) nachschaut sieht man das der BUZ um den Arbeitspunkt (4,2V) schwingt.

Ich lege mal ein paar Werte Fest und du musst mir sagen ob diese für dich OK sind:

Entladeend-Spannung: 2,7V
Ladeschluss-Spannung: 3,45V

Ladestrom 0,5 - 1C. Dazu benötige ich noch die Kapazität. Da du aber viel Zeit zum laden hast (Solarzelle), sagen wir mal 6h würde ich gerne bei 1,0-1,5A bleiben.
Ich denke mal der Solarregler hat eine Strombegrenzung, Wie hoch ist diese?

Grüße Jörg

 

[HeinzSchneider]

Hallo Jörg,

erstmal Danke für die angebotene Hilfe.

Die Zellen haben eine Kapazität von je 100 Ah und werden vom programmierbaren Solarladeregler mit max. 27 A geladen. (= realer Maximalstom der angeschlossenen Solarmodule)

Sobald die Gesamtspannung des Akkupacks in die Nähe der voreingestellten Ladeschluss-Spannung kommt, regelt der Solarlader automatisch den Ladestrom herunter. Eine Strombegrenzung kann ich nicht einstellen, jedoch fliessen in diesem Fall nur noch einige Ampere über den Lader. Wie schon mal erwähnt, funktioniert das ganze jetzt schon seit fast einem Jahr reibungslos und dies komplett OHNE angeschlossene Balancer.

Als Eckdaten kann man festhalten:

Entladeend-Spannung: 2,90 V
Ladeschluss-Spannung: 3,50 V

Die (Neu-)-Berechnung des Lastwiderstands ist mir klar, aber warum möchtest Du den Eingangsspannungsteiler und die Referenzspannung neu brechnen?

Über das 10-Gang Poti kann doch der Abgleich ohne Änderung der Widerstände erreicht werden und die 2,5V Referenzspannung von der Z-Diode stehen dem OP auch weiterhin zur Verfügung. Hab ich da schon wieder was ducheinander gebracht?

In diesem Zusammenhang möchte ich nochmal auf meine eigentliche Frage im ersten Thread zurückkommen:

Wenn ich es richtig sehe, ist der Widerstand des BUZ11 zwischen 1 und 3 generell sehr hoch,egal ob die Strecke 2-3 durchgeschaltet ist oder eben nicht. Müsste dann auch nicht fast die komplette Eingangsspannung an der Strecke 1-3 am BUZ abfallen und dieser ab ca. 3 V leitend werden?

Du hast doch über den 180 Ohm Widerstand das Gate (1) des MOSFET auf die Versorgungsspannung gelegt und Source (3) liegt auf Masse. Bei einem Eingangswiderstand von sagen wir mal 10 hoch 10 Ohm an 1-3 des BUZZ fällt doch dort die gesamte Spannung ab. Somit müsste der FET doch immer leitend sein und könnte nicht vom OP gesteuert werden. Kannst Du mir das bitte erklären?

Danke und viele Grüsse

Heinz

 

[Q-Man]

Hallo Heinz,

Erstmal der OP/MOSFET:
Der Ausgang des OP kan nur sehr wenig positiven Strom liefern, da es intern zwar einen PullUp gibt, die Schaltung aber eher als Open Colletor ausgelegt ist habe ich eine Diode in Sperrrichtung an den Ausgang gelegt und einen eigenen 180Ohm PullUp, der genug Strom für den N-Kanal MOSFET (BUZ11) liefert.

Im Normalfall liegt die Eingangs(Mess-)Spannung (OP+) unter der Referenzspannung (OP-).Der OP schaltet nach Masse.
Die Schotky-Diode hat eine Flussspannung von 1V. Am Gate des BUZ11 liegt also eine Gate-Source Spannung von 1V.
Der BUZ11 benötigt typisch 3V, aber mindestens 2,1V zum durchschalten. Also sperrt er.

Wenn die Eingangsspannung sich der Referenzspannung nähert beginnt der OP die Ausgangsspannung zu erhöhen. Der BUZ11 beginnt "ein wenig" zu leiten. Dadurch sinkt die Eingangsspannung im ein paar mV. Der OP sperrt wieder mehr und die Eingangsspannung steigt wieder.


Spannungsteiler
Die Referenzspannung bleibt natürlich bei 2,5V
Den Eingangsspannungsteiler solltest du auf (Eingangsspannung) 1K / 1K Trimmer / 2K (Masse) dimensionieren.


Leistungsstufe
Bei so einer Leistung (27A * 3,5V = 94,5W) je Zelle würde ich den Balancer nur "vorsichtig" arbeiten lassen, denn das Netzteil würde bei zu viel Regelung bis zu 750W in die Lastwiederstände zur Erwärmung zur Verfügung stellen^^

Wenn du einen 1,2Ohm/11W Lastwiederstand nimmst würdest du ca.2.9A (10% des Netzteiles) zur Regelung verwenden können.


Grüße Jörg

 

[HeinzSchneider]

Hallo Heinz,

Erstmal der OP/MOSFET:

Im Normalfall liegt die Eingangs(Mess-)Spannung (OP+) unter der Referenzspannung (OP-).Der OP schaltet nach Masse.
Die Schotky-Diode hat eine Flussspannung von 1V. Am Gate des BUZ11 liegt also eine Gate-Source Spannung von 1V.
Der BUZ11 benötigt typisch 3V, aber mindestens 2,1V zum durchschalten. Also sperrt er.

Grüße Jörg

Hallo Jörg,

nach langer Zeit des "Hinausschiebens" habe ich in den letzten Tagen den Balancer nachgebaut und zwar erstmal so, wie er für den LiPo-Einsatz mit 4,2V angedacht war. Hat soweit alles funktioniert.

Nun benötige ich den Balancer ja für meine LiFePo4 Akkus mit einer Ladeendspannung von 3,6V. Den Eingangsspannungsteiler anzupassen alleine reicht scheinbar nicht aus, da ich festgestellt habe, dass der OP nicht korrekt arbeitet. (= reine Vermutung von mir)

Ich vermute weiter, dass duch den Spannungsabfall am BAT48 nicht mehr genügend Arbeitsspannung für den OP übrig bleibt. Jedenfalls leuchtet die LED ständig, der Lastkreis ist permanent durchgeschaltet.

Verstehe leider nicht so ganz, woran es liegt. Wäre eigentlich davon ausgegangen, dass der OP sperrt, wenn er zuwenig Spannung bekommt.

Kann auf die BAT48 Diode eigentlich komplett verzichtet werden? Was kann ich anders machen? Braucht es weitere Anpassungen?

Freue mich auf Hilfe und sage schon mal herzlichen Dank.

Gruss

Heinz

 

[Q-Man]

Hallo Heinz,

Die BAT48 dient primär dazu die Spannung zum Referenzspannungsteiler die am 4,7µF Kondensator anliegt aufrecht zu erhalten, wenn der BUZ durchschaltet.
Es ist eine Schottky-Diode mit Uf=0,2V (da nur wenig Strom fließt), nicht 1V wie oben angegeben.

Der OP arbeitet als Open Collector und kann nicht durchgeschaltet werden wenn es nicht genug Eingangsspannung gibt.

Ich würde empfehlen zum Test an den 4,7µF Kondensator über eine separate Spannungsversorgung an 5V legen.

Grüße Jörg

 

[Q-Man]

Bitte wirklich separat!

 

[HeinzSchneider]

Hallo Jög,

Danke für Deine umgehende Antwort.

Ich befürchte, dass ich den Schaltungsaufbau wohl niemals ganz verstehen werde, so sehr Du Dich auch bemühst alles zu erklären.

Hier scheint der schriftliche Austausch über das Forum an seine Grenzen zu kommen, ein persönlicher Kontakt wäre wohl deutlich effektiver. (leider trennen uns gut 500 km)

Du hattest eingangs mal erwähnt, dass die LED ohne die 1N4448 am OP-Ausgang immer leuchten würde. Kannst Du mir das mal erläutern?

Gruss

Heinz

Ergänzung: Im Datenblatt des LM358 habe ich gesehen, dass beim Verstärkerungsfaktor 100V/mV angegeben ist. Das würde ja heissen, dass ein Faktor von 100.000 gilt. (wie es ja für OP´s typisch ist). Du hattest einen Faktor von lediglich 100 angegeben. Was stimmt denn nun?

 

[Q-Man]

Hallo Heinz,

Der Verstärkungsfaktor ist (aus Werbezwecken, weil viel = gut) bei hoher Versorgungsspannung angegeben. Hier wird der OP aber beim unteren Limit betrieben und damit sinkt auch die Verstärkung.

Nun zur LED:
Der Stromfluss geht von Plus zu minus über diese Bauteile unter der Annahme das der OP nicht vorhanden ist:
+Pol
R1 (180E)
D1 (4448)
R2 (470E)
D2 (Gelbe LED)
Masse
Die LED leuchtet.

Der OP hat 2 Zustände. Die Messpannung ist höher oder niedriger als die Referenzspannung.
* Ist sie höher würde der Ausgang positiv werden. Da aber eine Open-Kollektor Schaltung verwendet wird, bleibt der Ausgang einfach Hochohmig.
Die Schaltung der LED verändert sich nicht und sie Leuchtet.

* Ist sie Niedriger wird der Ausgang nach Masse gezogen.
Damit sieht die Schaltung der LED dann so aus:

+Pol
R1 (180E)
D1 (4448)
MASSE (OP)
R2 (470E)
D2 (Gelbe LED)
Masse

Damit kommt keine Spannung mehr an der LED an. Beide seiten liegen auf Masse.

Grüße Jörg

 

[HeinzSchneider]

Hallo Jörg,

vielen Dank für Deine Erläuterungen, jetzt ist einiges klarer ...

Zwischenzeitlich habe ich alles nochmal überprüft und festgestellt, dass der OP erst ab ca. 4 V Eingangsspannung (anliegend an der Gesamtschaltung) wirklich definiert funktioniert. Damit hat sich auch die Erklärung ergeben, warum mein Aufbau mit Spannungen grösser 4 V funktioniert und mit den angestrebten 3,6 V eben nicht.

Scheint so zu sein, dass der LM358 hier etwas "empfindlich" ist, habe es mit zwei Modellen ausprobiert und das gleiche Ergebnis (wie oben beschrieben) erhalten.

Nun müsste also die Versorgungsspannung für den OP extra angelegt werden. Könnte ich da beispielsweise die Gesamtspannung meiner 4 in Reihe geschalteter Einzelzellen benutzen und trotzdem problemlos bei einem 4-fach Aufbau des Balancers jede einzelne Zelle balancieren?

Zudem habe ich jetzt beim Testaufbau des Balancers festgestellt, dass eine Spannungsdifferenz von 0,1 v am Eingang "nur" ca. 0,6 A Laststrom verursacht. Als Spannungsteiler mit 1k- 1k Trimmer- 2k gegen Masse und einem"Arbeitspunkt" von 3,5 V hat sich eben bei 3,6 V nur ein 0,6A Laststrom ergeben. (habe den OP mit 4V, 8V und 12V beschaltet, es hat sich aber keine Änderung beim Laststom ergeben!)

Was ist zu tun, um den Laststrom mit einem kleinerem Spannungsunterschied auf Maximum zu bringen ? Änderungen am Spannungsteiler oder einen OP mit einem höheren Verstärkungsfaktor verwenden?

Danke für Deine Hilfe.

Gruss

Heinz

 

[Q-Man]

Hallo Heinz,

du darfst die Versorgungsspannung auf keinen Fall ohne galvanische Trennung verwenden, das könnte zu Kurzschlüssen führen!
Jeder OP muss über eine eigene Spannungsversorgung verfügen.

Du kannst hier einen DC-DC Wandler für 1,95€ bekommen. Die Eingangsspannung von 5V kannst du für alle Wandler über einen LM7805 bekommen.

Wie hoch ist der Laststrom wenn der OP voll durchschaltet, sein Ausgang also bei 0 Volt liegt?
Rein rechnerisch sollte er bei: I= U/R =3,6V/2R7=1,33A liegen.

Ich denke aber die Gate-Drain Spannung erreicht nicht da benötigte Minimum.
Der Spannungsteiler (hier der R=180E) vor dem BUZ wird durch den maximalen Strom des OP bestimmt.
Der OP kann 550mW d.h. bei 3,6V 152mA
Damit dürfte der kleineste R=U/R=3,6V/152mA = 23E sein. Versuche also bitte einen 27E Widerstand.

Messe bitte aber vorher den Laststrom ohne die gelbe LED.

Um den Laststrom anschließend zu erhöhen mußt du den Lastwiederstand verkleinern.
Der BUZ11 darf 75W (bei ausreichender Kühlung!), bei 3,6V wären der erlaubte Strom I=P/U = 50W/3,6V=20,8A
Dieser Strom ist ist bis 90°C erlaubt!

Der Lastwiderstand hätte dann RL= U/I=3,6V/20,8A = 0,17E
PL=U*I= 3,6V*20,8A=74,88W

Als Anmerkung muss ich noch sagen, das bei einer so geringen Spannung der BUZ immer einen Innenwiderstand von 1-2E haben wird. Du könntest ihn also auch ohne Lastwiederstand betreiben (dann aber bitte mit Sicherung).
Bei 1E hättest du dann I=U/R=3,6V/1E=3,6A und P=U*I=3,6V*3,6A=13W
Bei diesem Strom darf der BUZ 145°C heiss werden.
Ich nehme mal als maximum 45°C Aussentemperatur (T=145-45=100K) an, dann benötigst du einen Kühlkörper mit:
Rt=T/P = 100K/13W= 7,6 K/W oder besser.


Einen OP höherer Verstärkung könnte etwas bringen, aber er müsste an Ausgang Open Kollektor sein. Aber ich denke eher nicht das es das Problem lösen wird. Die LED abzuklemmen könnte eher helfen.

Grüße Jörg

 

[HeinzSchneider]

Hallo Jörg,

ich habe wieder einiges ausprobiert und verändert. Damit ich jetzt nicht alles mit Worten beschreiben muss, habe ich einfach mal den Schaltplan so gezeichnet, wie er aktuell für meine Schaltung gültig ist:

Es fehlt hier allerdings noch die Sicherung im Schaltplan.

Ich habe die "Funktion" der verwendeten Kondensatoren noch nicht so ganz verstanden. Da die Spannungsversorgung für den OP ja extern angelegt wird und damit auch die Referenzspannungsquelle (LM385) betrieben wird, könnte man auf die Idee kommen, dass der eine oder andere Kondensator weggelassen werden kann. Was sagst Du dazu?

Beim Testen ist mir aufgefallen, dass beim Regulieren der Eingangspannung um ca. 10 mV über der gewünschten Schaltgrenze, der OP am Ausgang einen Spannungsanstieg von ca. 0,8V auf 3,3 V ausführt. (wie es ja auch sein soll)

Senke ich jedoch die Eingangsspannung (nachdem der BUZ11 duchgeschaltet hat) um ca. 10 mV unter die eingestellte Schaltschwelle, reduziert sich die Ausgangsspannung des OPs nicht wieder auf 0,8 V sondern erstmal auf "nur" 1,7V. Dementsprechend reduziert sich der Strom durch den BUZ11 zwar deutlich, jedoch nicht auf "Null".

Erst wenn nochmal um weitere 10-20 mV am Eingang reduziert wird, sperrt der OP wieder vollständig.

Ich habe schon einige Versuche unternommen (Widerstände+Dioden geändert/getauscht), jedoch keinerlei Änderungen diesbezüglich erreicht.

Muss man mit dieser Art "Hysterese" leben oder gibt es da evtl. noch einen Trick um das zu verbessern?

Vielen Dank für Deine Hilfe.

Gruss

Heinz

 

[Q-Man]

Hallo Heinz,

der 4,7µF ist in diesen Fall nicht nötig. Ich gehe mal davon aus, dass die 5V stabilisiert sind.

Eine Hysterese sollte es nicht geben.
Wenn du keine LED verwendest, kannst du die Diode 1N4448 entfernen.
Aber der Pull-Up (1K) am Ausgang des OP sollte geringer sein. Ich denke 180E.

Bleibt das Problem auch bestehen, wenn du einen Lastwiderstand verwendest?

Grüße Jörg

 

[HeinzSchneider]

Hallo Jörg,

die externe 5V Versorgung ist stabilisiert. Ich glaube, die Diode 1N4448 hatte ich testweise schon mal entfernt gehabt. Beim Zeichnen des Schaltplans war ich dann aber doch nicht mehr so sicher ...

Den Pull-Up habe ich sogar schon mal auf 3 k erhöht gehabt, funzte auch, aber mit geringerem Laststom.

Ich würde gerne bei dem 1K als Pull-Up bleiben, da damit die Ruhestromaufnahme der Schaltung deutlich sinkt. Ich hatte einen Wert von ca. 1 mA. Wenn ich den Pull-Up auf 180E oder noch deutlich kleiner mache, kann ich eigentlich nur eine Zunahme des Ruhestroms feststellen, ohne das sich am Laststrom durch den BUZ11 irgend etwas "verbessern/vergrössern" würde.

Spricht sonst aus irgendwelchen Gründen etwas gegen den ziemlich grossen Pull-Up mit 1k?

Die Sache mit der Hysterese kann ich erst morgen überprüfen, da werd ich mal einen 1E Lastwiderstand an den MOSFET hängen.

Danke für Deine Bemühungen.

Gruss

Heinz

 

[Q-Man]

Hallo Heinz,

gegen den 1K Pull-Up spricht nichts. Du könntest noch einen zusätzlichen 10K Pull-Down versuchen.

Grüße Jörg

 

[Q-Man]

Hallo Heinz,
Hast du Neuigkeiten?

Grüße Jörg