Li/Ion Ladeanzeige

Ich rege dich dazu an, etwas über die Ladeverfahren von Li-Ion-Akkus in 
Erfahrung zu bringen. Wenn du davon dann eine konkrete Vorstellung hast, 
überlegst du dir etwas, die aufgewendete Leistung in der Zeit zu messen. 
Dann kannst du noch etwas Anzeige-Technik untersuchen und daraus ein 
hübsches Projekt machen. Im Prinzip willst du nämlich zählen, wieviele 
Ampere vom Ladebeginn bis zur Gegenwart geflossen sind und wieviel 
Ampere gerade jetzt fließen. Daraus kannst du schließen, so die 
Kapazität der Zelle(n) bekannt ist (sind), wie weit der Prozess schon 
vorangeschritten ist. Und die letzte Stufe der Anzeige würde ich 
anschalten, wenn die Ladespannung auf 0 sinkt. Bisschen was aufschrauben 
und dranlöten wirst du aber müssen.

Wenn es ganz einfach sein soll, nimmst du Fototransistoren und klebst 
sie auf die LEDs des Ladegerätes und schließt eine Kopie der LED-Anzeige 
in deinem Gehäuse dort an. Wenn eine der LEDs leuchtet, steuert der 
zugehörige Fototransistor die externe LED an.

Kommerziell übliche Schaltungen integrieren den Strom über die Zeit
(“gas gauge”) und benutzen das als Wert.

Ansonsten werden die Akkus am Anfang mit einem konstanten Strom geladen,
dabei steigt die Klemmenspannung einigermaßen proportional zur Zeit.
Bei Erreichen von 4,2 V pro Zelle wird die Spannung konstant gehalten,
und der Strom geht allmählich zurück.  Abgeschaltet wird normalerweise,
wenn der Strom auf 1/10 des Anfangsladestroms gesunken ist.

Beim Entladen mit einigermaßen konstanter Last fällt die Spannung
recht schnell von 4,2 auf 4,0 V ab (dort hat die Zelle ca. 90 % der
Kapazität), und sinkt dann gleichmäßig bis ca. 3,0 V ab (weniger als
10 % der Kapazität).  Unter der Voraussetzung eines einigermaßen
konstanten Laststroms kann man daher mit guter Näherung eine einfache
Spannungsmessung benutzen.

Rick B. schrieb:

> @Jörg: Der Laststrom ist leider alles andere als konstant. Dieses
> Akkupack wird benutzt, um Scheinwerfer zu versorgen.

Dann wirst du um den „Tröppelzähler“ nicht umhin kommen.

Die Dinger gibt's ziemlich fix und fertig, weil man sowas in den
Notebooks (bspw.) braucht.  Deren Last ist auch alles andere als
konstant.

> Laut Aussage des Herstellers des Li/Ion Akkus sinkt die Spannung zu
> Beginn tatsächlich zunächst relativ schnell. Danach, so meinte der Herr
> am Telefon, bleibt die Spannung allerdings eine ganze Weile relativ
> konstant und erst zum Ende hin sinkt die Spannung wieder weiter...

An sich schon, aber sie ist eben außerdem noch laststromabhängig.

Gut, wenn man den Laststrom messen kann, kann man natürlich noch einen
Korrekturfaktor einrechnen, aber dann kannst du auch wirklich gleich
die genannten Ladungsmengenzähler bemühen.

Hallo,

hier ist mal ein Datenblatt von einer typischen Li-Ionzelle (ist die 
erste, die mir eingefallen ist und der erste Link)
https://www.imrbatteries.com/content/sony_us18650vtc4.pdf

Auf Seite 5 unter "Discharge Load Characteristics" siehst du den 
Spannungsverlauf unter verschiedenen Lasten (die 30A Kurve ist hier die 
interessante). Die Energiemenge, die noch im Akku steckt entspricht der 
Fläche unter der Kurve. Nicht verunsichern lasse, die VTC4 Zelle ist 
eine sehr gute Zelle, deshalb die hohen Ströme.

Als Standardverfahren gibt es wie schon erwähnt das bestimmen der 
Ladungsmenge, die in den Akku rein bzw. raus geflossen ist (sprich Strom 
multipliziert mit Zeit). Andere Verfahren wie z.B. Impedanztracking 
erfordern normal Zugang zu den einzelen Zellen und sind eher Aufwendig 
in der Umsetzung, von daher hier uninteressant.
Wenn du den Stromfluss in/aus dem Akku misst und gleichzeitig die 
Spannung kann man da sicher eine brauchbare Anzeige basteln, wenn man 
ein paar typische Spannungsverläufe im µC hinterlegt und es mit der 
aktuellen Belastung geschickt verrechnet.

Gruß Kai

Rick B. schrieb:
> Das Akkupack besteht insgesamt aus 14 Zellen, die in Reihe geschaltet
> sind.

Hmm, und wie werden die balanciert?

Normalerweise sind diese “gas gauges” mit der Balancer-Schaltung
kombiniert.  Aber 14 Zellen in Reihe ist schon recht speziell, dafür
wird es kaum was Fertiges geben.

MaWin schrieb:
> Unsinn

Soso.  Vielleicht hätten dich die Hersteller von Laptop-Akkupacks
ja befragen sollen, bevor sie so einen Aufwand treiben …

Jörg W. schrieb:
> MaWin schrieb:
>> Unsinn
>
> Soso.  Vielleicht hätten dich die Hersteller von Laptop-Akkupacks
> ja befragen sollen, bevor sie so einen Aufwand treiben …

Ihr habt beide recht. Wenn man nur den Ladezustand des Akkus wissen 
will, dann reicht in der Tat eine Spannungsmessung. Laptop-Akkus 
(Stichwort: Smart Battery) erfassen und kommunizieren aber noch deutlich 
mehr Daten. Insbesondere wird die reale Akku-Kapazität gemessen. Und 
dafür braucht man in der Tat diese "Fuel Gauge".

Rick B. schrieb:
> Es gibt von Maxim noch andere, aber wenn ich es richtig verstanden habe,
> muss ich damit an die Zelle, oder?

Ja, dabei wird eine Litze zwischen jede Zelle geführt. Den von dir 
rausgesuchte Chip kann nur eine 1S Schaltung (eine Zelle in Serie), 
wobei prinzipell mehrere Zellen Parallel angeschlossen werden können. 
Dabei muss nur die Abschaltung in der Lage sein schnell genug einen 
entsprechen großen Überlaststrom abzuschalten.

Rick B. schrieb:
> Das Akkupack besteht insgesamt aus 14 Zellen, die in Reihe geschaltet
> sind.

Demnach hat er einen Nominalspannung von 50,4 V und eine 
Ladeschlussspannung von 58,8 V. Spannungen über 50V werden als 
potenziell Lebensgefährlich angesehen und es ist auch etwas mehr 
Augenmerk auf die Isolation und Leitungsführung zu legen.

Spontan klingt eine 14S1P Schaltung mit der Zelle ungewöhnlich (aber 
sicher nicht unmöglich). Wahrscheinlicher würde ich eine 7S2P Schaltung 
vermuten. Die hat dann 25,2V nominal und 29,4V Ladeschlussspannung. Das 
ist eine gängige Schaltung für Power Tools, in denen auch gerne die Sony 
VTC4 Zelle verbaut wird.

Rick B. schrieb:
> In dem Akku ist keinerlei Schutzschaltung verbaut.

Das gibt es häufiger als man denkt. Die Schutzbeschaltung/das Balancing 
ist bei guten Sonyzellen laut Hersteller nicht erforderlich, wenn die 
Zellen alle aus der gleichen Charge kommen. Das ist vor allem im Power 
Tool Bereich gängig.

Rick B. schrieb:
> Vermutlich reicht es nicht aus, nur eine davon zu messen und dabei davon
> auszugehen, dass die Kapazität einer Zelle prozentual auch der Kapazität
> des ganzen Akkupacks entspricht, oder?

Im Prinzip langt das schon, allerdings belastest du dabei die eine 
Zelle, an der du misst und die anderen nicht. Und selbst die kleinen 
Ströme im µA-Bereich beim Messen belasten die Zelle und führen über 
längere Zeit somit zu Zelldifferenzen. Das ist bei Akkus mit Balancing 
nicht schlimm, da es wieder ausgeglichen wird. Bei deinem Akku ohne 
Balancing führt das aber dazu, das beim Entladen die eine Zelle 
tiefentladen wird, obwohl die Gesamtspannung noch i.O. ist und beim 
Laden die restlichen Zellen Überspannung bekommen.

Jörg W. schrieb:
> Aber 14 Zellen in Reihe ist schon recht speziell, dafür
> wird es kaum was Fertiges geben.

Ist noch nicht so gängig, ist aber im Kommen. Da gibt es auch schon 
fertige ICs für, z.B.
http://www.ti.com/product/BQ76940?keyMatch=bq76940&tisearch=Search-EN-Products
Wobei ich skeptisch bin, ob die TI Bausteine für den Heimgebrauch 
geeignet sind, da wohl eine ganze Menge Aufwand nötig ist, um die zu 
betreiben.

Ich persönlich würde entweder den Zustand von den LEDs des Laders 
abgreifen oder die Packgesamtspannung mit einem Spannungsteiler 
runterteilen und per ADC im µC messen, geschickt umrechnen und ausgeben. 
Dabei den Spannungsteiler aber abschaltbar machen, da beim Lagern des 
Packs dieser sonst schnell tiefentladen wird.
Das Wiederaufladen von tiefentladenen Li-Ion Akkus ist gefährlich, da 
sich beim Laden aus dem tiefen Spannungszustand Kristalle bilden (die 
Spitz sind, der genaue Name ist mir jetzt entfallen) und den Seperator 
durchstoßen können. Dann hat die Zelle einen internen Kurzschluss und 
brennt ab.

Gruß Kai

Kai S. schrieb:

> Demnach hat er einen Nominalspannung von 50,4 V und eine
> Ladeschlussspannung von 58,8 V. Spannungen über 50V werden als
> potenziell Lebensgefährlich angesehen

Nur bei Wechselspannung, bei Gleichspannung liegt der Wert etwas
höher (75 bzw. 120 V):

https://de.wikipedia.org/wiki/Kleinspannung

> und es ist auch etwas mehr
> Augenmerk auf die Isolation und Leitungsführung zu legen.

Das würde ich allerdings trotzdem tun, auch wenn es formal noch
Kleinspannung ist. ;-)

> Jörg W. schrieb:
>> Aber 14 Zellen in Reihe ist schon recht speziell, dafür
>> wird es kaum was Fertiges geben.
>
> Ist noch nicht so gängig, ist aber im Kommen. Da gibt es auch schon
> fertige ICs für,

Gut zu wissen.

Jörg W. schrieb:
> Dann wirst du um den „Tröppelzähler“ nicht umhin kommen.
>
> Die Dinger gibt's ziemlich fix und fertig, weil man sowas in den
> Notebooks (bspw.) braucht.  Deren Last ist auch alles andere als
> konstant.

Ich kenne die bq2060 von TI sehr gut die angeblich dafür gedacht sind.
Sorry, aber z.B. in Pedelec-Akkus sind die Schrott. Der Zähler driftet 
mit der Zeit so stark weg dass die Anzeige völlig unbrauchbar wird. Es 
gibt halt noch mehr Parameter als den Strom.
Wir sind deshalb inzwischen auf eine Spannungsmessung in Verbindung mit 
einem speziellen Algorithmus umgestiegen, das funktioniert dauerhaft 
besser als der Gauge-Chip.