Akkuzellen laden

Hallo Marcel,

Marcel schrieb:
> Ich lese gerade einen Artikel darüber wie man einen Akku (lithium-ionen)
> lädt zB 4S1P, also einfach 4 Zellen in Serie. Da geht es darum, dass die
> Spannungen (Ladeschluss, Entladeschluss) des Akkus streng eingehalten
> werden müssen und dafür gesorgt werden muss, dass diese immer gleich
> voll geladen werden, was mit einem Balancer funktioniert, indem man

zum Beispiel (es gibt auch andere Varianten)

> immer einen Widerstand parallel schaltet, sobald die Grenzspannung
> erreicht wird.
>
> Nun, wie die Konzepte der Aufladung funktionieren meine ich verstanden
> zu haben. Dennoch habe ich 2 konkrete Fragen. Um meine Frage zu
> konkretisieren habe ich dazu ein Bild gemalt.
>
> Erläuterung + Frage 1:
> Um die Spannung der einzelnen Zellen zu messen meine ich, dass es bei 4
> Zellen in Serie (C1,C2,C3,C4) 3 Messpunkte (M1, M2, M3) und einmal an
> der Quelle und GND einen Messpunkt haben muss. (Siehe Bild 1) Ist das
> soweit korrekt?

Deine Bezeichnung finde ich nicht ganz zweckmäßig. n Zellen brauchen n 
Messungen mit einem Bezugspunkt und n Messpunkten.

> Wenn ja, wie wird dann die Ladung bewerkstelligt, wenn man zB einen
> 6S10P. Wären das dann insgesamt 52 Messstellen? 50 Messstellen und
> Plus&GND?

Die Antwort findest Du selber heraus:

Wieviele Messungen möchtest Du an einem Zellblock durchführen, der z.B. 
nur aus 3 parallel geschalteten Zellen besteht (1S3P)?

> Oder wird das irgendwie einfacher gelöst?

Ja. :)

> Erläuterung + Frage 2:
> Nun, gehen wir wieder zurück zu meinem ursprünglichen Beispiel mit den 4
> Zellen in Serie. Angenommen, ich hätte keinen Balancer und die Akkus
> wären annähernd gleich voll. Unterschied untereinander sagen wir maximal
> 0.2V. Wenn das Akkupack nun genutzt und damit entladen wird, fliessen
> durch die einzelnen Zellen immer der gleiche Strom. Wenn sonst alles als
> ideal angenommen wird, dürfte es allein durch die Entladung nicht zu
> Ladungsunterschieden kommen, da stets mit demselben Strom alle Zellen
> gleichmässig entladen werden.
> Ich nehme an, dass die Selbstentladung und die Temperatur hauptsächlich
> dazu beiträgt, dass sich die Zellen unterschiedlich entladen und es
> irgendwann zu massiven Ladungsunterschieden kommt. Ist das soweit
> korrekt?

Der Faktor Zeit (Selbstentladung) wirkt auf alle Zellen eines Akkupacks 
gleichermaßen.
Es gibt keine Individualzeit für einzelne Zellen.

Der Faktor Umgebungstemperatur ist auch derselbe für alle Zellen.
Die Zellanordnung kann für lokale Temperaturunterschiede sorgen - Bei 
Tesla sorgt eine Wasser/Glykol-Mischung für bessere Wärmeverteilung.

Die Zellen streuen in ihren Eigenschaften. Alterung wirkt sich eventuell 
nicht auf alle Zellen gleich aus.

> Also wird meiner Meinung nach ein Balancer IMMER notwendig.

Kommt drauf an - in meinem obigen Beispiel eben nicht.

> Jetzt komme ich durch die eigenen Erläuterungen noch auf eine
> zusätzliche Frage: Wenn eine Zelle zB C3 über 80% geladen ist, und die
> anderen Zellen noch unter 80% geladen sind, wird der Strom automatisch
> und erheblich reduziert (Flaschenhals), der Balancer erkennt jetzt, dass
> ein Parallelwiderstand zu C3 geschaltet werden muss. Nun nimmt der Strom
> seinen Weg über den Parallelwiderstand von C3 und die Zellen werden
> wieder mit dem vollen Strom aufgeladen, da die anderen Zellen eine
> Ladung von noch unter 80% haben. Also müssen die Widerstände stets auf
> den vollen Strom ausgelegt werden.

Ja, aber nur unter der Prämisse, dass es sonst keine weitere 
Schutzeinrichtung gibt. Ein Batteriemanagementsystem könnte diese 
Zustand ja auch erkennen und den Ladestrom massiv reduzieren.

Eine weitere Schutzvorrichtung könnte alternativ den Ladestrom an der 
Zelle , bzw. dem Zellblock hart unterbrechen.

> Ausserdem wird C3 durch die
> Parallelschaltung geringfügig entladen aber auch teilweise geladen. Wann
> ist jetzt der genaue Zeitpunkt an dem der Parallelwiderstand
> hinzugeschaltet wird?

DAs ist eine Auslegungsfrage. Du könntest auch sehr früh mit dem 
Balancieren anfangen und würdest dann mehr elektrische Energie in 
Verlustwärme wandeln.

> Passiert dies zB bei 4.1V und die
> Ladeschlussspannung ist 4.15V könnte die Zelle trotz Balancer überladen
> werden. Oder ist die Annahme falsch?

Ja genau, das hast Du ja oben schon richtig erkannt.

Hallo Marcel,

Marcel schrieb:
> Die Frage nun, braucht man überhaupt einen Balancer? Wo wird einer
> benötigt und wo zB nicht? Oder wann lässt man diesen weg. Ich fürchte
> dein einfaches Beispiel 1S3P ist sicher nicht das Einzige.

Überall dort, wo Du Zellen in Reihe schaltest und die Zellen nicht 
individuell lädst, sondern mit einer Spannungs-/Stromquelle von außen an 
den Block der aneinandergereihten Zellen gehst, brauchst Du einen 
Balancer.

Es könnte sein, (reine Spekulation von mir), dass ein Elektroauto den 
eventuell nicht braucht.

Der Tesla Roadster mit 6831, desse 18650-Akkus sich auf 11 "Sheets" mit 
je 121 Zellen verteilen, wobei ein Sheet vermutlich als 10S62P aufgebaut 
ist, hat wohl den Vorteil, dass 62 parallele Zellen sich einem 
Normverhalten angleichen. 62P mehrfach in Reihe geschaltet ist deswegen 
einfacher als 1P.

Ob Tesla deswegen auf einen Balancer verzichtet, weiß ich nicht.

Keinen Balancer brauchst Du, wenn Du die parallelen Blöcke individuell 
lädst, in Deinem Fall mit 4 Ladegeräten oder einem Ladegerät mit 4 
getrennten Ausgängen. Alternativ kann der Akku auch balancerfrei 
bleiben, wenn das Ladegerät diese Aufgabe übernimmt.

Marcel schrieb:
> Ok, nun habe ich aber nicht nur 3 Zellen parallel, sondern den Aufbau
> gemäss Bild 2. Wie erkenne ich jetzt zusätzliche Messpunkte (ich habe ja
> nur M2, M2 und M3), dass der Balancer den Zellen, welche mit orangem
> Rahmen gekennzeichnet sind, einen Parallelwiderstand hinzuschalten muss?

Mit diesem Aufbau von 12 Zellen in 3P4S hast Du Dir zusätzliche Probleme 
eingehandelt, die Du bei 4S3P nicht hast.

Wenn Du nicht zellspezifisch laden kannst, braucht Du tatsächlich für 
jeden Zelle einen eigenen Balancer, der spannungsabhängig eine Last 
aufschaltet.
Bei 4S3P bräuchtest Du nur einen Balancer pro parallel geschalteter 
Dreiergruppe.

Hallo Marcel.

Marcel schrieb:
> Scherzkeks schrieb:
>> handelt es sich um LiFeP4?
>> Dann ist der Balancer nicht geeignet.
>>  LiFePo4 balanciert man nur während der Ladung ab 3,4V

Nein.

>
> Hallo Scherzkeks.
> Ich weiss nicht, was genau damit balanciert wird. Ich habe nur dieses
> Bild. Mir geht es eigentlich nur um das Verständnis von der Schaltung.
> Auf welche Referenzspannung ist denn zB der unterste Komparator
> ausgelegt?

Der unterste "Komparator" ist auf ein Sechstel der Gesamtspannung des 
Zellblocks ausgelegt:

Ur1= R1/(R1+R2+R3+R4+R5+R6)* (G1+G2+G3+G4+G5+G6)

> 3.4V, 3.6, 3.7, 4, oder 4.2V. Ich kann das der Schaltung irgendwie nicht
> entnehmen.

Gibt es auch nicht. Die Schaltung ist ziemlich universell, solange nicht 
der Widerstand am Ausgang des TDA2050A, z.b. R12 nicht überlastet wird.
Zur eventuellen Überbelastung des TDA2050A habe ich allerdings kein 
Wissen parat.

Die Idee hinter der Schaltung ist folgende:
In einem idealen seriellen Zellblock haben alle Zellen die gleiche 
Spannung Uref. Diese Spannung ist Uref=Uges/n
Dabei ist Uges die Summenspannung des gesamten Blocks und n ist die 
Anzahl der einzelnen Zellen.

Als Referenzspannung für den Vergleich dient dann 1*Uref für IC1, 2*Uref 
für IC2 und (n-1)*Uref für IC[n-1].
Das ist das Soll, das am "+"-Eingang des IC1 steht.
Am "-"-Eingang steht das ist Ist-Signal.

Ist das Ist größer als das Soll, schaltet der TDA seine Vcc- auf den 
Ausgang. Damit schließt der die untere Zelle kurz, nur gehemmt durch 
kleine Verluste im TDA und den Strombegrenzungswiderstand R12, bzw. R13 
....

Ist das Ist kleiner als das Soll, schaltet der TDA seine Vcc+ auf den 
Ausgang und schließt damit die obere Zelle kurz, nur gehemmt durch 
kleine Verluste im TDA und den Strombegrenzungswiderstand R12, bzw. R13 
....

Dieser Balancer arbeitet also permanent (also beim Laden, Entladen und 
auch bei Nichtnutzung) und damit anders als die Standard-Balancer, die 
quasi nur bezogen auf die Spannung einer Zelle einen Widerstand oder 
eine Stromsenke parallel schalten, sobald eine gewisse Spannungsschwelle 
überschritten wird.

Das ist ganz nett, aber sexy ist anders. "Sexy" ist eine Schaltung, die 
möglichst verlustarm die Zellen umlädt.

In meinem E-Radl hab ich Suppentütenakkus  Lipo nennen sich die glaube 
ich, da habe ich 7 in Reihe und dann noch zusätzlich das ganze nochmal 
parallel geschaltet. Da wird jede einzelne Zelle balanciert.
Bei den Li-ion Rundzellen dagegen wird nur einmal pro parallelschaltung 
balanciert.

Hallo Peter

Ich habe mich in diesem tollen Forum einmal angemeldet. ;)

Was die Geschichte für mich bei diesem Thema "Akku laden" immer wieder 
etwas gegen die Wand fahren lässt ist, dass für mich als Laie (ich habe 
leider nur eine allgemeine Elektronikgrundausbildung aus meiner Lehrzeit 
- ich lese einfach sehr viel) es schwierig ist Schaltungen zu verstehen, 
wenn keine konkreten Spannungen vorgegeben sind. So ist es für mich wie 
an der Beispielschaltung schwieriger einzuschätzen, welche Spannungen 
gerade anliegen und welcher Komparator anspricht oder nicht.

Nun, lange Rede kurzer Sinn:

Peter M. schrieb:

>
> Der unterste "Komparator" ist auf ein Sechstel der Gesamtspannung des
> Zellblocks ausgelegt:
>
> Ur1= R1/(R1+R2+R3+R4+R5+R6)* (G1+G2+G3+G4+G5+G6)
>

Ja ich glaube so weit hatte ich es auch verstanden, aber nicht wirklich 
begriffen, was nun verglichen wird :)


>> 3.4V, 3.6, 3.7, 4, oder 4.2V. Ich kann das der Schaltung irgendwie nicht
>> entnehmen.
> Gibt es auch nicht. Die Schaltung ist ziemlich universell, solange nicht
> der Widerstand am Ausgang des TDA2050A, z.b. R12 nicht überlastet wird.
> Zur eventuellen Überbelastung des TDA2050A habe ich allerdings kein
> Wissen parat.
>
> Die Idee hinter der Schaltung ist folgende:

Vielen Dank für die Erklärung der Funktion.
Die Schaltung fängt schon direkt wenn das Akkupack angeschlossen wird an 
zu balancieren. Das ist ja grottenschlecht, was den Wirkungsgrad 
anbelangt.

>
> Dieser Balancer arbeitet also permanent (also beim Laden, Entladen und
> auch bei Nichtnutzung) und damit anders als die Standard-Balancer, die
> quasi nur bezogen auf die Spannung einer Zelle einen Widerstand oder
> eine Stromsenke parallel schalten, sobald eine gewisse Spannungsschwelle
> überschritten wird.
>
> Das ist ganz nett, aber sexy ist anders. "Sexy" ist eine Schaltung, die
> möglichst verlustarm die Zellen umlädt.

Nun habe ich die Schaltung nach deinen Erklärungen für mich einmal 
ziemlich vereinfacht, ich hoffe, das kann man so auch tun und ist 
funktionstechnisch immer noch die selbe Schaltung. Irgendwas sagt mir 
aber, dass ich das so nicht machen darf, da so nun meine Rechnung nicht 
aufgeht.

Siehe Bild oben, welches ich im LTSpice erstellt habe:

Ich habe einfach irgendwelche Akkuspannungen angenommen und und diese 
neben den einzelnen Kapazitäten angeschrieben. Die Gesamtspannung der 
Zellen beträgt so 22.1V. Daraus ergibt sich für jeden Widerstand links 
eine Teilspannung von ca. 3.7V. Mit dieser Konstellation nun wird das 
Balancing der Zelle C1 aktiv und der Rest wird weiter geladen und zwar 
ohne Balancing. Bei C3 und C6 müsste das Balancing eigentlich aktiv 
werden. Entweder habe ich nun etwas nicht richtig verstanden oder die 
Schaltung ist nicht geeignet dafür, wenn die Zellen so grosse 
Ladungsunterschiede aufweisen.

Liege ich mit meiner Annahme daneben?
Grüsse Marcel

Hallo Scherzkeks

Scherzkeks schrieb:

> Für Lipos wäre die Schaltung geignet, wenn >sie denn funktioniert

Du hast ja weiter oben geschrieben, dass es für Lipos funktionieren 
sollte.
Doch mein Beispiel in meinem vorletzten Beitrag zeigt, dass es nicht so 
richtig funktioniert. Es sei denn ich habe etwas Wichtiges nicht 
berücksichtigt.

Bisher habe ich angenommen, dass es mit einem Balancer wohl egal ist 
welchen Ladezustand die Zellen haben, aber in diedem Fall müssen wohl 
alle Zellen annähernd gleichen Ladezustand haben? Wie siehst du das?

Hallo Marcel,

Marcel K. schrieb:
> Nun habe ich die Schaltung nach deinen Erklärungen für mich einmal
> ziemlich vereinfacht, ich hoffe, das kann man so auch tun und ist
> funktionstechnisch immer noch die selbe Schaltung.

Deine Vereinfachung funktioniert nicht.
Der immer unterschiedliche Bezug des TDA-Bausteins von Vs+ und Vs- geht 
aus Deiner Spice-Zeichnung nicht hervor.

Wenn Du vereinfachen willst, reduziere die Schaltung auf die untersten 
beiden Zellen, lass meinetwegen den Verpolungsschutz und die 
Kondensatoren weg.

Zeichne Dir die Stronmflüsse für die beiden Zustände am Eingang des TDAs 
auf.

Bedenke: Der TDA arbeitet immer als Stromquelle oder als Stromsenke.

P.S.: Auf Trolle einfach nicht reagieren. Du siehst ja, wer nicht 
verstanden hat, dass dieser Balancer über keine festgelegten immer 
gleichen Schwellspannungen verfügt.

Peter M. schrieb:
> Hallo Marcel,
>
> Marcel K. schrieb:
>
> Wenn Du vereinfachen willst, reduziere die Schaltung auf die untersten
> beiden Zellen, lass meinetwegen den Verpolungsschutz und die
> Kondensatoren weg.
>
> Zeichne Dir die Stromflüsse für die beiden Zustände am Eingang des TDAs
> auf.
>
> Bedenke: Der TDA arbeitet immer als Stromquelle oder als Stromsenke.


Hallo Peter
Vielen Dank für deinen Hinweis.
Ich habe die Schaltung nun so gezeichnet, wie du es vorgeschlagen hast, 
nämlich nur mit 2 Zellen.
Um zu verdeutlichen was ich meine habe ich zudem das Schaltbild um eine 
Kleinigkeit erweitert.

Situation 1: C1=3V, C2=3.8V, OPV-Eingang=3.4V, Gesamtspannung 6.8V
Mit den Ladungen die ich angenommen habe, liegen 6.8V am OPV Ausgang und 
er fungiert als Stromquelle und ladet C1 mit dem Strom I_balancer, den 
der OPV von der Spannungsversorgung (+Ub) zieht. Gemäss Bild wird C1 
also mit dem Gesamtstrom I_balancer+Ic2 geladen.
Jedoch wird zu diesem Zeitpunkt aber auch C2 weiter aufgeladen. 
Vielleicht nicht mehr mit dem vollen Ladestrom, aber dennoch wird C2 mit 
Ic2 geladen.

Situation 2:  C1=3.4V, C2=3.9V, OPV-Eingang=3.65V, Gesamtspannung 7.3V
Es wird immer noch weiter geladen, da die Schwellspannung 3.65V immer 
noch nicht erreicht ist.
Unterschied nun: Mit angestiegener Gesamtspannung ist I_balance etwas 
grösser geworden.

Situation 3:  C1=4.1V, C2=4.1V, OPV-Eingang=4.1V, Gesamtspannung 8.2V
C1 hat nun eine gleich grosse Spannung als am OPV Eingang, da dieser 
schneller geladen wurde als C2. Der OPV lädt immer noch, da die 
Schwellspannung nicht überschritten ist.
Wenn die Spannugn 4.1V überschreitet, fungiert der OPV als Stromsenke.

Der Balancer sorgt also dafür, dass die Ladungen der Zellen, jener Zelle 
angepasst wird, der die höchste Ladung besitzt. Habe ich das so richtig 
verstanden und das mit den Situationen richtig erklärt?

Wenn ja, nun gut.
Was ist aber wenn die Zelle C2 bereits am Anfang 4.2V hat, also an 
seiner Grenze ist und die Zelle C1 noch 3V hat? Dann wird doch C2 
überladen oder etwa nicht?

Grüsse Marcel

Marcel K. schrieb:
> Was ist aber wenn die Zelle C2 bereits am Anfang 4.2V hat, also an
> seiner Grenze ist und die Zelle C1 noch 3V hat? Dann wird doch C2
> überladen oder etwa nicht?
>

Man kann für diese Betrachtung eine Vereinfachung vornehmen:
Da der OPV am Ausgang 6,8V hat, liegt R3 ja parallel zu C2.

Damit wird sofort klar: C2 wird durch R3 entladen  I = U(C2) / R3
Der Strom vom Ladegerät sollte nun genau I betragen, dann wird
C2 weder ge- noch entladen und es wird nur C1 geladen.

Bis Spannungsgleichheit herrscht und der OPV am Ausgang 0V hat.

Bernd K. schrieb:
> Marcel K. schrieb:
>> Was ist aber wenn die Zelle C2 bereits am Anfang 4.2V hat, also an
>> seiner Grenze ist und die Zelle C1 noch 3V hat? Dann wird doch C2
>> überladen oder etwa nicht?
>
> Man kann für diese Betrachtung eine Vereinfachung vornehmen:
> Da der OPV am Ausgang 6,8V hat, liegt R3 ja parallel zu C2.
> Damit wird sofort klar: C2 wird durch R3 entladen  I = U(C2) / R3
> Der Strom vom Ladegerät sollte nun genau I betragen, dann wird C2 weder
> ge- noch entladen und es wird nur C1 geladen.
>
> Bis Spannungsgleichheit herrscht und der OPV am Ausgang 0V hat.

Hallo Bernd
Danke für deinen Beitrag.
Wie meinst du das mit dem Strom vom Ladegerät. ZB sei der auf 
kontinuierliche 1.5A festgelegt. Dann kann dieser nie gleich dem Strom 
UC2/R3 sein, schon deshalb nicht, weil die Spannung von C2 immer ändert.
Was wird C2 im Fall mit 6.8V Gesamtsp.? Geladen oder entladen?
Ich nehme an C2 wird eher entladen, weil wenn die Kapazität schon voll 
ist, fliesst auch kein Strom mehr rein. Die Spannung von C2 müsste 
eigentlich nahezu konstant gehalten werden, weil Strom rausfliesst, wenn 
dieser voll ist, und Strom rein fliesst, wenn dieser ein wenig entladen 
wurde.

Marcel K. schrieb:
> Wie meinst du das mit dem Strom vom Ladegerät. ZB sei der auf
> kontinuierliche 1.5A festgelegt. Dann kann dieser nie gleich dem Strom
> UC2/R3 sein, schon deshalb nicht, weil die Spannung von C2 immer ändert.
> Was wird C2 im Fall mit 6.8V Gesamtsp.? Geladen oder entladen?

Davon ausgehend, dass U(C2)/R3 < 1,5A ist, werden C1 und C2 geladen.
C1 = 1,5A + Balancerstrom und C2 = 1,5A - Balancerstrom.

Da C2 in der letzten Annahme bereits 4,2V hat, wird C2 überladen.
Hat C2 eine PCB-Schutzschaltung, wird diese ansprechen und die Zelle vor 
Überladung schützen. Falls nicht, macht die Zelle dicke Backen und geht 
in Rauch auf, mitunter auch mit Flammenbegleitung.

Klar, dass es sich hier um eine Extrembetrachtung handelt, denn niemand 
wird so blöd sein, eine volle Zelle und eine leere Zelle mit einem 
Balancer-Ladegerät aufladen. Es sei denn, der Balancer ist in der Lage, 
den vollen Ladestrom zu balancieren. Das ist aber afaik nicht der Fall.

Das erinnert mich an eine Betrachtung zur Auslegung eines 
Ortsnetztransformators ONT. Diese versorgen die Haushalte mit 
Niederspannung 400/230V und werden vom Mittelspannungsnetz 10kV oder 
20kV gespeist.

Eine häufige Auslegung ist 400kVA zur Versorgung von 100 Haushalten.
Jetzt kommt die Frage: Was ist, wenn alle 100 Haushalte gleichzeitig 
duschen und jeder Durchlauferhitzer hat eine übliche Leistungsaufnahme 
von 21kW. Die Antwort: Der ONT wird mit 2.100kW belastet und dicke 
Backen machen. Na gut, er hat ja Sicherungen und wird alle 100 Haushalte 
abschalten.

Niemand würde auf die Idee kommen, wegen dieser Rechnung den ONT mit 
5facher Größe auszulegen, um den Extremfall abzudecken. Da gibt es 
Wahrscheinlichkeitsberechnungen, die für eine sinnvolle Größe des ONT 
sorgen.