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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Lithium Polymer Akku mit Ledtreiber laden


Autor: Mathias (Gast)
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Hallo!

Ich möchte mithilfe eines Step-Up-IC's mit Konstantstromausgang einen 
Lithium Polymer Akku laden.

Konkret würde es sich dabei um den TPS61070 von TI handeln.

http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/tps61070.html

Aufgrund der niedrigen Feedbackspannung hätte ich auch nur einen 
Spannungsabfall von 0.5V. Der Betriebsstrom würde nur 19uA betragen und 
im Shutdown wären es noch 0.1uA inkl. Load Disconnect!

Da ich den Akku immer nur mit der gepufferten Energie aus einem 
Kondensator lade (mittels Schmitttrigger), ergeben sich dadurch Vorteile 
welche sich mit einem nachgeschaltetem Lithium Lade IC nicht realisieren 
lassen würden. (Beispielsweise Stromverbrauch oder Einschaltverzögerung)

Prinzipiell müsste ja die Ladung per Konstantstrom mit diesem IC möglich 
sein!? Kann man also den Akku einfach wie eine Led zwischen den Vout und 
den Feedback-Pin hängen? (Datenblatt Seite 17 Figure 25)

Das einzige Problem dürfte ja die maximale Ladespannung von 4.2V sein.
Nur haben ja ziemlich alle Lithium Polymer Akkus eine Overcharge 
Detection. Diese müsste ja ein Überladen des Akkus verhindern?

mfg
Mathias

Autor: Thomas (Gast)
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der TPS61070 arbeitet doch mit konstanter Spannung. Es müsste also 
ausreichen wenn du die Spannung auf 4,2V einstellst. Der Strom wird dann 
auf 600mA auf der Eingangsseite begrenzt. Das heist dein Akku wird mit 
<600mA geladen.

Autor: Christoph Z. (rayelec)
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>Das einzige Problem dürfte ja die maximale Ladespannung von 4.2V sein.


>Nur haben ja ziemlich alle Lithium Polymer Akkus eine Overcharge
>Detection. Diese müsste ja ein Überladen des Akkus verhindern?

NEIN, die meisten Akkus haben sowas nicht! Nur fertig konfektionierte 
Packs mit Schutzelektronik haben das. Alle bei Po**in und anderen 
Händlern gekauften Li(-Po) Akkus aus irgendwelchen PDAs sind nackte 
Zellen ohne Schutzelektronik!
Die Schutzelektronik als Ladebegrenzung einzusetzen finde ich sehr 
abenteuerlich. Dazu ist sie nicht ausgelegt. Wenn du mit im Vergleich 
zur Akkukapazität kleinen Strömen lädst, geht der Akku im schlimmsten 
Fall einfach still und leise kapputt. Das passiert bei der ersten 
Fehlbehandlung und wenn keine hohen Energien im Spiel sind, ohne 
Erwärmung und ohne Explosion.
An deiner Stelle würde ich mit einem TL431-Derivat eine präzise Z-Diode 
bauen, welche bei Überladung den Strom aufnimmt und verheizt.
Übrigens, Li-Akkus leben bedeutend länger, wenn man die 4.20V nicht ganz 
ausreizt und z.B. schon bei 4.10 oder 4.15V aufhört zu laden.

Gruss
rayelec

Autor: Frank B. (frankman)
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Tu dir bitte den Gefallen, und lass es bleiben!
Die Lade-End-Spannung muß 4,2V sein. Und zwar auf 1% genau, oder maximal 
plus 50mV. Nicht 100mV, nicht 200mV.

Ein LED-treiber begrenzt dir zwar den Strom, begrenzt aber, wenn 
überhaupt, die Spannung nicht genau genug bei 4,2V.


Es gibt doch Ladechips, wie Sand am Meer, schau bei Linear Technology ( 
die ham auch gratis Muster) oder bei Ti.com

Die haben alles was Du brauchst und sind nur für diesen Zweck entwickelt 
worden.

Meinst Du nicht, das die Hersteller nicht einen LED-Treiber zum Laden 
von LIPOS empfehlen würden, wenn es ginge?

Autor: Frank B. (frankman)
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> Das einzige Problem dürfte ja die maximale Ladespannung von 4.2V sein.
> Nur haben ja ziemlich alle Lithium Polymer Akkus eine Overcharge
> Detection. Diese müsste ja ein Überladen des Akkus verhindern?


Ein überladener Lithium-Akku exploxiert schon ab etwas 5V!
Ein Händyakku macht einer Silvester-Rakete alle Ehre!

Haben wir selbst ausprobiert ( unter kontrollierten Bedingungen!)

Eine Schutzschaltung ist KEIN ERSATZ für einen vernünftigen Lader.
Die soll nur das Schlimmste verindern!

Du bremst beim Auto ja auch nicht jedesmal mit dem Airbag!


Und wenn Du die Ladung schon in einem Elko hast, dann bau deine 
Schaltung doch gleich so, das der ganze Elko nur auf 4,2V aufgeladen 
wird und hänge ihn mit MOSFETs an den Akku.  ( Switched Capacitor) 
Selbst dafür gäbe es fertige Teile ( Analogschalter von TI, die können 
400mA, umschalten mit Komparator, darauf achten, das der Komparator 
genau genug ist, Threshold und Hysterese)

Autor: Marius S. (lupin) Benutzerseite
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Ich schaue selbst auch gerade nach Lipo-Ladeverfahren und frage mich, 
wie dieses Ladegerät eine ausreichende genauigkeit einhalten kann:
http://www.richard-dj1pi.de/AVRlader1.jpg

Da wird offensichtlich die interne Ref-Spg des AVR verwendet, die allein 
ist laut Datenblatt schon zu ungenau. Dazu kommen noch die 
Ungenauigkeiten durch die Widerstände (Toleranz ist zwar nirgends 
angegeben, aber wenn schon in sachen Ref-Spg so nachlässig verfahren 
wurde nehm ich an es sind 1%er)

Nen etwas besseren Eindruck macht diese Schaltung:
http://git.kopf-tisch.de/?p=lipo-charger;a=blob;f=...

Autor: Thomas (Gast)
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Bei Bastelprojekten kann man ja entweder die Software anpassen, oder die 
Widerstände so anpassen das die gemessene Spannung stimmt.

Autor: Mathias (Gast)
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@ Thomas:

Schon klar, dass ich den TPS61070 auf die Spannung einstellen könnte, 
nur muss der Strom auf maximal 1C (was in meinem Fall 130mA sind) 
begrenzt werden! Ansonsten könnte ich natürlich den Strom mit einem 
Widerstand begrenzen, was jedoch einen mehr oder weniger großen 
Spannungsabfall bedeuten würde.

@ rayelec: Mein Akku hat einen Überladeschutz nur hast du wohl recht mit 
deiner Aussage, dass man diese besser nicht dazu missbrauchen sollte!

@ Frankman: Habe so ziemlich alle Ladechips angeschaut, nur kann ich 
diese aus genannten Gründen nicht einsetzen. (Stromverbrauch, 
Einschaltzeit, zusätzliche Kosten)

Den Kondensator kann ich leider nicht auf 4.2V laden, da dieser über 
Solarzellen geladen wird und die Spannung dazu zu klein ist.

Switched Capacitor Lösungen haben zwar einen recht hohen Wirkungsgrad 
und der Strom würde auch ausreichen, nur ist der Betriebsstrom recht 
hoch!

@ all:

Habe gestern noch den LT1618 von Linear gefunden. Ein recht 
interessanter Chip der den Ausgangsstrom konstant hält und gleichzeit 
die Ausgangsspannung begrenzt (Constant Current, Constant Voltage).

Soweit so gut, nur ist der Betriebsstrom recht hoch (um den Faktor 100 
höher als beim TPS61070) und die Last wird im Power-Down nicht getrennt! 
Also würde ich auch hier eine Zusatschaltung benötigen!

Danke inzwischen für die vielen Antworten!

Autor: Thomas (Gast)
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Welche Spannung und welchen Strom liefern den deine Solarzellen maximal?

Autor: Mathias (Gast)
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Maximal 0.45*8 = 3.6V und 28mA. Nur sollte auch bei schlechter bzw. 
keiner direkten Sonneneinstrahlung geladen werden und da hat man dann 
nur mehr 1/100 des Stroms! Deshalb die Bufferung im Kondensator und 
Entladung per Komparator mit integr. Referenz und Hysterese...

Autor: Thomas (Gast)
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Und du machst dir sorgen das du über 170mA in den Akku bekommst?

Autor: Thomas (Gast)
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Das Problem wird wohl eher folgendes sein.
Die Spannung im C ist hoch genug->Step up läuft an->Spannung im C bricht 
zusammen->Step up hört wieder auf. Ich weis nicht ob du so ein 
gescheides Ladeverhalten hinbekommst. Zumal die Regelung auch einige ms 
braucht bis die Spannung stabil ist.
Was du bräuchtest wäre eignetlich ein Step-up der versucht die 
Eingangsseite konstant zu halten, d.h. wenn mehr Sonne scheint auch mit 
mehr Strom lädt. Auf der Akkuseite würde dann schon ein LM3420-4.2 
ausreichen um Spannungen über 4,2V zu vermeiden.

Autor: Marius S. (lupin) Benutzerseite
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Solarzellen direkt an den akku schließen und dem Akku eine 
Schutzschaltung verpassen (TL431 welcher die Spannung auf 4.2V hält 
würde schon reichen)

Autor: Mathias (Gast)
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Ok kurze Erklärung meines Ladeverfahrens!

Die maximale Eingangsspannung beträgt wie beschrieben 3.6V.

Mittels Komparator mit integrierter Referenz und Hysterese wird der 
Kondensator sobald er 3.25V erreicht bis auf 2.5V entladen.

D.h. der Komparator schaltet die Enable Leitung des TPS61070. Folglich 
wird der TPS61070 dauernt versorgt und nie ausgeschalten. Die 
Entladezeit des Kondensators (3.25V-2.5V) beträgt in etwa 10ms bei 20mA 
Entladestrom. Der Entladestrom ist hier natürlich unabhängig vom 
Ladestrom der Solarzellen!
Der Entladestrom muss einzig höher als der max. Ladestrom der 
Solarzellen sein!

=> 28mA * (3.25/4.2) * 0.9 (Wirkungsgrad) ~= 20mA

Aufgrund der 10ms Entladezeit benötige ich natürlich eine möglichst 
schnelle Regelung. Der TPS61070 hat eine Startup-Time von ungefähr 1ms. 
Batterielade-ICS würden diese Zeit natprlich verlängern. Einen größeren 
Kondensator kann ich aufgrund der Abmessungen nicht nehmen!

Damit das ganze besser verständlich ist hier mal eine App-Note von Maxim 
die das Prinzip beschreibt (Figure 2):

http://www.maxim-ic.com/appnotes.cfm/an_pk/484

Meine Idee wäre jetzt die Akkuladespannung mittels Komperator mit 
integrierter Referenz (TLV3011, MAX9060) zu messen und nach dem 
Erreichen der 4.2V die Ladung per Enable Pin des TPS61070 zu stoppen.

So sollte doch eine Ladung des Akkus mit möglichst Spannungsabfall bzw. 
Leistungsverlust realisierbar sein?!?

Autor: Mathias (Gast)
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@ Marius: Wohl kaum wenn die Solarspannung unter 4.2 liegt!

Autor: Klaus2 (Gast)
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"Übrigens, Li-Akkus leben bedeutend länger, wenn man die 4.20V nicht 
ganz
ausreizt und z.B. schon bei 4.10 oder 4.15V aufhört zu laden."

Stimmt, aber die eingespeicherte Ladung ist dann auch deutlich (!) 
geringer, afaik.

Klaus.

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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Marius S. schrieb:
> Ich schaue selbst auch gerade nach Lipo-Ladeverfahren und frage mich,
> wie dieses Ladegerät eine ausreichende genauigkeit einhalten kann:
> http://www.richard-dj1pi.de/AVRlader1.jpg

Indem man ihn kalibriert.  Es ist ja nur die Absolut-Toleranz der
internen Bandgap-Referenz, die hier stört, die Schwankungen im
Betrieb halten sich in Grenzen, sofern man unter Büro-/Laborbedingungen
arbeitet (also nicht gerade bei -40 ... +85 °C betriebsfähig sein muss).

Autor: Mathias (Gast)
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Werde es jetzt so machen:

Die Akku-Ladespannung mit einem Komparator mit interner Referenz 
ADCMP350 überwachen.

Nur wenn sich diese unter 4.2V befindet und der Buffer-Kondensator voll 
geladen ist wird die Ladung aktiviert, sprich der TPS61070 aktiviert. 
Die Verknüpfung beider Steuerleitungen erfolgt mit einem Single AND Gate 
(74UP1G08).

Nun noch eine abschließende Frage die mir bis jetzt keiner beantworten 
konnte:

Die Konstantstromladung des Akkus müsste ja funktionieren, wenn ich den 
Akku wie eine Led zwischen den VOUT und FB Pin hänge? Den Strom würde 
ich dann über den Widerstand zwischen FB und VOUT einstellen (UFB/R).

(Datenblatt Seite 17 Figure 25)
http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/tps61070.html

Autor: Mathias (Gast)
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Keiner mehr eine Meinung dazu?

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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Mathias schrieb:

> Die Konstantstromladung des Akkus müsste ja funktionieren, wenn ich den
> Akku wie eine Led zwischen den VOUT und FB Pin hänge? Den Strom würde
> ich dann über den Widerstand zwischen FB und VOUT einstellen (UFB/R).

Eine derartige Betriebsweise kenne ich von den TP610xx zumindest für
einen Konstantstrombetrieb einer LED.

Autor: Mathias (Gast)
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Ja genau, wie im Datenblatt auf Seite 17 - Figure 25 beschrieben! Dann 
müsste man auch einen Akku anstelle der Led hineinhängen können?

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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Mathias schrieb:
> Dann
> müsste man auch einen Akku anstelle der Led hineinhängen können?

Denke ich, nur dass du halt keine Spannungsbegrenzung auf diese
Weise erreichst.

Autor: Alexander Schmidt (esko) Benutzerseite
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Marius S. schrieb:
> Nen etwas besseren Eindruck macht diese Schaltung:
> 
http://git.kopf-tisch.de/?p=lipo-charger;a=blob;f=...

So optimal erscheint mir auch diese Schaltung nicht.

Gedankenexperiment was passiert wenn CELL1 geladen ist (4,2V) und die 
anderen 4,0V haben. Dann ist der +Eingang vom unteren OPV auf 4,07V und 
der -Eingang auf 4,2V ==> Ausgang OPV auf negativer Spannung und Q2 
sperrt Q4 öffnet. Dann wird CELL1 entladen bis die Spannungen wieder 
angeglichen sind. Besser wäre wohl wenn CELL1 einfach überbrückt würde 
und die anderen während dessen weiter geladen.

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