Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Akkus für hohe Temperaturen


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von dotm (Gast)


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Hallo Ihr.
Im moment entwerfe ich eine Messschaltung, die im Extremfall auch mal 
ein paar Stunden 80°C aushalten soll. Dabei soll dieses Batteriegestützt 
sein.
Ich dachte entweder an LiFePO4 oder an NiMh.

NiMh gibt es Zellen, die laut Datenblatt bei 85°C entladen werden 
dürfen:
http://www.farnell.com/datasheets/85572.pdf

Leider sind die am Markt befindlichen Lade- und Powerpath-Ics nicht der 
Wahnsinn.

LiFePO4-Zellen haben auch eine hohe Zyklenanzahl und scheinen günstiger 
zu sein, abbrennen bei hohen Temperaturen scheint auch keine Gefahr 
darzustellen, zudem sind sie mirscheint recht leicht zu laden.

Jetzt frag ich mich aber was da die Einsatztemperaturen wirklich sind.
Die Datenblätter geben meistens bis 60°C an, in den Beschreibungen steht 
oft auch 70°C drin, das hab ich aber bisweilen in keinem Datenblatt 
nachvollziehen können.
Die Datenblätter sind alle ausserdem irgendwie schleissig, mich würde ja 
die Auswirkung von höheren Temperaturen auf die Zyklenfestigkeit 
interessieren und auch Angaben zu maximalwerten.

Soll ich es mit LiFePO4 probieren oder lieber bei NiMh bleiben?
Grüsse
M.

von Arc N. (arc)


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dotm schrieb:
> Hallo Ihr.
> Im moment entwerfe ich eine Messschaltung, die im Extremfall auch mal
> ein paar Stunden 80°C aushalten soll. Dabei soll dieses Batteriegestützt
> sein.

Die 80 °C sind in allen Situationen garantiert?

> Ich dachte entweder an LiFePO4 oder an NiMh.
>
> NiMh gibt es Zellen, die laut Datenblatt bei 85°C entladen werden
> dürfen:
> http://www.farnell.com/datasheets/85572.pdf
>
> Leider sind die am Markt befindlichen Lade- und Powerpath-Ics nicht der
> Wahnsinn.

?????? NiMH oder Li?
bq2407x, MCP73871, MAX8606, AAT3672/73

LiIon die für diese Temperaturbereiche spezifiziert sind, sind mir nur 
von Saft bekannt: VL 25500-125, VL 32600-125 (0°C bis 125 °C), falls es 
andere geben sollte, insb. kleinere, so was suche ich auch bzw. einige 
Kunden denen die normalen Hochtemperatur-Lithium-Zellen (LiSOCl2) auf 
Dauer zu teuer sind...
LiSOCl2 gibt's von div. Herstellern mit Einsatztemperaturen von bis zu 
200 °C (Tadiran, Saft, Electrochem, EVE Energy)

> Die Datenblätter sind alle ausserdem irgendwie schleissig, mich würde ja
> die Auswirkung von höheren Temperaturen auf die Zyklenfestigkeit
> interessieren und auch Angaben zu maximalwerten.

Ist das nur für den Eigenbedarf bzw. welche (Rest-)Risiken dürfen 
bleiben...

von dotm (Gast)


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Arc Net schrieb:
Danke für die Antwort.

> Die 80 °C sind in allen Situationen garantiert?

Naja... Die 80° werden selten erreicht (hochsommer) können aber dann ein 
paar Stunden andauern.

>> Leider sind die am Markt befindlichen Lade- und Powerpath-Ics nicht der
>> Wahnsinn.
>
> ?????? NiMH oder Li?
> bq2407x, MCP73871, MAX8606, AAT3672/73

Ich meinte NiMh. Die Lithium Lader sind superkomfortabel mit eingebauten 
Fets und Schaltreglern und Powerpathmanager, kein Ding.
Die NiMh Lader sind alle schon einige Jahre alt und brauchen auch viel 
externes Zeugs, wenns nicht unbedingt sein muss..

>
> LiIon die für diese Temperaturbereiche spezifiziert sind, sind mir nur
> von Saft bekannt: VL 25500-125, VL 32600-125 (0°C bis 125 °C), falls es
> andere geben sollte, insb. kleinere, so was suche ich auch bzw. einige
> Kunden denen die normalen Hochtemperatur-Lithium-Zellen (LiSOCl2) auf
> Dauer zu teuer sind...

Die oben genannten Saft-Dinger haben halt ganz niedrige Zyklen, das ist 
eher nicht angedacht.

> LiSOCl2 gibt's von div. Herstellern mit Einsatztemperaturen von bis zu
> 200 °C (Tadiran, Saft, Electrochem, EVE Energy)

Nur sind das halt keine Akkus...

> Ist das nur für den Eigenbedarf bzw. welche (Rest-)Risiken dürfen
> bleiben...

Leider nicht für den Eigenbedarf. Ich will das Risiko nicht eingehen 
dass ich nach einem Jahr bei allen verbauten Messstellen die Akkus 
tauschen muss.  Ich bin eben noch am recherchieren und kann natürlich 
davon ausgehen dass die Akkus nie komplett leergemacht werden was die 
Zyklenzahl natürlich erhöht.
Im Idealfall hab ich eben einen Akku mit minimal einer halben 
Amperestunde, der die Temperatur verkraftet und auch bei leichten 
Minusgraden noch ladbar ist und das mit wenig Aufwand. (da werden wohl 
irgendwo Abstriche gemacht werden müssen)
Ich hab sogar einen gefunden:
http://www.tronicone.com/234/yt6042125fht---1500mah---2c.pdf
Nur muss ich den mal irgendwo kaufen können..

Folgendes kann ich aber ganz sicher sagen: Wenns 80°C hat wird der Akku 
weder geladen noch mit vollem Strom entladen. Nur Schaden sollte er 
keinen gravierenden nehmen. Möglicherweise schaffe ich das bereits mit 
Standard LiFePo4-Zellen wie diese hier (welche ja zumindest eine 
Lagertemperatur bis 70° haben).
http://www.blueoceanconcept.com/lifepo4/phet_cell_spec._20091130.pdf
ich frag mich eben was passiert nun bei 80° und ein bisschen 
Stromverbrauch? Totalausfall? Oder einfach nur ein bisschen 
Zyklenverlust?

Danke aufjedenfall für deinen Rat.

von Abdul K. (ehydra) Benutzerseite


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Vielleicht über Alternativen nachdenken außerhalb Akkus, denn ich 
befürchte mit denen wirst du keine Quantensprünge im 
Hochtemperaturbereich erleben. Außer ich hatte etwas am Markt übersehen.

Kondensator? Mikroturbine?

von dotm (Gast)


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Abdul K. schrieb:
> Vielleicht über Alternativen nachdenken außerhalb Akkus, denn ich
> befürchte mit denen wirst du keine Quantensprünge im
> Hochtemperaturbereich erleben. Außer ich hatte etwas am Markt übersehen.
>
> Kondensator? Mikroturbine?

Süss :)

Ich befürchte es wird leider NiMh werden.
Da werd ich wohl je nach Umgebungstemperatur auf eine 
Ladeschlusserkennung nach Temperatur verzichten und auf Dauerstromladung 
umschalten.
Ich ahne schon das Mühsal des Schaltungsaufwandes..

von Arc N. (arc)


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dotm schrieb:
> Die oben genannten Saft-Dinger haben halt ganz niedrige Zyklen, das ist
> eher nicht angedacht.

Naja, 300 Zyklen bei 80 °C und 100% Entladung (runter auf 2.5V...)

>> LiSOCl2 gibt's von div. Herstellern mit Einsatztemperaturen von bis zu
>> 200 °C (Tadiran, Saft, Electrochem, EVE Energy)
>
> Nur sind das halt keine Akkus...

Kommt drauf an wie lange die Schaltung laufen soll, Strom, Impuls, wie 
viel Platz ist vorhanden, wie teuer darfs werden etc...
Werden die Akkus regelmäßig geladen, hängt das Gerät am Netz und die 
Akkus diene nur zur Überbrückung von Stromausfällen?

> Ich bin eben noch am recherchieren und kann natürlich
> davon ausgehen dass die Akkus nie komplett leergemacht werden was die
> Zyklenzahl natürlich erhöht.
> Im Idealfall hab ich eben einen Akku mit minimal einer halben
> Amperestunde, der die Temperatur verkraftet und auch bei leichten
> Minusgraden noch ladbar ist und das mit wenig Aufwand. (da werden wohl
> irgendwo Abstriche gemacht werden müssen)

0.5 Ah, LiSOCl2 gibt's in DD-Bauform mit 33 Ah, D bis afaik 19 Ah

> Ich hab sogar einen gefunden:
> http://www.tronicone.com/234/yt6042125fht---1500mah---2c.pdf
> Nur muss ich den mal irgendwo kaufen können..

Da fehlt, so wie es aussieht, auch noch die Schutzschaltung...

> Folgendes kann ich aber ganz sicher sagen: Wenns 80°C hat wird der Akku
> weder geladen noch mit vollem Strom entladen. Nur Schaden sollte er
> keinen gravierenden nehmen.

Zur Temperaturstabilität, Zyklen etc gibt's z.B. hier eine Übersicht 
www.mpoweruk.com/lithium_failures.htm (wie auch dort geschrieben ist, 
näheres sollte der Hersteller wissen)

von dotm (Gast)


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Arc Net schrieb:
> dotm schrieb:
>> Die oben genannten Saft-Dinger haben halt ganz niedrige Zyklen, das ist
>> eher nicht angedacht.
>
> Naja, 300 Zyklen bei 80 °C und 100% Entladung (runter auf 2.5V...)
>
>>> LiSOCl2 gibt's von div. Herstellern mit Einsatztemperaturen von bis zu
>>> 200 °C (Tadiran, Saft, Electrochem, EVE Energy)
>>
>> Nur sind das halt keine Akkus...
>
> Kommt drauf an wie lange die Schaltung laufen soll, Strom, Impuls, wie
> viel Platz ist vorhanden, wie teuer darfs werden etc...
> Werden die Akkus regelmäßig geladen, hängt das Gerät am Netz und die
> Akkus diene nur zur Überbrückung von Stromausfällen?
>

leider muss der Akku die halbe Betriebszeit aktiv sein, da allerdings im 
leistungsreduzierten Betrieb (wahrscheinlich!).
es kann aber eben auch vorkommen dass (bei erkannten Fehlern) der Akku 
die Fehlermeldung betreiben soll.
Daher: Es kommt sicher nicht jeden Tag zu einem Entladezyklus, wenn dann 
aber so, dass eine Dauerniedrigstromladung nicht mehr reicht um den Akku 
in ausreichender Form wieder einsatzbereit zu bekommen.

>> Ich hab sogar einen gefunden:
>> http://www.tronicone.com/234/yt6042125fht---1500mah---2c.pdf
>> Nur muss ich den mal irgendwo kaufen können..
>
> Da fehlt, so wie es aussieht, auch noch die Schutzschaltung...

Schutzschaltungen für LiFePo4 sind ja nur Tiefentladeschutz oder? Was 
ich gelesen hab sind die ja wesentlich sicherer als Li-Ion.

>
>> Folgendes kann ich aber ganz sicher sagen: Wenns 80°C hat wird der Akku
>> weder geladen noch mit vollem Strom entladen. Nur Schaden sollte er
>> keinen gravierenden nehmen.
>
> Zur Temperaturstabilität, Zyklen etc gibt's z.B. hier eine Übersicht
> www.mpoweruk.com/lithium_failures.htm (wie auch dort geschrieben ist,
> näheres sollte der Hersteller wissen)

Danke für den Link. Das skizzierte Bild zeigt zwar nur für Li-Ion einen 
sicheren Bereich an, der sieht aber so aus als wäre er fast bei 80°C.
Ich frag mich was der tatsächlich sichere Bereich für die meisten 
LiFePO4 Zellen ist, ich nehme mal an dass der Hersteller die 
Betriebsbereich absichtlich niedriger angibt um die Zyklenzahl zu 
garantieren.
Ein Beispiel:
Wenn er netto 1% der Entladezeit 80°C abkriegt, und dabei nur die 
Zyklenanzahl halbiert würde, wäre mir das schon total recht.
Wenn er dann aber innert eines Jahres komplett ausfällt geht das 
natürlich nicht.

von Abdul K. (ehydra) Benutzerseite


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Es hindert dich niemand an emails und telefonieren. Sowas besprichst du 
am besten mit deren Support.

von Arc N. (arc)


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dotm schrieb:
> Daher: Es kommt sicher nicht jeden Tag zu einem Entladezyklus, wenn dann
> aber so, dass eine Dauerniedrigstromladung nicht mehr reicht um den Akku
> in ausreichender Form wieder einsatzbereit zu bekommen.

Es wäre trotzdem günstig zu wissen was jetzt wirklich benötigt wird: 
Strom, Impuls, gewünschte Betriebszeit, wie viel Platz ist vorhanden, 
wie teuer darfs werden etc...

>> Da fehlt, so wie es aussieht, auch noch die Schutzschaltung...
>
> Schutzschaltungen für LiFePo4 sind ja nur Tiefentladeschutz oder? Was
> ich gelesen hab sind die ja wesentlich sicherer als Li-Ion.

Ich würde mich weder darauf verlassen noch alleine auf die 
Schutzfunktionen des Lade-ICs.
Aus einem Dokument von A123: "...the heat generated by overcharging, 
overdischarging, or excessively cycling an 18650,26650, or 32113 cell 
will destroy the cell, and it can damage a poorly designed enclosure or 
other surrounding components of a battery pack."
Bei Überhitzung treten Gase aus die zusammen mit einer Zündquelle 
"ungünstig" sind...

D.h. die üblichen Schutz/Überwachungsfunktionen: Tiefentladung, 
Überladung, Temperatur und das am besten redundant.
(bei NiMH z.B. Laden bei Temperaturen < 0°C...)

> Wenn er netto 1% der Entladezeit 80°C abkriegt, und dabei nur die
> Zyklenanzahl halbiert würde, wäre mir das schon total recht.
> Wenn er dann aber innert eines Jahres komplett ausfällt geht das
> natürlich nicht.

Hersteller fragen...

von Patrick C. (pcrom)


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Supercap wird vielleicht eine gute loesung. zB Maxell PC10HT 
(10F/2.7V/85'C) mit einen DC/DC converter

von dotm (Gast)


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Arc Net schrieb:
> Schutzfunktionen des Lade-ICs.
> Aus einem Dokument von A123: "...the heat generated by overcharging,
> overdischarging, or excessively cycling an 18650,26650, or 32113 cell
> will destroy the cell, and it can damage a poorly designed enclosure or
> other surrounding components of a battery pack."
> Bei Überhitzung treten Gase aus die zusammen mit einer Zündquelle
> "ungünstig" sind...

hast du einen link zu dem dokument?
fg
m.

von dotm (Gast)


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Patrick C. schrieb:
> Diesen Beitrag bewerten:
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>   ▼ nicht lesenswert
>
>
>
>       Supercap wird vielleicht eine gute loesung. zB Maxell PC10HT
> (10F/2.7V/85'C) mit einen DC/DC converter

hab ich mir auch schon überlegt. Ich hab das mal gerechnet für 10F und 
2.1V und bin auf eine halbe Stunde bei 150mA gekommen. Das Problem ist 
dass ich nicht (im Moment, da das GPRS-Modul noch im Zulauf ist, und das 
zieht Spitzen von 2A...) nicht abschätzen kann welchen mittleren 
Stromverbrauch das ganze jetzt wirklich zieht.
Dagegen spricht auf jedenfall dass der Supercap einen Laderegler und 
einen nachfolgenden Schaltregler braucht wobei die LiFePO4-Zelle in 
allen Ladezuständen bereits eine Betriebsspannung liefert, die im 
Betriebsspannungsbereich meiner Schaltung liegt.
Wenn ich einen Akku verwende muss ich mir über den Stromverbrauch meiner 
Schaltung dann weniger Gedanken machen...
Die Zyklenfestigkeit und der Temperaturbereich von dem Supercap ist 
jedoch enorm!!!

von Arc N. (arc)


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dotm schrieb:
> hast du einen link zu dem dokument?

Den kann man sich von A123 zuschicken lassen bzw. findet man mit 
"Cylindrical Battery Pack Design, Validation, and Assembly Guide"

GSM/GPRS je nach Anzahl der genutzten Slots... bei einem Slot grob:
~0.5 ms Volllast, ~4.5 ms ~1/10 Volllast (Telit GL865 Datenblatt bzw. 
GSM), was genau ist natürlich abhängig von der Sendeleistung

von Marwin (Gast)


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Das Dokument findet sich hier:

http://www.buya123batteries.com/v/vspfiles/images/a123/Battery_Pack_Design_Guide_Rev_07.pdf

Besser das Original lesen als die aus dem Kontext gerissenen Schnipsel.

von Patrick C. (pcrom)


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>> Wenn ich einen Akku verwende muss ich mir über den Stromverbrauch meiner
Schaltung dann weniger Gedanken machen...

Stimmt, es ist eine andere Basisgedanke. Ich benutze mein Produkt so :
* Aufladen innerhalb von 2 minuten. In diese zeit mach ich auch die 
sachen die die meiste strom benutzen z.B. wireless verbindung 
initialisieren. Ab dann benutze ich nur noch wenig strom
* Dann kann ich ca 50 minuten damit Drahtlos messen (ich benutze 18F)
* Als DC/DC converter benutze ich NCP1402, kann man bei zB. Polulu 
preiswert als komplettes modul bekommen fuer 3V3 oder 5V

Also wenn mein Kunde started Laedt er immer zuerst auf. Bei benutzung 
von Batterieen dauert das praktisch viel zu lange.

von dotm (Gast)


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Patrick C. schrieb:
> * Aufladen innerhalb von 2 minuten. In diese zeit mach ich auch die
> sachen die die meiste strom benutzen z.B. wireless verbindung
> initialisieren. Ab dann benutze ich nur noch wenig strom

Sagmal, wie lädst du denn deinen Supercap? Kann ich einfach zwei 
parallel hängen wie normale Elkos?

von Patrick C. (pcrom)


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> Sagmal, wie lädst du denn deinen Supercap? Kann ich einfach zwei
parallel hängen wie normale Elkos?

Ja, funktioniert genauso wie einen Elko. Parallel ohne probleme, seriel 
kann auf aber dann musz mann rechnen mit die maximalspannung. Zum 
aufladen kann einfach einen R benutzt werden oder besser eine 
strom-limitierte spannungsversorgung. Laden mache ich mit 2V7/1A. Eine 
hohere strom kann auch aber dann musz mann mehr mit der Ladekonnektor 
rechnung halten.

Q=C*U=I*t
Also im theorie t=C*U/I=18F*2V7/1A= 48.6 sekunden

Und sehr grosser vorteil ist das man einfach sehr genau messen kann 
wieviel spritt es noch gibt, bei einen Accu geht das sehr schwer weil 
die spannung da sehr temperatur-abhangig ist.

von dotm (Gast)


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Danke für den Hinweis.

Es ist nicht leicht DC7DC für Supercaps zu finden die Ausreichend Strom 
für ein GSM-Modem liefern. Vorallem da ich ja die Supercaps bis 1V 
entladen will und der Leerlaufstrom trotzdem gering sein soll.. nunja..

Aber zuerstmal zum Supercapladen. Es gibt ja dedizierte Ladeics wie z.b.
http://www.linear.com/product/LTC4425
super, gleich mit Balancer.
Können die nun auch gleich nebst laden meine Schaltung versorgen? Auch 
wenn diese viel Strom zieht?

von dotm (Gast)


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Ich hab mir eben auch den da:
http://www.linear.com/product/LTC3226
angesehen , aber das ist ja total bescheuert, der interne LDO hört bei 
2,4V auf zu werken obwohl in den Supercaps noch viel Saft ist.

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