LiFePO4-Ladegerät; Wahl/Beschaltung des Step-Down Reglers

Als Anfänger würd ich mich erst mit Grundlagen beschäftigen und nicht 
mit 8A Schaltregler.. Bei falschem Laden könne Akkus auch gerne mal 
abrauchen!

hi

also du scheint irrgentwie aus der automtive schiene zu kommen....da ich 
eigentlich nur diesen fall für diese zellen kenne......???? vielleicht 
sogar aus weissach? aber mal zu deiner frage:

ohne den regler jetzt genau untersucht zu haben würde ich mal sagen das 
maxim gerade für anfäner sehr gut geeignet ist(super support, viele 
beispiele und leicht verständliches datenblatt), aber qfn gehäuse sind 
echt nix für anfänger!!!!

dennoch würde ich dir zum kauf eines fertigen ladereglers raten!


gruß
marcel

ps.: falls annahme eins stimmt kann ich dir evtl. nen ansprechpartner 
nennen....

Danke für eure Antworten.
Ich komm leider nicht drum rum. Equalizer + Ladegerät sind 
verhältnismäßg teuer und ich habe auch noch nichts für 10 Zellen gesehn. 
Ich sollte vielleicht noch erwähnen, dass das Akku-Pack + 
Schutzschaltung, etc. auch eine Eigentwicklung ist, allerdings ist das 
relativ simpel, daher vertraue ich darauf, dass die Akkus sicher sind.
Die LiFePO4 Akkus von A123 Systems lassen sich locker mit 10A 
Schnellladen, ich möchte es allerdings nicht übertreiben, i. d. R. plane 
ich sie mit 3A in etwas 45 Minuten zu laden. Ich denke also, die Akkus 
werden nicht abrauchen.
Und nein, ich muss dich enttäuschen, ich habe nichts mit der automotiv 
Schiene zu tun. Ich bin Informatikstudent und die Elektronik ist nur 
Mittel zum Zweck - in diesem Fall einem Hexapod - und kann es nicht 
abwarten endlich Software dafür zu schreiben. Aber versteht mich nicht 
falsch, es ist durchaus Fun mal etwas mit der Hardware zu spielen und 
etwas gefordert zu werden.
Ich greife nicht zu NiXX, weil ich mit dieser Technik auf Kriegsfuß 
stehe und nicht zu einer andren Li-basierten Technik, da ich mich mit 
meinem Akku-Pack nicht in die Luft sprengen möchte. ;) LiFePO4 ist eine 
Verbindung, die erst bei 800°C Sauerstoff freigibt und eine exotherme 
Reaktion einleitet, ist also sehr stabil.
Es gab ja bereits einige andere Posts zu Schaltreglern hier und ich habe 
mir nun noch mal das Datenblatt vom LTC1642 angesehn. Langsam beginnt 
das für mich auch Sinn zu machen und ich werde morgen mal ein paar 
Parameter ausrechen. Dann melde ich mich noch mal und hoffe, dass das 
jemand verifizieren kann.
Ich bin dennoch weiterhin offen für alternative Schaltregler.
Ich finde es sehr schade, dass der Maxim Regler nicht in einem andrem 
Package kommt, da mir die Maxim Datenblätter sehr gefallen und in diesem 
Fall wesentlich zum Grundlagenverständnis beigetragen haben.

Flo wrote:
> Danke für eure Antworten.
> Ich komm leider nicht drum rum. Equalizer + Ladegerät sind
> verhältnismäßg teuer und ich habe auch noch nichts für 10 Zellen gesehn.

Da hast du nicht genau genug hingesehen:

http://www.fmadirect.com/new_applications/10s_charger.htm

Wie viele Zyklen Erfahrung hast du denn? Wie hoch ist der Ueberladestrom 
(und gegebenenfalls die Ueberladekapazitaet), den eine LiFePo-Zelle 
abkann?

Danke für eure Vorschläge zu fertigen Ladegeräten, aber 100€ ist meine 
absolute Schmerzgrenze im Bereich Ladetechnik (lese: 100€ sind schon zu 
viel, aber wenns wirklich sein muss ...). Der Hexapod ist teuer genug 
und das Budget eines Studenten nicht groß. Da die Ladeelektronik wie 
schon erwähnt für LiFePO4s recht dumm sein kann, meine ich mit weit 
weniger als 100€ hinzukommen. Es ist auch richtig, dass LiFePO4s 
selbstbalancierend sind, aber das auch nur in einem gewissen Bereich. 
Parallel laden ist daher nicht unbedingt Pflicht. Es ist jedoch auch so, 
dass bei höheren Strömen die Zellspannungen zu weit auseinander liegen 
und nach einer handvoll Entladevorgängen ein balancieren wenigstens 
hilfreich ist und die Lebensdauer verlängert. Da das technisch recht 
simpel ist, gehe ich mal auf Nummer sicher.
Ich weiß, dass die Energiedichte von anderen Li-Techniken höher ist, 
aber LiFePO4s sind toleranter und leichter in der Handhabung, 
jedenfalls, wenn ich wie bereits gesagt nicht bereit bin über 100€ für 
das Ladegerät zu investieren.
Bzgl. Überladen (je nach Qualität auch Tiefentladen) sind sie auch 
toleranter als andere Li-Techniken.
Zum Ladestrom: Da ich 5x2 Zellen parallel schalten möchte, sind 3A 
natürlich etas wenig. Die 3A habe ich übrigens aus dem Datenblatt, aber 
das bezieht sich natürlich auf eine Zelle und mein Pack erreicht die 
5fache Kapazität. Ich habs nicht sonderlich eilig, also kann der Akku 
auch 4h laden. Die Lebensdauer ist mir hier wichtiger. Wenn man sehr 
großzügig überschlägt, ergibt sich bei 8A jedoch immernoch eine Ladezeit 
<2h. 8A max. Output reichen mir also. Geladen wird dann übrigens mit 
0.7C.
Um noch mal auf den Equalizer zurück zu kommen. Meine Batterieschaltung 
sieht für jede Zelle einen Entladeschaltkreis vor. D.h., Batterie und 
Ladegerät tauschen sich vor dem Laden aus und entscheiden, ob die 
Zellspannugen normalisiert werden sollen. Das ist allerdings reine 
Software Angelegenheit, ich würde gerne erst mal die Hardwaregrundlagen 
legen.
Wie ich heut Nacht geschrieben habe, werde ich mir nun noch mal das 
Datenblatt des LTC1642 anschauen. Eine Sache die mich Momentan noch 
verunsichert ist, welche Komponenten zu kühlen sind. Natürlich der 
MOSFET, der IC selbst trägt kaum Last und wenn ich mich recht entsinne 
gabs da noch eine Diode, die sich evtl. erwärmt.
Für einen Hexapod habe ich mich übrigens schon entschieden und er 
befindet sich auch schon auf dem Weg zu mir. Er besteht aus 18 Servos, 6 
davon ziehen ohne Last bei 6V 300mA, 12 450mA. Der größte Stromverbrauch 
wird wohl beim Start eintreten. In der Ruheposition hat der Rumpf 
Bodenkontakt und die 12 Femur und Tibia Servos werden auf ein mal aktiv 
um den Hexapod anzuheben.

Geeignete Induktivität und Diode zu finden, erweist sich momentan als 
schwierig. Ich finde jeweils nur Komponenten bis 5A, sowohl bei 
Reichelt, als auch Conrad. Die Spule lässt sich ja notfalls selbst 
wickeln, bleibt dennoch die Diode.
Für die Induktivität habe ich übrigen 10 µH berechnet.
Und als MOSFET fasse ich diesen ins Auge: 
http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/irlz34n.pdf
Scheint alles nötige zu erfüllen: Spannung, Strom, logic-level Gate 
Drive, R_DS(On),... Wärmeentwicklung ist noch zu klären.

Sorry, aber nach deiner Rechnerei mit den Stroemen rate ich dir von 
jeglicher Bastelei gruendlich ab. Das ist bluehender Unsinn. Schlage 
besser nochmal nach, wie das mit Reihen- und Parallelschaltung von Akkus 
funktioniert.

Nun, korrigier mich, ich schalte 2x 3,3V 2300mAh Zellen in Reihe => 6,6V 
2300mAh. Davon schalte ich nun 5 parallel => 6,6V 11500mAh.

@Atmega8:
Doch, LiFePO4 Akkus balancieren sich "von selbst" (etwa zu 10%). ;)
Mit einer der Gründe, warum ich mich für LiFePO4s entschieden habe. 
Entlädt man sie aber mit sehr hohen Strömen, kann es passieren, dass 
über mehrere Lade-/Entladezyklen hinweg, die Zellspannungen zu stark 
voneinander abweichen. Um das zu verhindern, enthält mein Akku-Pack eine 
Schaltung um die Zellspannungen vor dem Laden zu normalisieren.
Die Website kannte ich noch nicht. Allerdings brauche ich keinen 
Step-Up-, sondern einen Step-Down-Regler. Ich möchte ja mit einem 12V 
Trafo meine Akkus laden. Das wäre eine maximal Spannung von 7,2V, wenn 
ich nicht irre.
Ich bin bei der Berechnung einfach nach dem Datenblatt gegangen. Ich 
habe dennoch mit der Website gegengerechnet. Das Ergebnis beruht auf 
einem ripple current von 40%, ich ging von 20% aus. Daher komme ich auf 
~10µH und der Rechner auf ~5 µH.

2 LiFePO4 Zellen liefern 6,6V, die gebe ich direkt an die Servos. 
Dahinter folgt ein Linearregler für den Controller.
Mein Hexapod kostet 680€ (510€ für 18 Servos, 170€ für die Grundplatte 
inkl. Versand). Ziehmlich happig, weshalb ich auch versuche bei den 
anderen Teilen noch etwas einzusparen.
Zu nem ATmega8 werde ich nicht greifen. 6x3 Servos mit je einem µC 
anzusteuern ist wohl recht umständlich und nicht besonders komfortabel. 
Ich habe mich noch nicht 100% festgelegt. Ich wollte erstmal die 
Grundplatte vor mir haben und sehen wieviel Platz vorhanden ist.
Weit oben auf meiner Liste steht jedoch der ATmega2560, mit genug 
Spielraum. Sowohl I/O-mäßig, als auch bzgl. Programmspeicher und RAM. 
Dazu kommt noch ein externer Flash-Speicher.
Desweiteren möchte ich auch einen Slot für ein XBee-Modul freihalten und 
Anschlussmöglichkeiten für weitere Boards. Sobald er laufen kann und 
noch Geld übrig ist, folgt dann ein Kopf mit allen erdenklichen 
Sensoren.
Ich werde meine Schaltpläne hier im Forum posten, wenn ich fertig bin. 
Ich möchte auf jedenfall Feedback haben, bevor ich die PCBs fertigen 
lasse.

Warren Spector wrote:
> Peter Stegemann wrote:
>> Wie viele Zyklen Erfahrung hast du denn? Wie hoch ist der Ueberladestrom
>> (und gegebenenfalls die Ueberladekapazitaet), den eine LiFePo-Zelle
>> abkann?
> ein paar hundert zyklen. eine lifepo4 zelle verträgt natürlich eine gewisse 
überladung.

Das ist natuerlich nicht natuerlich. Im Gegenteil, alle anderen 
Li-Akku-Typen reagieren extrem empfindlich auf Ueberladung.

Leider wird gerade im Modellbaubereich schnell jedes Wunschdenken zum 
Wissen hochstilisiert: Als LiPos aufkamen, wurde auch gleich von den 
"Experten" erklaert, balancieren sei nicht noetig.

Der "Erfinder" dieser Zellen A123 gibt nirgendwo an, dass LiFePo4 nicht 
balanciert werden muessen und verkauft selbst balancierende Lader.

Es ist doch ganz einfach: Keine 2 Zellen sind absolut gleich. Sie altern 
auch nicht gleich. In einem Akkupack mit mehreren in Reihe geschalteten 
Zellen muss es irgendwann zu Verschiebungen kommen. Die kann man auf 2 
Arten ausgleichen (bei denen immer auf den "Voll"-Zustand abgeglichen 
wird): Mit einem Balancer, der die Spannungen vergleicht und angleicht 
oder eben mit einem plumpen vorsichtigen Ueberladen, bei denen die noch 
nicht vollen Zellen eben voll werden und die schon vollen Zellen die 
zusaetzliche Energie in Waerme umwandeln.

Dazu muss man aber eben wissen, wie viel der jeweilige Zellentyp an 
Ueberladung vertraegt, dann kann man auch mit sanfter Ueberladung 
balancieren.

Zu Flos Problem: Bei 5 parallel geschalteten Zellen gleichen sich 
natuerlich die Fertigungstoleranzen stark aus. Ausserdem handelt es sich 
so ja nur um 2 seriell geschaltete Zellen und nicht um 10 oder 5, so 
dass das Problem wesentlich kleiner ist. Am einfachsten waere es 
wahrscheinlich, die zwei 5er-Packs zum Laden zu trennen und als 
Einzeller zu laden. Bei den A123 ist die penible Einhaltung der 
Ladeschlusspannung in der Tat nicht so wichtig, der Hersteller gibt hier 
einen weiten Bereich vor - aber bei den hier benutzten Stroemen und 
Kapazitaeten sollte man trotzdem nicht eine einfache 
Konstantspannungsquelle verwenden, sondern auch in eine 
Sicherheitsabschaltung investieren. A123 sind zwar wohl sehr sicher, 
aber platzen koennen sie auch...

@ Peter Stegemann
Aus chemischer Sicht ist es sehr wohl natürlich, dass LiFePO4 eine 
gewisse Toleranz beim Überladen hat.
Aber da du, wie du sagts, nur mit LiIon vertraut bist, verstehe ich auch 
warum es dir unnatürlich erscheint, da kann ich dir aber mit einem 
kleinen Exkurs aushelfen.
Bedenke, dass die Bindungen in LiFePO4 etwa doppelt so stabil sind, wie 
die in LiCoO2 oder vergleichbaren Oxiden, wie sie bei anderen Li-Akkus 
Verwendung finden. Genau genommen bezieht sich die Stabilität also auf 
die Bindung des Sauerstoffs. Das bedeutet aber nur, dass die Akkus beim 
Überladen nicht in einer exothermen Reaktion explodieren. Platzen können 
sie sicherlich.
Und es ist verständlich, dass A123 auch Balancer anbietet, da die Zellen 
ja mit konstanten 70A entladen werden dürfen. Natürlich treten dabei die 
chemischen Charakteristiken der Zellen stärker hervor und die Spannungen 
fallen außerhalb des 10% Selbstbalancierbereichs.
Warum balancieren sich LiFePO4s selbst?
LiFePO4 wurde 1997 als mögliches neues Kathodenmaterial für Li-Akkus 
entdeckt. Aber es hat den Nachteil, dass es sehr schlecht leitend ist. 
Erst jüngste Fortschritte im Bereich der Nanotechnologie und ein 
Doping-Verfahren haben diese Hürde überkommen.
Ihr wisst wie ein Balancer funktioniert. Letztlich ist die 
selbstbalancierende Eigenschaft darauf zurückzuführen, dass bei 
unterschiedlichem Zellladestand auch der Widerstand der Zellen stärker 
variiert, als bei LiIon o.ä., wodurch auch der fließende Strom variiert.
Zudem hat niemand behauptet, dass ein "künstliches" Balancieren 
schädlich ist.
In meinem Fall werden die Spannungsdifferenzen aber wohl so gering sein, 
dass die resultiernde Selbstentladung vernachlässigt werden kann und ich 
erwähne es noch mal, ich hab dennoch eine Schaltung im Akku-Pack 
vorgesehen um dem vorzubeugen.

Ich sollte vielleicht nochmal darauf eingehen, was meine Schaltung genau 
macht. Ich bin auch beinahe mit dem Schaltplan fertig und werde ihn 
wahrscheinlich heute Abend posten.
Da LiFePO4s ja zuerst bei CC und dann bei CV geladen werden, messe ich 
sowohl Strom als auch Spannung. Für die Strommessung verwende ich den 
MAX4070 und die Spannung misst der µC natürlich direkt.
Ich habe mir auch schon einen digitalen Poti rausgesucht, mit dem ich 
die Spannung einstellen kann.
Nimmt man noch die Schaltung im Akku-Pack dazu, sollte Hw-technisch 
alles gegeben sein, um in Phase 1 die Spannung solange zu erhöhen, bis 
die Obergrenze erreicht ist und dabei den Strom konstant zu halten. In 
Phase 2 wird dann die Spannung gehalten, bis der Strom unter einen 
gewissen Wert (siehe Datenblatt) fällt. Aber das ist alles Aufgabe der 
Software.
Nach aktuellem Stand der Dinge gilt nur noch zu ermitteln wie die 
Induktivität zu wickeln ist und zu klären, welche Teile welche Kühlung 
erfordern, aber ich denke, das finde ich am besten übers Datenblatt 
heraus. Eine Seite zum Wählen geeigneter Kühlkörper habe ich auch schon 
gefunden.

@ Flo
Für meine Geräte mit LiIon-Akku habe ich fertige Schalt-Netzteile so 
verändert damit sie die maximale Spannung (4.1V) liefern die für meine 
Akkus maximal zulässig sind.
Ich brauch also nur noch den strom regeln und das kann ich mit einem 
Mosfet linear machen oder mit einem Step-Down-regler.

Bei einem Verhältnis von 4.1V zu 0.2 (bis 0.5V) hat man an der Diode die 
meisten Verluste.
Die Schaltverluste am Mosfet sind bei niedrigen Frequenzen (50-100kHz) 
recht gering, einen kleinen seperaten kühlkörper sollte man trotzdem 
einplanen.

Willst du einen PWM-Chip verwenden oder versuchst du die Regelung mit 
einem µC zu realisieren?

Die Regelung erfolgt auf jeden Fall mit einem µC. Schon weil ich mir 
vorbehalten möchte die Daten über den Ladevorgang zu sammeln und 
auszuwerten.
Einem Forum Post habe ich dann das Verfahren mit einem dig. 
Potentiometer entnommen. Habe bereits einen geeigneten gefunden und mit 
einem Spreadsheet die möglichen Spannungswerte ermittelt.

Beim Wickeln der Spule benötige ich nun doch Hilfe. Ich habe gerade über 
die Vor- und Nachteile von Kernen gelesen. Das Datenblatt rät zur 
Verwendung von Ferritkernen. Die Induktivität einer Luftspule zu 
berechnen ist ja keine große Sache, aber wenn ein Kern zum Einsatz 
kommt, ist wohl auch noch darauf zu achten, dass er nicht saturiert. Ich 
zitiere aus dem Datenblatt des Reglers: "Ferrite core material saturates 
“hard,” which means that inductance collapses abruptly when the peak 
design current is exceeded. This results in an abrupt increase in 
inductor ripple current and consequent output voltage ripple. Do not 
allow the core to saturate!"
Wie berechnet sich denn der Saturationspunkt? Ich habe mir bei Reichelt 
exemplarisch ein Datenblatt zu einem möglichen Kern angeschaut, werde 
daraus aber nicht schlau.
Ich benötige, wie schon erwähnt, eine Induktivität von etwa 10µH. 8A 
fließen maximal.

@ Mike J.

Vielleicht habe ich dich falsch verstanden. Um es noch mal ganz klar 
auszudrücken:
Ich möchste den LTC1642 Step-Down-Regler verwenden, dieser enthält 
natürlich ein PWM. Der µC regelt die Spannung indirekt, indem über ein 
digitales Potentiometer die Feedback-Spannung verändert wird.

Flo wrote:
> @ Peter Stegemann

> Aber da du, wie du sagts, nur mit LiIon vertraut bist, verstehe ich auch
> warum es dir unnatürlich erscheint, da kann ich dir aber mit einem
> kleinen Exkurs aushelfen.

Habe ich zu keinem Zeitpunkt geschrieben. Bitte die Zeilen lesen und 
nicht dazwischen, danke.

@ Peter Stegemann
Entschuldige vielmals. Es war Atmega8, der über seine Erfahrung mit IBM 
Laptopakkus (LiIon) sprach.
Nun, dann richtet sich mein Exkurs eben an Atmega8. ;)
Und damit würde ich das LiFePO4 vs. XYZ Thema gerne beenden. Denn die 
Akkus sind heute gekommen und ich bin überzeugt, ich weiß, wie ich sie 
handhanben muss. Vielen Dank.

Was ich immer noch nicht weiß, ist, wie ich die Induktivität zu wickeln 
habe. Und ich lasse mich auch gerne noch belehren, wie ich den 
Step-Down-Regler steuern soll. Digital Poti ist für mich die einfachste 
Lösung.

@Atmega8
Hab deine Antwort heut morgen überlesen.
Sensoren sind für mich noch ein eigenes Thema. Ich habe mich 
oberflächlich mit den Möglichkeiten beschäftigt, im Vordgrund steht für 
mich erst dem Hexapod auf ebener Fläche das Laufen beizubringen. Ich 
habe dazu auch schon angefangen eine Simulationssoftware zu schreiben, 
um Bewegungsabläufe vorab entwickeln und bedingt testen zu können. Das 
Programm ist allerdings noch nicht brauchbar und wie du siehst habe ich 
im Moment andere Sorgen.

Achja, das Ladegerät soll nun nach meiner Vorstellung 2 Zwecke erfüllen. 
Da es ja unter anderem die Spannung liefert, die auch die Akkus liefern, 
würde es sich anbieten, einen Netzteilmodus einzubauen.
Was ich noch nicht erwähnt habe ist, dass der Akku über USART mit 
Ladegerät, Hexapod, etc. kommuniziert. Das Ladegerät kann also 
feststellen, ob es mit dem Hexapod, oder dem Akku verbunden ist und der 
Akku sammelt unabhängig vom Endgerät Daten. Mag vielleicht nach Overkill 
klingen, aber ich stelle mir vor, damit später noch so einige 
interessante Dinge in Software zu ergänzen.

>Ich möchste den LTC1642 Step-Down-Regler verwenden,

Der LTC1642 soll ein Step-Down-Regler sein?

>Was ich immer noch nicht weiß, ist, wie ich die Induktivität zu wickeln
>habe. Und ich lasse mich auch gerne noch belehren, wie ich den
>Step-Down-Regler steuern soll.

Für den LTC1642 brauchst Du gar keine Spule, das ist nämlich gar kein
Step-down ;-)

Korrektur, LTC1624 - Zahlendreher.

@Atmega8
Rein prinzipiell, warum nicht. Aber wie gesagt, abgesehn vom Wickeln der 
Spule und genaue Berechnungen zur Wärmeentwicklung, wie ich sie mal in 
einem Maxim Datenblatt (?) gesehn habe, steht alles. Ich müsste noch 
paar Bauteilwerte im Eagle-Schaltplan ergänzen, ein paar Bauteile sind 
Dummys, die müssten noch getauscht werden. Dann gehts ans PCB Design. 
Auch ein Kapitel, von dem ich keine Ahnung hab. ;) Aber mit etwas Zeit 
bewältige ich das auch.

Momentan teste ich jedoch, wie man die Servos, die auch heute gekommen 
sind, ansteuert. Da gibts wenigstens sichtbare Erfolge. Auch mal ne 
nette Abwechslung. ;)

10 Zelle in Serie  am 12 oder 15V Netzteil mit Stepdownregler laden 
passt wohl kaum ;-)

Auf das Balancieren von FePos kann mann verzichten, allerdings geht das 
auf die Lebenserwartung der Zellen. Je nach Entlade/Lade-Belastung und 
Zelltoleranz sollte man sie gelegentlich bis immer balancieren.

Hier wirst du ggf. einiges abschauen können:

http://wwww.opencharge.de

Wie kommst du auf 10 Zellen in Serie (5x2!)? Und bzgl. Balancieren bin 
ich absolut deiner Meinung, wie ich schon geschrieben habe. ;)
Dennoch danke für den Link, da bin ich glatt noch mal dazu bereit meine 
bisherige Schaltung wegzuwerfen.