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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik LiIon Balancer so machbar?


Autor: Markus R. (maggus)
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Hallo zusammen,

ich will eine Serienschaltung aus zwei LiIon Akkus laden. Mit einem 
Balancer soll sichergestellt werden, dass keine der beiden Zellen mehr 
als die vertragenen 4,2V abbekommt.
Ich hab mir jetzt mal die Schaltung im Anhang ausgedacht, bin mir aber 
nicht sicher, ob sie funktionieren wird. Der OPAmp vergleicht die 
Spannung zwischen R1 und R2 (entspricht genau der Hälfte des aktuellen 
Ladestandes der Akkus) mit der Spannung zwischen den Akkus und schaltet 
entweder den NMOS oder den PMOS durch, sodass der Ladestrom an der Zelle 
mit der momentan höheren Spannung vorbeigeführt wird. Die Beiden 
Spannungsteiler R4/R7 und R8/R9 sorgen dafür, dass nicht beide FETs zur 
gleichen zeit offen sein können.
Die Strombegrenzung (ich dachte so an 200 bis 300mA) wird übrigens vor 
der Balancerschaltung auch per OPAmp und FET gemacht, der Widerstand ist 
hier nur exemplarisch.
Kann diese Schaltung so funktionieren oder hab ich was wesentliches 
übersehen?

Schöne Ostern,
Markus

Autor: Pothead (Gast)
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Ich denke sie wird funktionieren, aber schön ist es nicht. Selbst wenn 
die Zellen exakt die selbe Spannung haben sind beide FETs leicht 
angesteuert (VGS=~(-)1V).

Autor: Andreas (Gast)
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Markus R. schrieb:
> Mit einem
> Balancer soll sichergestellt werden, dass keine der beiden Zellen mehr
> als die vertragenen 4,2V abbekommt.


Hallo,
wie willst du die einzelne Zelle kontrollieren? Du stellst nur sicher 
das die Gesamtspg nicht höher als 2 x 4,2 Volt ist.
Du mußt aber die einzelne Zelle kontrollieren und sicher stellen das 
beide nicht mehr als 0,1V von einander abweichen (idealerweise).

Gruß
Andreas

Autor: Markus R. (maggus)
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Andreas schrieb:
> Du stellst nur sicher
> das die Gesamtspg nicht höher als 2 x 4,2 Volt ist.

Nein, ich stelle sicher, dass beide Zellen immer die gleiche Spannung 
haben. Der OPAmp vergleicht die Hälfte der Gesamtspannung (Siehe 
Spannungsteiler R1/R2) mit der Spannung zwischen den beiden Zellen und 
steuert dann die FETs. Die Gesamtspannung wird (durch die ladende 
Spannungsquelle bestimmt) nicht größer als 8,4V.

Wenn beide Zellen exakt 4,2V haben, spuckt der OPAmp 4,2V am Ausgang 
aus. Durch die Spannungsteiler R4/R7 und R8/R9 beträgt UGS des FETs 
(-)0,84V (hab ich mich verrechnet/Denkfehler?) und ist somit (größer) 
kleiner als Uth. Die FETs sperren also.

Autor: Pothead (Gast)
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Markus R. schrieb:
> Wenn beide Zellen exakt 4,2V haben, spuckt der OPAmp 4,2V am Ausgang
> aus. Durch die Spannungsteiler R4/R7 und R8/R9 beträgt UGS des FETs
> (-)0,84V (hab ich mich verrechnet/Denkfehler?) und ist somit (größer)
> kleiner als Uth. Die FETs sperren also.

Schon richtig. Sind etwas vorgespannt, was aber sicher reicht. Wie 
gesagt, es sollte gehen. Achte auf die Offsetspannung vom OPA und - 
wichtig - die Genauigkeit vom 5k/5k-Teiler. R6 leuchtet mir gerade nicht 
ein, evtl. muss man die Schaltung etwas entschleunigen, aber probieren 
geht über studieren.

Autor: MaWin (Gast)
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> Kann diese Schaltung so funktionieren

Ja, aber ich würde MOSFETs mit grösserer Uth nehmen und einen 
Rail-To-Rail OpAmp.

Warum deine LiIons jeweils 2 Zellen haben, ist sicher ein Versehen.

Autor: Leonardo W. (krangel)
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Moin,

die Schaltung kann so nicht funktionieren.
1. Der Widerstand R6 belastet deine Ref.Spanung.
2. Mit ca. 1,8V Gatespannung bekommst du den IRF7401 nicht zum leiten.
3. Wenn beide Zellen gleich sind befindet sich der Opamp nicht in einem 
stabilen Zustand.

Die Schaltung wird nur deshalb nicht wild schwingen, weil der untere 
Mosfet nie leitend wird.

Grüße Leo

Autor: MaWin (Gast)
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> 1. Der Widerstand R6 belastet deine Ref.Spanung.

Das ist Absicht.

> 2. Mit ca. 1,8V Gatespannung bekommst du den IRF7401 nicht zum leiten.

Soll er auch nicht. Aber bei 8.4V (=2x 4.2) leitet er sicher, sogar 
schon bei 4.2V (2x 2.8 - 1.4).

> 3. Wenn beide Zellen gleich sind befindet sich der Opamp nicht in
> einem stabilen Zustand.

Ohne R6, den du weglassen wolltest, nicht.

> Die Schaltung wird ... wild schwingen

Das dachte ich mir auf Anhieb auch erstmal, weil solche Akkus ja 
verdammt langsam sind beim aufladen und damit anpassen ihrer Spannung, 
bis ich mir den Effekt von R6 vorstellen konnte. Selbst wenn der die 
Gegenkopplung extrem reduziert, sollte dem LM358 dabei noch stabil sein, 
denn er ist ja in einer Verstärkung deutlich grösser als 1 eingesetzt.

Autor: Leonardo W. (krangel)
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Nabend,

also: deine Rechnung kann ich nicht nachvollziehen: den LM358 liefert 
bei 8,4V Betriebsspannung und Vollaussteuerung ca. 7,etwas am Ausgang. 
Der Spannumgsteiler R8/R9 teilt diese auf ca. 1,5V und damit zieht der 
IRL7401 ein paar µA.

Wie der R6 den Apamp stabilisiert verstehe ich nicht, sorry.

gn8
Leo

Autor: MaWin (Gast)
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> ca. 7,etwas am Ausgang. Der Spannumgsteiler R8/R9 teilt diese
> auf ca. 1,5V

Zustimm.

> und damit zieht der IRL7401 ein paar µA.

http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/irf7401.pdf

Nach Fig 3 über 7A.

> Wie der R6 den Apamp stabilisiert verstehe ich nicht

Die Schalrtung ist doch ein ganz normaler Verstärker,
wenn man sich die MOSFETs wegdenkt,
der die Differenz zwischen den beiden Akkus und den
beiden 5k Widerständen ums 400-fache verstärkt
an seinen Ausgang legt. Da ist der OpAmp stabil.

Autor: Pothead (Gast)
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Gibts hier eigentlich Neuigkeiten?

Pothead schrieb:
> R6 leuchtet mir gerade nicht ein [...]

MaWin schrieb:
>> 3. Wenn beide Zellen gleich sind befindet sich der Opamp nicht in
>> einem stabilen Zustand.
>
> Ohne R6, den du weglassen wolltest, nicht.

Ist recht, einfacher Inverter. R6 muss rein.

Autor: Markus R. (maggus)
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Ich habe mich jetzt für eine etwas andere Lösung entschieden, die ohne 
separate MOSFETs auskommt. Die Schaltung im Ausgangspost ist sehr 
abhängig von Uth der FETs. Uth müsste zwischen (-)4,2V und (-)5,4V 
betragen, dass die Schaltung funktioniert. Ich will nicht unbedingt eine 
Schaltung aufbauen, die so abhängig von Bauteilwerten ist, die laut 
Datenblatt schon recht große Toleranzen haben.

Stattdessen werde ich einfach einen Leistungs-OPAmp als Spannungsfolger 
nach dem LM358 schalten und dessen Ausgang per Widerstand mit den Akkus 
verbinden (siehe Schaltplan). Vom Prinzip her auch nicht so anders als 
die 1. Schaltung, nur dass die Transistoren jetzt im OPAmp stecken und 
die Leistung am Widerstand abfällt.

Zum mysteriösen R6: Der OPAmp soll sich ja möglichst wenig im linearen 
Bereich aufhalten. Daher ein großer Rückkopplungswiderstand, der den 
linearen Bereich sehr klein werden lässt. In der Praxis dürfte es in den 
meisten Fällen egal sein, ob der Widerstand drin ist oder nicht.

Autor: Εrnst B✶ (ernst)
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Dumme Zwischenfrage: Warum überhaupt die FETs?

Ich hätt da direkt den OpAmp-Ausgang an das Balancer-Kabel geklemmt, die 
20 (40?) mA des LM358 sollten doch bei halbwegs guten und gleichen Akkus 
locker zum Ausgleich reichen, und Kurzschluss-/Überlast-fest ist er 
auch...

Oder gehts hier eher um Modellbau-Akkupacks die mit "Starkstrom" geladen 
werden?

Autor: Leonardo W. (krangel)
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Moin,
mal ne andere Frage: hast du für den Lion-Akku ein funktionierendes 
Modell?

Grüße Leo

Autor: Markus R. (maggus)
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Meinst du ein Modell in LTspice zum Simulieren?
Nein, hab ich nicht. Ich hab LTspice hier hauptsächlich zum Schaltplan 
zeichnen verwendet. Die Schaltungen lassen sich, so wie sie hier im 
Thread abgebildet sind, nicht simulieren.

Autor: MaWin (Gast)
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> Ich habe mich jetzt für eine etwas andere Lösung entschieden

Die wiederum dürfte nicht funktionieren.

Autor: Markus R. (maggus)
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MaWin schrieb:
> Die wiederum dürfte nicht funktionieren.

Kannst du auch sagen, warum sie nicht funktionieren sollte?

Autor: MaWin (Gast)
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Die Rückwirkung des Ausgangs des LM358 auf seine 
Eingangsspannungsdifferenz ist durch die Akkus dermassen verzögert, daß 
die Schaltung schwingen wird (Phasendiagramm nicht eingehalten).

Selbst wenn die Akkus durch ihren Innenwiderstand um ein paar Millivolt 
reagieren, liegt in der Schleife noch der unbenannte LeistungsOpAmp 
(L272?) der die Reaktion verlangsamt, wofür der LM358 nicht kompensiert 
ist.


Wenn man den LM358 gleich durch den L272 ersetzt, und der 
Innenwiderstand der Akkus relevant gegenüber den 30 Ohm sind, dann 
könnte es MIT EINEM OpAmp gehen. Aber bei 2 in Folge ohne zusätzliche 
Kompensation eher nicht.

Autor: BMK (Gast)
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>Die Rückwirkung des Ausgangs des LM358 auf seine
>Eingangsspannungsdifferenz ist durch die Akkus dermassen verzögert,
>daß die Schaltung schwingen wird (Phasendiagramm nicht eingehalten).

Sehe ich genau so.

Also die Rückkopplung bedämpfen.

Nun, dann kann man auch die Schaltung aus dem Modellbauforum nehmen:

http://www.richard-dj1pi.de/Liposymetr.jpg

Autor: Markus R. (maggus)
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Ok, dann werde ich mich wohl relativ nah an die Schaltung, die BMK 
verlinkt hat, halten. Da ist die Rückkopplung bedämpft und 
wahrscheinlich ist die Schaltung auch schon erprobt.

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