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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Welchen Akku-Typ?


Autor: Christian O. (derbrain)
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Hallo zusammen,
ich würde als Spannungsversorgung für meinen Datenlogger gerne ein 
Solarmodul samt Akku verwenden. Da auch ein GSM-Modul (MC55) eingebaut 
ist, sind Spitzenströme von bis zu 2 A üblich. Im Datenblatt vom Modul 
wird ein LiIon-Akku mit 3,6 V Nennspannung und mindestens 800 mAh 
empfohlen, außerdem braucht es einen integrierten NTC (10kΩ ± 5% @ 
25°C). Ach ja, und der Innenwiderstand des Akkus muss auch bei sehr 
niedrigen Temperaturen unter 150 mΩ liegen. Ein entsprechender 
Laderegler ist bereits im Modul vorhanden.
Dummerweise können LiIon-Akkus nur über 0° C geladen werden - manche gar 
erst ab 10°, aber 0° ist auch für den Laderegler die Grenze. Außerdem 
steht bei den meisten Akkus, dass sie nur ca. 300 Ladezyklen lang 
halten. Man dürfte sie also nicht jeden Tag aufladen. Für normale 
Handyakkus habe ich leider keine Datenblätter gefunden, möglicherweise 
erfüllen nicht mal alle diese Kriterien. Wäre vielleicht eine Heizung 
möglich?

Als Alternative kämen noch Bleigel-Akkus in Frage, am besten spezielle 
Solarakkus. Da hab ich aber nur so Riesendinger gefunden, ich bräuchte 
eher was in der Größe von einem Handyakku oder so. Weiß jemand, wo ich 
so was finden könnte?

Wenn ich mich richtig erinnere, geht NiMH wegen der niedrigen 
Temperaturen nicht und NiCd wegen der 2 A. Also was tun?
Ich hoffe, jemand kann helfen. Vielen Dank!

Autor: Winfried (Gast)
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Irgendwo wirst du einen Kompromiss machen müssen. Es gibt halt keine 
erbsengroße Akkus, die bei -50 Grad noch ordentlich funktionieren, jede 
Menge Ah haben und mit 20 Amper belastet werden können. Damit man dazu 
überhaupt was sagen kann, braucht es genau Rahmenbedingungen.

Autor: Fasti (Gast)
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Hallo!

Wieso sollten NiCd mit 2A nicht klarkommen? Gute NiCd Akkus haben einen 
niedrigeren Innenwiderstand als entsprechende NiMH. Nur die 
Ladeschaltung für LiIon kann man mit denen halt nicht verwenden aber 
ansonsten spricht nichts gegen NiCd. Auch in Bezug auf die Ladezyklen 
sind NiCd nicht schlecht, vorrausgesetzt sie werden nicht permanent 
überladen.

Grüße

Christian

Autor: Christian O. (derbrain)
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Hallo Christian, danke für den Tipp!
Anscheinend wird die Verwendung von NiCd-Akkus in Kombination mit 
Solarmodulen hier im Forum öfter empfohlen. Allerdings war als 
Minimaltemperatur bei allen NiCd-Akkus, die ich gefunden habe, 0° 
angegeben. Was passiert bei niedrigeren Temperaturen?
Ich hab zwar auch irgendwo mal niedrigere Angaben gesehen, da waren aber 
die Akkus nicht zu bekommen. Einige Hersteller haben die Produktion von 
NiCd-Akkus ja bereits abgekündigt, darunter auch Panasonic.
Wie sieht das eigentlich mit dem Memory-Effekt aus? Ich kann die Akkus 
ja schlecht vollständig entladen.

Gruß
Christian

Autor: Rolf Magnus (Gast)
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> Gute NiCd Akkus haben einen niedrigeren Innenwiderstand als
> entsprechende NiMH.

Nicht unbedingt.

> Nur die Ladeschaltung für LiIon kann man mit denen halt nicht verwenden
> aber ansonsten spricht nichts gegen NiCd.

Ein Argument wäre, daß sie bald abgeschafft werden.

> Auch in Bezug auf die Ladezyklen sind NiCd nicht schlecht,
> vorrausgesetzt sie werden nicht permanent überladen.

Leider muß man sie dann aber wegen Memory-Effekt vor dem Aufladen immer 
erst ganz entladen. Übrigens macht gerade bei NiCd ein permanentes 
Überladen - sofern der Ladestrom relativ gering ist - nichts aus.

Autor: Fasti (Gast)
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Hallo!

Das mit dem Memory Effekt ist so nicht richtig. Moderne NiCd haben 
keinen Memory Effekt und auch bei den älteren ist das höchst umstritten 
ob es sich bei den beobachteten Verhalten tatsächlich um einen Memory 
Effekt handelt. Tatsache ist, dass kein Akkutyp gut auf überladen 
reagiert, weder NiCd, noch NiMH noch LiIon/polymer. Gerade bei den 
letzteren ists sogar gefährlich. Aus eigener Erfahrung kann ich sagen, 
dass meine NiCd in einem guten Ladegerät, welches zuverlässig abschaltet 
keinen Memory Effekt zeigten.
Das NiCds abgeschafft werden war abzusehen. ROHS hats angekündigt.
Die einzige Alternative, welche mindestens genauso robust und auch bei 
tiefen Temperaturen halbwegs arbeiten sind dann wohl Bleiakkus. 
Funktionieren sollten NiMH bei tieferen  Temperaturen auch allerdings 
wird wahrscheinlich die entnehmbare Leistung wie auch bei Bleiakkus 
ziemlich absinken.

Grüße

Christian

Autor: Christian O. (derbrain)
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Hallo nochmal :-)
Also, ich hab mich entschlossen jetzt vorläufig mal NiCd-Akkus zu 
nehmen. Anscheinend sind im Moment neue Lithium-Akkus in Entwicklung 
bzw. ganz neu auf dem Markt, die auch mit niedrigen Temperaturen besser 
zurechtkommen. Ich werd dann später auf die umsteigen.
Mein Problem ist jetzt, wie ich die benötigte Spannung hinbekomme, 
sprich welchen Spannungswandler/regler ich nehmen soll. Die mögliche 
Spannung liegt zwischen 3,3 und 3,6 Volt. Als Voltage ripple sind max. 
50 mV zulässig, Spannungseinbrüche bis 400 mV, wobei die Spannung 
niemals unter 3,2 V sinken darf.
Ich hatte mir zuerst gedacht, ob ich vielleicht zwei NiCd-Akkus nehmen 
und einen StepUp-Regler verwenden soll. Da würden die Akkus schön leer 
werden. Aber das wird dann mit den 2 A schwierig. Oder kann man das ev. 
mit einem Kondensator machen? Normalerweise braucht das ganze System nur 
< 10 mA, während der Datenübertragung im Schnitt 260 bis max. 450 mA, 
nur gibt es eben während der Übertragung alle 4,616 ms einen 2A-Peak von 
1154 µs. Wie müsste man so einen Kondensator dimensionieren? Und ist da 
mit irgendwelchen Stromspitzen zu rechnen? Was für einen Wandler würdet 
ihr empfehlen?

Vielen Dank!
Christian

Autor: Fasti (Gast)
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Hallo!

OK also NiCd für den Anfang. Wie willst du die Akkus laden. Bei Solar 
ist gängige Praxis, dass die Anzahl und Größe der Solarzellen so 
ausgelegt ist, dass bei optimalen Lichtverhältnissen der Ladestrom der 
Akkus irgendwo zwischen C/10 und C/8 liegt. Optimaler wäre natürlich 
eine Konstantstromladung mit Abschaltung allerdings wird das mit Solar 
schwierig, weil du das Solarmodul sonst massiv überdimensionieren 
müsstest.
Größter Nachteil der C/10 Ladung ist, dass sie sehr lange dauert. Will 
man schneller laden hat man das Problem der Überladung der Zellen, vor 
allem weil bei Ladungsunterbrechung durch zB Wolken eine Abschaltung mit 
den gängigen Kriterien (DeltaU, dU/dt) soweit ich weiß nicht zuverlässig 
funktioniert. In diesem Punkt bin ich mir nicht ganz 100% sicher aber 
vielleicht weiß ein anderer aus dem Forum was dazu.

Die Effizienteste Methode wäre meines Erachtens 4 NiCd Zellen zu nehmen 
und einen Step down Regler, welcher Prinzipbedingt weniger Verluste hat 
wie ein Step Up. Dieser kann auch leichter die geforderten 2A 
kurzfristig liefern. Ein Kondensator der die 2A brücken soll wenn sonst 
nur so wenig Strom gebraucht wird würde ziemlich groß werden wenn man 
den Schaltregler nicht auch auf mindestens 1A auslegt, da der 
Spannungseinbruch nur max. 400mV sein darf, zumindest wenn lange 
gesendet wird. (Wie lange wird eigentlich gesendet?). Vor allem auch die 
Laufzeit würde mit 4 Zellen und Step down wesentlich verbessert.

Grüße

Fasti

Autor: Christian O. (derbrain)
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Hallo Fasti!

Als Akkus habe ich bei Conrad Typen mit 1000 mAh oder mit 600 bzw. 700 
mAh gefunden. Wenn ich 4 von denen nehme, kommen zwischen 2400 und 4000 
mAh dabei raus. Das wird dann mit C/10 schon relativ schwierig.
Die Kapazität sollte laut Datenblatt des GSM-Moduls mindestens 600 mAh 
betragen (mein Handy-Akku hat 700, das Ding hält eine Woche...). Man 
muss halt berücksichtigen, dass die Kapazität bei niedrigen Temperaturen 
drastisch sinkt, ich hab mal was von nur noch 40% gelesen. Um noch auf 
700 mAh zu kommen, müssten die Akkus dann an die 1800mAh haben.

Ich hab mir bei Conrad auch einige Solarmodule angeschaut. Das 
interessanteste läuft unter der Bezeichnung "Solarmodul für 2 NiCd 
Akkus", es liefert 3,6 V Nennspannung und 174 mA Nennstrom. Alle anderen 
liefern viel zu wenig Strom, wenn man von C/10 ausgeht. Kann man einfach 
zwei solcher Module in Reihe schalten? Oder weiß jemand andere, bessere 
Quellen?

Zum Laden würde ich eine Schutzschaltung einbauen, die bei Erreichen der 
Ladeschlussspannung (1,44 V je Akku) abschaltet. Ansonsten werden die 
Akkus einfach über eine Schottky-Diode geladen.

Dass so ein Kondensator ziemlich groß sein muss ist mir schon klar. Die 
Datenübertragung läuft so ca. eine oder zwei Minuten, abolutes Maximum 
sind 5 Minuten.

Kannst du mir eventuell einen Step Down Regler empfehlen? Am besten mit 
möglich wenig zusätzlichen Komponenten. Ich hab mal irgendwo gelesen, 
dass die recht böse (Funk-)Störungen verursachen können. Ich glaub zwar 
eher nicht, dass das fürs GSM-Modul ein Problem wird, die 
Zeitsynchronisierung per DCF77 könnte aber schon leiden...

LG, Christian

Autor: Blackbird (Gast)
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"...Als Akkus habe ich bei Conrad Typen mit 1000 mAh oder mit 600 bzw. 
700
mAh gefunden. Wenn ich 4 von denen nehme, kommen zwischen 2400 und 4000
mAh dabei raus. Das wird dann mit C/10 schon relativ schwierig..."

4 Akkus mit 1000mAh (in Reihe geschaltet) ergibt einen Akkupack mit 
genau 1000mAh und NICHT 4000mAh!

Als Elektro-Modellbauer mit ca. 30 Jahren Akku-Erfahrung (so ziemlich 
alle handelüblichen Typen) empfehle ich Dir bei NiCd-Akkus die 
Sanyo-Typen RC-4/5SC (DxH=23x33) mit 1600mAh bei Ri=5mOhm oder N-800AR 
(DxH=17x50) mit 800mAh bei Ri=6mOhm.

Der Innenwiderstand steigt mit sinkender Temperatur etwas. Aber viel 
stärker steigt er mit sinkendem Ladezustand. Das würde in Deinem Fall 
bedeuten, daß sie immer nachgeladen werden müßten. Das verträgt aber 
NiCd nicht, weil der Memory-Effekt die Kapazität vermindert (ja, tut es 
wirklich).
Hier wäre NiMH besser, die Typen können dauerhaft auf nachgeladen 
werden. Die haben aber wiederum einen ziemlich hohen Innenwiderstand bei 
kleinen Temperaturen, was man mit höherer Kapazität ausgleichen könnte:
GoldPeak GP200AFHR (DxH=17x43) mit 2000mAh bei Ri=6mOhm oder Panasonic 
HR-2000 (DxH=23x33) mit 2000mAh bei Ri=6mOhm.


Nachzulesen bei http://www.batt-mann.de und in den Datenblättern der 
Hersteller.

Die Ladeströme kann man auch vom Akkuladezustand abhängig machen. Stur 
mit 1/100 oder so ist nicht ratsam.
Die intelligenteste Methode ist die Stromdifferenzmessung + 
Spannungsdifferenzmessung (*). So erfaßt man den Ri des Akkupacks und 
kann nicht nur den Ladestrom steuern, sondern auch den Akkuzustand 
erfassen. Wozu gibt es µC?

(*) in der Lastseite ist ein Meßwiderstand (z.B. 2mOhm) drin. Die 
Spannung vor und nach dem R wird bei verschiedenen Lastströmen gemessen. 
Aus (U2-U1)/(I2-I1) kann dann Ri des Akkus bestimmt werden mit U2, I2: 
Werte für hohen Strom und U1, I1 Werte für wenig Strom. U2 und U1 VOR 
dem Meßwiderstand direkt am Akku.

Blackbird

Autor: Christian O. (derbrain)
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Hi Blackbird,
du meinst, NiMH-Akkus können auch bei niedrigen Temperaturen diese 
Ströme liefern? Wie soll man denn das durch Kapazität kompensieren 
können?
Sorry für meine Unkenntnis bezüglich der Gesamtkapazität aus. Wie 
schauts eigentlich mit dem Innenwiderstand aus? Da der in Reihe liegt, 
müsste der sich addieren, oder?
Die Akkus müssen vorläufig mal ja nur ein Jahr halten. Glaubst du, die 
NiCd-Akkus sind so schnell am Ende?
Bez. Ladestrom kann ich ja nicht viel machen, das wird ja mehr oder 
weniger vom Solarmodul vorgegeben. Was spricht gegen (relativ langsames) 
Laden bis zur Ladeschlussspannung?

Christian

Autor: Blackbird (Gast)
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"...du meinst, NiMH-Akkus können auch bei niedrigen Temperaturen diese
Ströme liefern? "

Nein, die entnehmbare Kapazität sinkt mit sinkender Temperatur.

"Wie soll man denn das durch Kapazität kompensieren
können?"

Höherkapazitive Akkus nehmen.


"Wie schauts eigentlich mit dem Innenwiderstand aus? Da der in Reihe 
liegt,
müsste der sich addieren, oder?"

Ja, und die Übergangs- und Kabelwiderstände kommen auch noch hinzu 
(deshalb: immer löten, nie klemmen).

"Die Akkus müssen vorläufig mal ja nur ein Jahr halten. Glaubst du, die
NiCd-Akkus sind so schnell am Ende?"

Könnte gerade so hinkommen, viel länger gebe ich ihnen nicht (reines 
Bauchgefühl)

"Bez. Ladestrom kann ich ja nicht viel machen, das wird ja mehr oder
weniger vom Solarmodul vorgegeben."

Begrenzen, wenn die Ladeschlußspannung erreicht ist auf den zulässigen 
Erhaltungsstrom.

"Was spricht gegen (relativ langsames) Laden bis zur 
Ladeschlussspannung?"

Wenn man "Hochstrom"-Zellen verwendet (Du willst ja welche verwenden, um 
den Peak von 2A zu schaffen), dann müssen sie auch mit hohem Strom 
geladen werden. Oder wenigstens mit der Reflex-Lademethode.
Naja, für nur ein Jahr Betriebsdauer kannst Du Dir das alles sparen - 
nimm einfach die besten und "dicksten" Akkus.


Blackbird

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